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JP7360352B2 - SOFC/SOEC system - Google Patents
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Description

本発明は、SOFC/SOECシステムに関する。 The present invention relates to SOFC/SOEC systems.

従来、水を電気分解することで水素を生成するSOECモードと、水素の酸化反応によって発電するSOFCモードと、の2つの運転モードを有するSOFC/SOECセルを備えるSOFC/SOECシステムが知られている。例えば、特許文献1には、2種類の蓄熱器を用いて、SOFCモード時にSOFC/SOECセルにおいて発生する熱を回収し、回収した熱を、SOECモード時にSOFC/SOECセルに供給する技術が開示されている。 Conventionally, SOFC/SOEC systems equipped with SOFC/SOEC cells have been known that have two operating modes: an SOEC mode in which hydrogen is generated by electrolyzing water, and an SOFC mode in which electricity is generated by an oxidation reaction of hydrogen. . For example, Patent Document 1 discloses a technology that uses two types of heat storage devices to recover the heat generated in the SOFC/SOEC cell during the SOFC mode, and supplies the recovered heat to the SOFC/SOEC cell during the SOEC mode. has been done.

特開2018-116834号公報Japanese Patent Application Publication No. 2018-116834

しかしながら、上記先行技術によっても、発電効率を向上する技術については、なお、改善の余地があった。例えば、特許文献1に記載の技術では、SOFCモード時にSOFC/SOECセルに供給される空気は、空気極の流路に沿って流れるにしたがって酸素が消費され、酸素濃度が低下する一方、窒素濃度が増大する。このため、空気極の流路におけるガス濃度によって決まる濃度抵抗が増大し、SOFC/SOECセルの出力電圧が低下する。したがって、SOFC/SOECシステム全体での発電効率が低下するおそれがある。 However, even with the above-mentioned prior art, there is still room for improvement in terms of technology for improving power generation efficiency. For example, in the technology described in Patent Document 1, in the air supplied to the SOFC/SOEC cell during the SOFC mode, as it flows along the flow path of the air electrode, oxygen is consumed and the oxygen concentration decreases, while the nitrogen concentration increases. Therefore, the concentration resistance determined by the gas concentration in the flow path of the air electrode increases, and the output voltage of the SOFC/SOEC cell decreases. Therefore, the power generation efficiency of the entire SOFC/SOEC system may decrease.

また、特許文献1に記載の技術では、2種類の蓄熱器とSOFC/SOECセルとの間では、対流伝熱または輻射伝熱のいずれかによって熱のやり取りが行われるため、蓄熱器での蓄熱密度が比較的小さい。このため、水の電気分解や発電を連続して行うためには、別途エネルギを投入して、SOECモードでは加熱し、SOFCモードでは冷却する必要がある。このため、SOFC/SOECシステム全体での発電効率が低下するおそれがある。 In addition, in the technology described in Patent Document 1, heat is exchanged between two types of heat storage devices and the SOFC/SOEC cell by either convection heat transfer or radiation heat transfer, so that the heat storage in the heat storage device is Density is relatively small. Therefore, in order to continuously perform electrolysis and power generation of water, it is necessary to separately input energy for heating in SOEC mode and cooling in SOFC mode. For this reason, there is a possibility that the power generation efficiency of the entire SOFC/SOEC system will decrease.

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、SOFC/SOECシステムにおいて、発電効率を向上する技術を提供することを目的とする。 The present invention was made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a technology for improving power generation efficiency in a SOFC/SOEC system.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。 The present invention has been made to solve at least part of the above-mentioned problems, and can be realized as the following forms.

(1)本発明の一形態によれば、SOFC/SOECシステムが提供される。このSOFC/SOECシステムは、水の電気分解によって水素と酸素を生成するSOECモードと、水素を酸化して発電するSOFCモードと、の2つの運転モードを有するセルと、前記セルに印加される電圧を調整する電圧調整部と、SOECモードの前記セルにおいて生成される酸素が貯蔵される酸素貯蔵部と、前記セルの運転モードを切り替える制御部と、を備え、前記制御部は、SOECモードの前記セルに、サーモニュートラル状態となる値として予め設定されている電圧値より高い値の電圧を印加させるように、前記電圧調整部を制御し、SOFCモードの前記セルに、前記セルに供給される水素を全て酸化させる量として予め設定されている量よりも多い量の酸素を供給させるように、前記酸素貯蔵部を制御する。 (1) According to one embodiment of the present invention, a SOFC/SOEC system is provided. This SOFC/SOEC system includes a cell that has two operating modes: an SOEC mode in which hydrogen and oxygen are generated by electrolysis of water, and an SOFC mode in which hydrogen is oxidized to generate electricity, and a voltage applied to the cell. an oxygen storage section in which oxygen generated in the cell in SOEC mode is stored; and a control section for switching an operation mode of the cell; The voltage regulator is controlled to apply a voltage higher than a preset voltage value as a value for thermoneutral state to the cell, and the hydrogen supplied to the cell is controlled to be applied to the cell in the SOFC mode. The oxygen storage section is controlled so as to supply a larger amount of oxygen than a preset amount to completely oxidize the oxygen.

