[发明专利]固体氧化物燃料电池系统及其启动方法

说明书

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池系统及其启动方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池系统(以下称为“SOFC系统”)因其较高的发电效率，作为低CO₂排放的新一代固定用电源而备受关注。通过近年来活跃的技术开发，600～1000℃的高温操作造成的耐久性问题也逐渐被克服，而且该操作温度自身也稳步地趋向于低温化。

作为上述SOFC系统，已知有专利文献1中记载的系统。

该系统的构成为包含有：重整器，其利用重整反应生成富氢燃料气体(重整气体)；燃料电池堆(燃料电池单元的组合体)，其使来自该重整器的燃料气体与空气进行反应而发电；模块壳体，其包围这些重整器和燃料电池堆，在其内部使剩余的燃料气体燃烧而将重整器和燃料电池堆维持在高温状态。需要说明的是，它们是系统的主要部分，将它们统称为热模块。

另外，构成燃料电池堆的电池单元为燃料极支撑型的固体氧化物燃料电池单元，其是包含电池单元支撑体、并在该电池单元支撑体上层叠燃料极层、固体氧化物电解质层、空气极层而构成的，所述电池单元支撑体由至少包含镍金属的组成的多孔性物质形成，在内部具有自一端向另一端流通来源自重整器的燃料气体的气体流路。需要说明的是，在气体流路的另一端使剩余的燃料气体燃烧，从而加热重整器和燃料电池堆。

另外，专利文献2中，作为具备热模块的SOFC系统的运转方法，记载了：在重整器的温度低于部分氧化反应起始温度的情况下，利用由燃烧气体得到的燃烧热来加热重整器，在部分氧化反应起始温度以上且低于能够进行水蒸气重整的温度范围的情况下，利用部分氧化反应的反应热和由燃烧气体得到的燃烧热来加热重整器，进行部分氧化重整，在水蒸气重整反应温度以上且低于稳态温度的情况下，控制部分氧化反应的反应热、由燃烧气体得到的燃烧热以及水蒸气重整反应的吸热来加热重整器，组合使用部分氧化反应和水蒸气重整，在稳定状态的情况下，利用由燃烧气体得到的燃烧热来加热重整器，进行水蒸气重整。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第4565980号公报

专利文献2：日本特开2004-319420号公报

发明内容

发明要解决的问题

对于以SOFC系统为代表的固定用燃料电池系统而言，出于用户的意愿、或者最大限度地发挥节能效果的目的、或者出于机器或实用程序的故障等各种理由，需要以一定频率停止系统。

因此，为了将SOFC系统作为固定用的发电设备而实用化，以反复进行启动停止为前提，必须具有10年左右(启动停止240次左右)的耐久性。

本发明着眼于SOFC系统在启动停止时的举措、以及启动停止的重复所导致的发电性能降低的倾向，基于这些现象，以提高SOFC系统的耐久性作为课题。

用于解决问题的方案

本发明人等发现，对于SOFC系统的燃料电池堆，在发电停止后燃料气体向燃料电池堆的供给被停止时，空气自外部扩散流入到燃料电池单元的燃料极，在高温下包含镍金属的组成的电池单元支撑体被该空气氧化、重启时在燃料气体的供给下被还原，因此，由于氧化/还原的反复而使电池单元或电池堆结构体受到损伤的可能性变高，这会招致耐久性的降低。

另外，本发明人等发现，在系统的启动时，电池单元支撑体的温度为其还原起始温度范围内的情况下，来自重整器的燃料气体的氢气浓度(换言之，燃料气体内氢气分压)越高，电池单元或电池堆结构体受到损伤的可能性越高，这会招致耐久性的降低。此处，电池单元支撑体的还原起始温度范围是指，前一次系统运转停止时(即，重启前的系统运转停止时)被氧化了的电池单元支撑体在这次系统启动时(即，重启时)开始被来自重整器的燃料气体还原的温度范围。

另外，电池单元的耐久性优选利用在系统一定运转条件下的电流扫描时的电池单元的发电电压来监测。如果包含电池单元支撑体、周边构件的电池堆结构体中出现任何问题，则在由电池单元支撑体破损导致的气体泄漏、伴随电池单元层叠结构的剥离的电阻增大、伴随电池单元变形的与集电金属的接触状态的恶化等任意情况下，均常常以电池堆的电压降低的形式被观察到。因此，根据电池单元电压相对于初期的变化(降低)，可以推测电池堆的耐久性(剩余寿命)。为了抑制这种电池单元电压的降低，即使经过实用上的启动停止次数即240次也能将电池单元电压维持在充分的水平，理想的是，在系统启动时的上述还原起始温度范围内，将来自重整器的燃料气体的氢气浓度抑制得较低。