この構成によれば、セルをSOFCモードで運転させる場合、酸素貯蔵部に貯蔵されている酸素が水素の酸化材として供給される。SOFCモードでは、セルに供給される原料の化学エネルギから変換される電気エネルギとして取出し可能な電圧から、セルの内部抵抗に電流を掛け合わせた分を電圧ロス分として差し引いた電圧が、セルの出力電圧となる。セルの内部抵抗には、セルに供給されるガス濃度によって決定される濃度抵抗が含まれており、水素の酸化材として空気を用いた場合、酸素の消費によって窒素濃度が高くなると濃度抵抗は大きくなる。一方、水素の酸化材として酸素を用いると酸素が水素の酸化に消費されても酸素濃度は変化しにくいため、濃度抵抗の増大を抑制することができる。これにより、セルの出力電圧を高くすることができるため、比較的高い発電電圧を得ることができる。したがって、発電効率を向上することができる。 According to this configuration, when the cell is operated in the SOFC mode, oxygen stored in the oxygen storage section is supplied as an oxidizing agent for hydrogen. In SOFC mode, the cell's output is the voltage that can be obtained as electrical energy converted from the chemical energy of the raw materials supplied to the cell, minus the voltage loss obtained by multiplying the cell's internal resistance by the current. voltage. The internal resistance of a cell includes a concentration resistance determined by the gas concentration supplied to the cell, and when air is used as the hydrogen oxidizer, the concentration resistance increases as the nitrogen concentration increases due to oxygen consumption. Become. On the other hand, when oxygen is used as an oxidizing agent for hydrogen, the oxygen concentration does not easily change even if oxygen is consumed for oxidizing hydrogen, and therefore it is possible to suppress an increase in concentration resistance. Thereby, the output voltage of the cell can be increased, so that a relatively high power generation voltage can be obtained. Therefore, power generation efficiency can be improved.

また、制御部は、SOECモードのセルに、サーモニュートラル状態となる値として予め設定されている電圧値より高い電圧を印加させるように、電圧調整部を制御する。これにより、サーモニュートラル状態では吸熱反応である水蒸気電解反応が進行することで温度が低下することとなるセルに、セルの内部抵抗に起因する熱が発生するため、セルの温度を安定させることができる。さらに、制御部は、SOFCモードのセルに供給される水素を全て酸化させる量として予め設定されている量よりも多い量の酸素を供給させるように、酸素貯蔵部を制御する。これにより、発熱反応である水素の酸化反応に起因して温度が上昇することとなるセルから、未反応のままセルから排出される酸素の顕熱としてセルの熱が外部に放出されるため、セル温度を安定させることができる。このように、SOECモードでは、セルの内部抵抗によって発熱し、SOFCモードでは、多い量の酸素を供給することでセルの熱をセルの外部に放出する。これにより、SOECモードおよびSOFCモードのそれぞれにおいて、セルの熱収支を成立させることができるため、セルの温度変化を抑制することができる。 The control unit also controls the voltage adjustment unit to apply a voltage higher than a preset voltage value to the cell in the thermoneutral state to the cell in the SOEC mode. As a result, heat due to the internal resistance of the cell is generated in the cell, which in the thermoneutral state would lower its temperature due to the progression of the endothermic steam electrolysis reaction, making it impossible to stabilize the cell temperature. can. Further, the control unit controls the oxygen storage unit to supply oxygen in an amount larger than a preset amount to oxidize all of the hydrogen supplied to the cell in the SOFC mode. As a result, the heat of the cell is released from the cell, where the temperature rises due to the oxidation reaction of hydrogen, which is an exothermic reaction, to the outside as sensible heat of the oxygen discharged from the cell without reaction. Cell temperature can be stabilized. In this way, in the SOEC mode, heat is generated by the internal resistance of the cell, and in the SOFC mode, the heat of the cell is released to the outside of the cell by supplying a large amount of oxygen. Thereby, the heat balance of the cell can be established in each of the SOEC mode and the SOFC mode, so that temperature changes in the cell can be suppressed.

(2)上記形態のSOFC/SOECシステムは、さらに、前記酸素貯蔵部が貯蔵する酸素の貯蔵量を検出する貯蔵量検出部と、前記セルに空気を供給する空気供給部と、を備え、前記制御部は、前記貯蔵量検出部によって検出された酸素の貯蔵量を用いて、前記酸素貯蔵部に貯蔵されている酸素の前記セルへの供給と、前記空気供給部による空気の前記セルへの供給と、を切り替えてもよい。この構成によれば、制御部は、貯蔵量検出部によって検出された酸素の貯蔵量を用いて、酸素貯蔵部に貯蔵されている酸素のセルへの供給と、空気供給部による空気のセルへの供給とを切り替える。これにより、酸素の貯蔵量が少ないとき、酸素の代わりに空気をセルに供給することでセルにおける発電を継続することができる。 (2) The SOFC/SOEC system of the above embodiment further includes a storage amount detection section that detects the amount of oxygen stored in the oxygen storage section, and an air supply section that supplies air to the cell, The control unit uses the storage amount of oxygen detected by the storage amount detection unit to control the supply of oxygen stored in the oxygen storage unit to the cell and the air supply unit to supply air to the cell. You may switch between supply and . According to this configuration, the control unit uses the storage amount of oxygen detected by the storage amount detection unit to supply oxygen stored in the oxygen storage unit to the cells, and to supply air to the cells by the air supply unit. supply. Thereby, when the amount of stored oxygen is small, power generation in the cell can be continued by supplying air to the cell instead of oxygen.

(3)上記形態のSOFC/SOECシステムは、さらに、前記セルに接続されており、SOFCモードの前記セルで発生する熱を蓄熱し、SOECモードの前記セルに熱を供給する熱貯蔵部を備え、前記制御部は、前記熱貯蔵部による、前記セルで発生する熱の蓄熱と前記セルへの熱の供給と、を切り替えてもよい。この構成によれば、セルに接続されている熱貯蔵部は、SOFCモードのセルで発生する熱を蓄熱し、SOECモードのセルに熱を供給する。これにより、SOFCモードにおいて、発熱反応である水素の酸化反応に起因して温度が上昇することとなるセルの熱をセルから熱貯蔵部に移動させて熱貯蔵部に蓄熱させることで、セル温度を安定させることができる。また、SOECモードにおいて、吸熱反応である水蒸気電解反応が進行することで温度が低下することとなるセルに熱を供給することで、セル温度を安定させることができる。これにより、SOECモードおよびSOFCモードのそれぞれにおいて、セルの熱収支を成立させることができるため、セルの温度変化を抑制することができる。 (3) The SOFC/SOEC system of the above embodiment further includes a heat storage unit connected to the cell, storing heat generated in the cell in SOFC mode, and supplying heat to the cell in SOEC mode. , the control unit may switch between storage of heat generated in the cell and supply of heat to the cell by the heat storage unit. According to this configuration, the heat storage unit connected to the cell stores heat generated in the SOFC mode cell and supplies heat to the SOEC mode cell. As a result, in SOFC mode, the cell heat, whose temperature rises due to the exothermic hydrogen oxidation reaction, is transferred from the cell to the heat storage section and stored in the heat storage section, thereby increasing the cell temperature. can be stabilized. Furthermore, in the SOEC mode, the cell temperature can be stabilized by supplying heat to the cell whose temperature is lowered by the progression of the steam electrolysis reaction, which is an endothermic reaction. Thereby, the heat balance of the cell can be established in each of the SOEC mode and the SOFC mode, so that temperature changes in the cell can be suppressed.

(4)上記形態のSOFC/SOECシステムにおいて、前記熱貯蔵部は、前記セルに供給される水素または水が供給されることで、前記セルで発生する熱の蓄熱、または、前記セルへの熱の供給、を切り替えてもよい。この構成によれば、熱貯蔵部は、SOFCモードのセルで発電に用いられる水素が供給されることで、セルで発生する熱を蓄熱し、SOECモードのセルで電気分解に用いられる水が供給されることで、セルに熱を供給する。このように、熱貯蔵部は、SOFC/SOECシステムで扱われる流体を用いて、蓄熱と熱の供給とを切り替えることができる。これにより、システムを大幅に変更することなく熱貯蔵部を駆動させることができるため、セルの熱収支を比較的容易に成立させることができる。 (4) In the SOFC/SOEC system of the above form, the heat storage section stores heat generated in the cell or stores heat to the cell by being supplied with hydrogen or water supplied to the cell. supply, may be switched. According to this configuration, the heat storage section stores heat generated in the cell by being supplied with hydrogen used for power generation in the SOFC mode cell, and is supplied with water used for electrolysis by the SOEC mode cell. heat is supplied to the cell. In this way, the heat storage can switch between storing heat and supplying heat using the fluids handled by the SOFC/SOEC system. Thereby, the heat storage section can be driven without significantly changing the system, so that the heat balance of the cell can be established relatively easily.

(5)上記形態のSOFC/SOECシステムにおいて、前記熱貯蔵部は、前記セルとの間の熱流束を計測する熱流束計測部を有し、前記制御部は、前記熱流束計測部によって計測された熱流束を用いて、前記セルの温度の変化速度を算出し、算出した前記セル温度の変化速度を用いて、前記酸素貯蔵部による前記セルへの酸素の供給量、および、電圧調整部による前記セルに印加される電圧値の少なくとも一方を調整してもよい。この構成によれば、制御部は、熱流束計測部が計測する熱貯蔵部とセルとの間の熱流束を用いて、セル温度の変化速度を算出する。これにより、算出されたセル温度の変化速度を用いて、セル温度を予測することができるため、制御部は、算出したセル温度の変化速度を用いて、酸素貯蔵部からセルへの酸素の供給量、および、電圧調整部によるセルに印加される電圧値の少なくとも一方を調整することで、セルの熱収支を成立させることができる。したがって、セルの温度変化を抑制することができる。 (5) In the SOFC/SOEC system of the above embodiment, the heat storage section includes a heat flux measurement section that measures the heat flux between the heat storage section and the cell, and the control section controls the heat flux measurement section that measures the heat flux between the heat storage section and the cell. The rate of change in temperature of the cell is calculated using the heat flux calculated, and the amount of oxygen supplied to the cell by the oxygen storage unit and the amount of oxygen supplied to the cell by the voltage adjustment unit are calculated using the calculated rate of change in cell temperature. At least one of the voltage values applied to the cell may be adjusted. According to this configuration, the control unit calculates the rate of change in cell temperature using the heat flux between the heat storage unit and the cell measured by the heat flux measurement unit. As a result, the cell temperature can be predicted using the calculated rate of change in cell temperature, so the control unit uses the calculated rate of change in cell temperature to control the supply of oxygen from the oxygen storage unit to the cell. By adjusting at least one of the amount and the voltage value applied to the cell by the voltage adjustment section, the heat balance of the cell can be established. Therefore, temperature changes in the cell can be suppressed.

(6)上記形態のSOFC/SOECシステムにおいて、前記制御部は、SOFCモードにおいて算出された前記セル温度の変化速度の絶対値が所定値以上であるとき、前記セルに供給される酸素の流量を増大させてもよい。この構成によれば、制御部は、SOFCモードにおいて、算出されたセル温度の変化速度の絶対値が所定値以上であるとき、セルに供給される酸素の流量を増大させて、酸素の顕熱量を大きくする。SOFCモードにおいて、セル温度の変化速度の絶対値が所定値以上であることは、セルにおける発熱量が比較的多いために温度上昇が比較的速いことを示していることから、酸素の供給量を増大させて、セルから排出される酸素の顕熱を利用してセルを冷却する。これにより、セルの急激な温度変化を抑制することができる。 (6) In the SOFC/SOEC system of the above embodiment, the control unit controls the flow rate of oxygen supplied to the cell when the absolute value of the rate of change of the cell temperature calculated in the SOFC mode is equal to or higher than a predetermined value. May be increased. According to this configuration, in the SOFC mode, when the absolute value of the calculated cell temperature change rate is equal to or higher than a predetermined value, the control unit increases the flow rate of oxygen supplied to the cell to increase the sensible heat amount of oxygen. Make it bigger. In SOFC mode, if the absolute value of the rate of change in cell temperature is greater than or equal to a predetermined value, this indicates that the temperature rise is relatively fast due to the relatively large amount of heat generated in the cell. The sensible heat of the oxygen exhausted from the cell is used to cool the cell. Thereby, rapid temperature changes in the cell can be suppressed.

(7)上記形態のSOFC/SOECシステムにおいて、前記制御部は、SOECモードにおいて算出された前記セル温度の変化速度の絶対値が所定値以上であるとき、前記セルに印加される電圧を上昇させてもよい。この構成によれば、制御部は、SOECモードにおいて、算出されたセル温度の変化速度の絶対値が所定値以上であるとき、セルに印加される電圧を上昇させて、セルの内部抵抗による発熱の量を大きくする。SOECモードにおいて、セル温度の変化速度の絶対値が所定値以上であることは、セルの温度低下が比較的速いことを示していることから、セルに印加される電圧を上昇させて、セルの内部抵抗による発熱を利用してセルを加熱する。これにより、セルの急激な温度変化を抑制することができる。 (7) In the SOFC/SOEC system of the above embodiment, the control unit increases the voltage applied to the cell when the absolute value of the rate of change of the cell temperature calculated in the SOEC mode is equal to or higher than a predetermined value. It's okay. According to this configuration, in the SOEC mode, when the absolute value of the calculated rate of change in cell temperature is equal to or higher than a predetermined value, the control unit increases the voltage applied to the cell to generate heat due to internal resistance of the cell. Increase the amount of In SOEC mode, if the absolute value of the rate of change in cell temperature is greater than or equal to a predetermined value, this indicates that the temperature of the cell is decreasing relatively quickly, so the voltage applied to the cell is increased to The cell is heated using heat generated by internal resistance. Thereby, rapid temperature changes in the cell can be suppressed.

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、SOFC/SOECシステムの制御方法、SOFC/SOECシステムの制御方法を実行するためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、コンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。 Note that the present invention can be realized in various ways, such as a method for controlling an SOFC/SOEC system, a computer program for executing the method for controlling an SOFC/SOEC system, and a method for distributing this computer program. It can be realized in the form of a server device, a non-temporary storage medium storing a computer program, etc.

第1実施形態のSOFC/SOECシステムのブロック図である。FIG. 1 is a block diagram of a SOFC/SOEC system according to a first embodiment. SOFC/SOECセルにおける電流密度と熱流速との関係を説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating the relationship between current density and heat flow rate in a SOFC/SOEC cell. SOFC/SOECスタックにおける熱収支を説明する図である。It is a figure explaining heat balance in a SOFC/SOEC stack. 第1実施形態の効果を説明する図である。It is a figure explaining the effect of a 1st embodiment. 第2実施形態のSOFC/SOECシステムのブロック図である。FIG. 2 is a block diagram of a SOFC/SOEC system according to a second embodiment. SOFC/SOECスタックと熱貯蔵部との熱のやり取りの説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of heat exchange between the SOFC/SOEC stack and the heat storage section. SOFC/SOECスタックにおける熱収支を説明する図である。It is a figure explaining heat balance in a SOFC/SOEC stack. 第3実施形態のSOFC/SOECシステムのブロック図である。FIG. 2 is a block diagram of a SOFC/SOEC system according to a third embodiment. SOFC/SOECシステムの作動を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the operation of the SOFC/SOEC system. SOFC/SOECスタックにおける熱収支を説明する図である。It is a figure explaining heat balance in a SOFC/SOEC stack. 第4実施形態のSOFC/SOECスタックと熱貯蔵部の模式図である。It is a schematic diagram of a SOFC/SOEC stack and a heat storage part of a 4th embodiment. スタック熱収支モデルの説明図である。It is an explanatory diagram of a stack heat balance model. 第5実施形態のSOFC/SOECシステムのブロック図である。It is a block diagram of the SOFC/SOEC system of a 5th embodiment. SOFC/SOECシステムの作動を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the operation of the SOFC/SOEC system. 第6実施形態のSOFC/SOECシステムのブロック図である。It is a block diagram of a SOFC/SOEC system of a 6th embodiment. SOFC/SOECシステムの作動を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the operation of the SOFC/SOEC system.

<第1実施形態>
図1は、第1実施形態のSOFC/SOECシステム1のブロック図である。SOFC/SOECシステム1は、水蒸気を電気分解(以下、単に「水蒸気電解」という)することで水素を生成し、生成した水素と酸素との化学反応から電気を発生させるシステムである。これにより、SOFC/SOECシステム1は、例えば、余剰電力を用いて水蒸気電解することで生成される水素を貯蔵し、電力が必要なときに水素を酸化させることで発電することで所望の時間に電力を得ることができる。本実施形態のSOFC/SOECシステム1は、SOFC/SOECスタック10と、酸素側熱交換器20と、酸素貯蔵部30と、燃料側熱交換器40と、水蒸気生成部50と、水素貯蔵部60と、これらを接続する複数の配管と、制御部100と、を備える。
<First embodiment>
FIG. 1 is a block diagram of the SOFC/SOEC system 1 of the first embodiment. The SOFC/SOEC system 1 is a system that generates hydrogen by electrolyzing water vapor (hereinafter simply referred to as "steam electrolysis") and generates electricity from a chemical reaction between the generated hydrogen and oxygen. As a result, the SOFC/SOEC system 1 can, for example, store hydrogen generated by steam electrolysis using surplus electricity, and generate electricity by oxidizing the hydrogen when electricity is needed. You can get electricity. The SOFC/SOEC system 1 of this embodiment includes a SOFC/SOEC stack 10, an oxygen side heat exchanger 20, an oxygen storage section 30, a fuel side heat exchanger 40, a water vapor generation section 50, and a hydrogen storage section 60. , a plurality of pipes connecting these, and a control section 100.

SOFC/SOECスタック10は、複数のSOFC/SOECセルを備えている。複数のSOFC/SOECセルのそれぞれは、電圧が印加されることで水蒸気電解する固体酸化物形電解セル(SOEC:Solid Oxide Electrolytic Cell)として機能する。また、複数のSOFC/SOECセルのそれぞれは、水素と酸素とが供給されることで電気を発生させる固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)としても機能する。ここで、SOFC/SOECシステム1において、SOFC/SOECスタック10が水蒸気電解している状態を「SOECモード」で運転しているとし、SOFC/SOECスタック10が発電している状態を「SOFCモード」で運転しているとする。本実施形態では、SOFC/SOECスタック10の燃料側11の電極(燃料側電極)として、Ni-YSZが用いられ、酸素側12の電極(酸素側電極)として、ペロブスカイト型酸化物(例えば、(La,Sr)CoO3、(La,Sr)(Co,Fe)O3、LaSrMnO3など)が用いられる。燃料側11と酸素側12とを隔てている電解質13としては、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)が用いられている。なお、他の実施形態では、燃料側電極、酸素側電極、および、電解質13に、周知の材料が用いられてもよい。本実施形態のSOFC/SOECスタック10は、SOECモードにおいて、約650℃の雰囲気下で水蒸気電解を行い、SOFCモードにおいて、約700℃の雰囲気下で発電を行う。 The SOFC/SOEC stack 10 includes multiple SOFC/SOEC cells. Each of the plurality of SOFC/SOEC cells functions as a solid oxide electrolytic cell (SOEC) that performs water vapor electrolysis by applying a voltage. Each of the plurality of SOFC/SOEC cells also functions as a solid oxide fuel cell (SOFC) that generates electricity by being supplied with hydrogen and oxygen. Here, in the SOFC/SOEC system 1, the state in which the SOFC/SOEC stack 10 is performing steam electrolysis is assumed to be operating in "SOEC mode", and the state in which the SOFC/SOEC stack 10 is generating electricity is "SOFC mode". Suppose you are driving at In this embodiment, Ni-YSZ is used as the electrode on the fuel side 11 (fuel side electrode) of the SOFC/SOEC stack 10, and a perovskite oxide (for example, ( (La,Sr) CoO3 , (La,Sr)(Co,Fe) O3 , LaSrMnO3, etc.) are used. As the electrolyte 13 separating the fuel side 11 and the oxygen side 12, YSZ (yttria stabilized zirconia) is used. Note that in other embodiments, known materials may be used for the fuel side electrode, the oxygen side electrode, and the electrolyte 13. The SOFC/SOEC stack 10 of this embodiment performs steam electrolysis in an atmosphere of approximately 650° C. in SOEC mode, and generates power in an atmosphere of approximately 700° C. in SOFC mode.

SOFC/SOECスタック10は、変圧器14を介して、図示しない外部の電力供給源に電気的に接続されている。変圧器14は、制御部100と電気的に接続しており、制御部100の指令に応じて、外部の電力供給源がSOFC/SOECスタック10に供給される電力の電圧を変更する。変圧器14は、特許請求の範囲の「電圧調整部」に相当する。 The SOFC/SOEC stack 10 is electrically connected to an external power supply source (not shown) via a transformer 14. The transformer 14 is electrically connected to the control unit 100 and changes the voltage of the power supplied to the SOFC/SOEC stack 10 by an external power supply source according to a command from the control unit 100. The transformer 14 corresponds to a "voltage adjustment section" in the claims.

酸素側熱交換器20は、酸素側オフガスが流れる排気流路21と、水蒸気と水素との混合ガス(以下、「燃料ガス」という)が流れる燃料ガス流路22と、酸素が流れる酸素流路23を有する。酸素側熱交換器20は、SOFC/SOECスタック10の酸素側12から排出される酸素側オフガスと、燃料側11に供給される燃料ガス、または、酸素側12に供給される酸素との熱交換を行う。 The oxygen side heat exchanger 20 includes an exhaust flow path 21 through which oxygen side off-gas flows, a fuel gas flow path 22 through which a mixed gas of water vapor and hydrogen (hereinafter referred to as "fuel gas") flows, and an oxygen flow path through which oxygen flows. It has 23. The oxygen side heat exchanger 20 exchanges heat between the oxygen side off-gas discharged from the oxygen side 12 of the SOFC/SOEC stack 10 and the fuel gas supplied to the fuel side 11 or the oxygen supplied to the oxygen side 12. I do.

酸素貯蔵部30は、酸素昇圧器31と、酸素タンク32と、を有する。酸素昇圧器31は、酸素側熱交換器20の排気流路21を通過した酸素側オフガスを、例えば、20MPaまで昇圧する。酸素タンク32は、酸素昇圧器31が昇圧した酸素側オフガスを貯蔵する。酸素タンク32に貯蔵されている酸素オフガスは、主に酸素から構成されており、SOFC/SOECスタック10でのSOFCモードにおいて、水素を酸化するための酸化材として、酸素側熱交換器20の酸素流路23を介してSOFC/SOECスタック10に供給される。酸素側熱交換器20の排気流路21と酸素昇圧器31との間には、酸素昇圧器31への酸素オフガスの供給のオンオフを行うオンオフバルブ33が配置されている。酸素タンク32と酸素側熱交換器20の酸素流路23との間には、SOFC/SOECスタック10の酸素側12に供給される酸素の流量を制御する流量制御バルブ34が配置されている。オンオフバルブ33および流量制御バルブ34は、電気的に接続している制御部100の指令に応じて作動する。 The oxygen storage unit 30 includes an oxygen booster 31 and an oxygen tank 32. The oxygen pressure booster 31 boosts the pressure of the oxygen side off-gas that has passed through the exhaust flow path 21 of the oxygen side heat exchanger 20 to, for example, 20 MPa. The oxygen tank 32 stores the oxygen side off-gas whose pressure has been increased by the oxygen booster 31. The oxygen off-gas stored in the oxygen tank 32 is mainly composed of oxygen, and in the SOFC mode in the SOFC/SOEC stack 10, oxygen in the oxygen side heat exchanger 20 is used as an oxidizing agent to oxidize hydrogen. It is supplied to the SOFC/SOEC stack 10 via the flow path 23. An on-off valve 33 that turns on and off the supply of oxygen off-gas to the oxygen booster 31 is arranged between the exhaust flow path 21 of the oxygen-side heat exchanger 20 and the oxygen booster 31. A flow control valve 34 that controls the flow rate of oxygen supplied to the oxygen side 12 of the SOFC/SOEC stack 10 is arranged between the oxygen tank 32 and the oxygen flow path 23 of the oxygen side heat exchanger 20. The on-off valve 33 and the flow control valve 34 operate according to commands from the control section 100 that is electrically connected to them.

燃料側熱交換器40は、燃料側オフガスが流れる排気流路41と、燃料ガスが流れる燃料流路42とを有する。燃料側熱交換器40は、SOFC/SOECスタック10の燃料側11から排出される燃料側オフガスと、燃料側11に供給される燃料ガスとの熱交換を行う。 The fuel-side heat exchanger 40 has an exhaust flow path 41 through which fuel-side off-gas flows, and a fuel flow path 42 through which fuel gas flows. The fuel side heat exchanger 40 performs heat exchange between the fuel side off-gas discharged from the fuel side 11 of the SOFC/SOEC stack 10 and the fuel gas supplied to the fuel side 11.

水蒸気生成部50は、水を貯蔵する水タンク51と、水を加熱するための熱を供給する外部熱源52と、外部熱源52が供給する熱媒体が流れる熱媒流路53と、蒸発流路54を有する。水蒸気生成部50では、蒸発流路54を流れる水タンク51の水が熱媒流路53の熱媒体によって加熱されることで、水蒸気が生成される。生成された水蒸気は、SOECモードでのSOFC/SOECスタック10の燃料側11に供給される。水タンク51と蒸発流路54との間には、水タンク51から蒸発流路54に送られる水量を調整する流量制御バルブ55が配置されている。流量制御バルブ55は、電気的に接続している制御部100の指令に応じて作動する。 The steam generation unit 50 includes a water tank 51 that stores water, an external heat source 52 that supplies heat for heating water, a heat medium flow path 53 through which a heat medium supplied by the external heat source 52 flows, and an evaporation flow path. It has 54. In the water vapor generation unit 50, water in the water tank 51 flowing through the evaporation channel 54 is heated by the heat medium in the heat medium channel 53, thereby generating water vapor. The generated water vapor is supplied to the fuel side 11 of the SOFC/SOEC stack 10 in SOEC mode. A flow control valve 55 that adjusts the amount of water sent from the water tank 51 to the evaporation flow path 54 is arranged between the water tank 51 and the evaporation flow path 54 . The flow rate control valve 55 operates in response to a command from the control unit 100 that is electrically connected thereto.

水素貯蔵部60は、水素昇圧器61と、水素タンク62とを有する。水素昇圧器61は、水素を加圧し、例えば、20MPaまで昇圧する。水素タンク62は、水素昇圧器61により昇圧された水素を貯蔵する。水素タンク62に貯蔵されている水素は、水素タンク62と後述する流量分配器73との間に配置されている流量制御バルブ63によって、SOFC/SOECスタック10の燃料側11に供給される量が調節される。流量制御バルブ63は、電気的に接続している制御部100の指令に応じて作動する。 Hydrogen storage unit 60 includes a hydrogen booster 61 and a hydrogen tank 62. The hydrogen booster 61 pressurizes hydrogen to, for example, 20 MPa. The hydrogen tank 62 stores hydrogen pressurized by the hydrogen booster 61. The amount of hydrogen stored in the hydrogen tank 62 is supplied to the fuel side 11 of the SOFC/SOEC stack 10 by a flow rate control valve 63 disposed between the hydrogen tank 62 and a flow rate distributor 73, which will be described later. adjusted. The flow rate control valve 63 operates according to a command from the control unit 100 that is electrically connected thereto.

放熱器71は、燃料側熱交換器40の排気流路41の下流側に配置されている。放熱器71は、排気流路41を通った燃料側オフガスを放熱する。 The radiator 71 is arranged downstream of the exhaust flow path 41 of the fuel-side heat exchanger 40. The radiator 71 radiates heat from the fuel-side off-gas that has passed through the exhaust flow path 41.

気液分離器72は、放熱器71の下流側に配置されており、放熱器71において放熱された燃料側オフガスに含まれる水と水素とを分離する。気液分離器72によって分離された水は、水蒸気生成部50の水タンク51に送られる。気液分離器72によって分離された水素は、水素昇圧器61を介して水素タンク62に送られる。 The gas-liquid separator 72 is disposed downstream of the radiator 71 and separates water and hydrogen contained in the fuel-side off-gas heat radiated by the radiator 71. The water separated by the gas-liquid separator 72 is sent to the water tank 51 of the steam generator 50. Hydrogen separated by the gas-liquid separator 72 is sent to the hydrogen tank 62 via the hydrogen booster 61.

流量分配器73は、水蒸気生成部50および水素貯蔵部60と、酸素側熱交換器20および燃料側熱交換器40との間に配置されているマスフローコントローラである。流量分配器73は、水蒸気生成部50から送られる水蒸気と、水素貯蔵部60から送られる水素とが混合された燃料ガスを、酸素側熱交換器20と燃料側熱交換器40とのそれぞれに分配して供給する。流量分配器73と、酸素側熱交換器20との間には、酸素側熱交換器20に送られる燃料ガスの流量を調整する流量制御バルブ74が配置されている。流量制御バルブ74は、電気的に接続している制御部100の指令に応じて作動する。 The flow rate distributor 73 is a mass flow controller arranged between the steam generation section 50 and the hydrogen storage section 60, and the oxygen side heat exchanger 20 and the fuel side heat exchanger 40. The flow rate distributor 73 distributes fuel gas, which is a mixture of steam sent from the steam generation section 50 and hydrogen sent from the hydrogen storage section 60, to the oxygen side heat exchanger 20 and the fuel side heat exchanger 40, respectively. Distribute and supply. A flow rate control valve 74 is arranged between the flow rate distributor 73 and the oxygen side heat exchanger 20 to adjust the flow rate of the fuel gas sent to the oxygen side heat exchanger 20. The flow rate control valve 74 operates in response to a command from the control unit 100 that is electrically connected thereto.

制御部100は、ROM、RAM、および、CPUを含んで構成されるコンピュータであり、SOFC/SOECシステム1の各部を制御する。本実施形態では、制御部100は、変圧器14での電圧の制御、流量制御バルブ34、55、63、74での流量制御、オンオフバルブ33での開閉制御、流量分配器73での流量の分配制御などを行う。 The control unit 100 is a computer including a ROM, a RAM, and a CPU, and controls each unit of the SOFC/SOEC system 1. In the present embodiment, the control unit 100 controls voltage at the transformer 14, flow rate control at the flow rate control valves 34, 55, 63, and 74, opening/closing control at the on/off valve 33, and flow rate control at the flow rate distributor 73. Performs distribution control, etc.

図1には示されていないが、SOFC/SOECシステム1の各部には、配管中の流量を検出するマスフローセンサと、気体の温度を検出する温度センサが配置されている。制御部100は、これらのセンサの検出値を取得し、SOFC/SOECシステム1の各部を制御する。 Although not shown in FIG. 1, each part of the SOFC/SOEC system 1 is provided with a mass flow sensor that detects the flow rate in the piping and a temperature sensor that detects the temperature of the gas. The control section 100 acquires the detection values of these sensors and controls each section of the SOFC/SOEC system 1.

次に、本実施形態のSOFC/SOECシステム1の作動について説明する。SOFC/SOECシステム1では、制御部100は、例えば、外部での余剰電力の発生や、電力の要求などに応じて、SOFC/SOECスタック10が、SOECモード、または、SOFCモードのいずれか一方の運転モードで運転されるように、SOFC/SOECシステム1を制御する。 Next, the operation of the SOFC/SOEC system 1 of this embodiment will be explained. In the SOFC/SOEC system 1, the control unit 100 causes the SOFC/SOEC stack 10 to operate in either the SOEC mode or the SOFC mode, depending on the occurrence of surplus power externally or a request for power, for example. The SOFC/SOEC system 1 is controlled so that it is operated in the operation mode.

最初に、SOFC/SOECスタック10がSOECモードで運転するときの作動を説明する。制御部100の制御によって、水蒸気生成部50では、水タンク51から水が蒸発流路54に供給される。蒸発流路54に供給された水は、外部熱源52が供給する熱媒体によって加熱され、水蒸気となる。生成された水蒸気は、電解時における燃料側電極の酸化(Ni電極の酸化による電極性能の低下)を回避するため、水素貯蔵部60から供給される水素と混合され流量分配器73に送られる。流量分配器73に送られた燃料ガスは、酸素側熱交換器20および燃料側熱交換器40において熱交換される熱量を考慮して、例えば、酸素側熱交換器20と燃料側熱交換器40との流量比0.82/0.18となるように、酸素側熱交換器20と燃料側熱交換器40とに送られる流量に分配される。酸素側熱交換器20および燃料側熱交換器40のそれぞれにおいて熱交換された燃料ガスは、SOFC/SOECスタック10の燃料側11の入口において合流し、燃料側11の流路に流入する。 First, the operation when the SOFC/SOEC stack 10 operates in SOEC mode will be described. Under the control of the control unit 100, in the steam generation unit 50, water is supplied from the water tank 51 to the evaporation channel 54. The water supplied to the evaporation channel 54 is heated by the heat medium supplied by the external heat source 52 and becomes water vapor. The generated water vapor is mixed with hydrogen supplied from the hydrogen storage section 60 and sent to the flow rate distributor 73 in order to avoid oxidation of the fuel-side electrode during electrolysis (deterioration of electrode performance due to oxidation of the Ni electrode). The fuel gas sent to the flow rate distributor 73 is divided between, for example, the oxygen side heat exchanger 20 and the fuel side heat exchanger 40 in consideration of the amount of heat exchanged in the oxygen side heat exchanger 20 and the fuel side heat exchanger 40. The flow rate is distributed to the oxygen side heat exchanger 20 and the fuel side heat exchanger 40 such that the flow rate ratio with respect to the oxygen side heat exchanger 20 is 0.82/0.18. The fuel gases heat exchanged in each of the oxygen side heat exchanger 20 and the fuel side heat exchanger 40 merge at the inlet of the fuel side 11 of the SOFC/SOEC stack 10 and flow into the flow path of the fuel side 11.

SOFC/SOECスタック10では、変圧器14を介して外部の電力供給源から供給される電力によって、水蒸気電解を行う。本実施形態では、制御部100は、サーモニュートラル電圧(1.29V)に、追加電圧(0.08V)を加えた、電圧(1.37V)がSOFC/SOECスタック10に印加されるように、変圧器14を制御する。ここで、サーモニュートラル電圧とは、SOFC/SOECスタック10での水蒸気電解において、SOFC/SOECスタック10に発生する熱だけで、燃料側11に水素を生成することが可能な状態(以下、「サーモニュートラル状態」という)を維持するための電圧をいう。また、追加電圧とは、サーモニュートラル状態での発熱とは別に、SOFC/SOECスタック10の内部抵抗によって発熱させるために、サーモニュートラル電圧に追加される電圧をいう。本実施形態では、制御部100は、事前に入力されているマップから、SOFC/SOECスタック10の内部抵抗によって発熱するための電圧を設定する。具体的には、制御部100は、例えば、SOFC/SOECスタック10から排出される燃料側オフガスと酸素側オフガスの顕熱と、SOFC/SOECスタック10に流入する燃料ガスおよび酸素の顕熱との差から、ガスによってSOFC/SOECスタック10から放出される放熱量を算出する。制御部100は、算出された放熱量を用いて、上述したマップから追加電圧を決定する。 In the SOFC/SOEC stack 10, steam electrolysis is performed using power supplied from an external power source via a transformer 14. In this embodiment, the control unit 100 applies the voltage (1.37V), which is the thermoneutral voltage (1.29V) plus the additional voltage (0.08V), to the SOFC/SOEC stack 10. The transformer 14 is controlled. Here, the thermoneutral voltage is a state in which hydrogen can be generated on the fuel side 11 by only the heat generated in the SOFC/SOEC stack 10 during steam electrolysis in the SOFC/SOEC stack 10 (hereinafter referred to as "thermo neutral voltage"). This refers to the voltage required to maintain the "neutral state". Further, the additional voltage refers to a voltage that is added to the thermoneutral voltage in order to generate heat due to the internal resistance of the SOFC/SOEC stack 10, in addition to heat generation in the thermoneutral state. In this embodiment, the control unit 100 sets the voltage for generating heat by the internal resistance of the SOFC/SOEC stack 10 from a map input in advance. Specifically, the control unit 100 controls, for example, the sensible heat of the fuel-side offgas and oxygen-side offgas discharged from the SOFC/SOEC stack 10 and the sensible heat of the fuel gas and oxygen flowing into the SOFC/SOEC stack 10. From the difference, the amount of heat released from the SOFC/SOEC stack 10 by the gas is calculated. The control unit 100 determines the additional voltage from the above-described map using the calculated amount of heat radiation.

SOFC/SOECスタック10では、燃料側11の出口からは、水蒸気電解によって生成された水素と、電気分解されなかった水蒸気が排出され、酸素側12の出口からは、水蒸気電解によって生成された酸素が排出される。燃料側11から排出された燃料側オフガス(水蒸気と水素の混合ガス)は、燃料側熱交換器40において排熱が回収され、放熱器71により冷却されたのち、気液分離器72によって水と水素ガスとに分離される。分離された水は、水タンク51に貯蔵され、分離された水素ガスは、水素昇圧器61によって昇圧された後、水素タンク62に貯蔵される。 In the SOFC/SOEC stack 10, hydrogen produced by steam electrolysis and unelectrolyzed water vapor are discharged from the outlet of the fuel side 11, and oxygen produced by steam electrolysis is discharged from the outlet of the oxygen side 12. be discharged. The fuel side off-gas (mixed gas of water vapor and hydrogen) discharged from the fuel side 11 recovers exhaust heat in the fuel side heat exchanger 40, is cooled by a radiator 71, and is then separated into water and water by a gas-liquid separator 72. It is separated into hydrogen gas. The separated water is stored in a water tank 51, and the separated hydrogen gas is pressurized by a hydrogen booster 61 and then stored in a hydrogen tank 62.

酸素側12から排出された酸素側オフガス(酸素)は、酸素側熱交換器20において排熱が回収され、酸素貯蔵部30に送られる。酸素貯蔵部30では、酸素昇圧器31により20MPaまで昇圧されたのち、酸素タンク32に貯蔵される。 Exhaust heat of the oxygen side off-gas (oxygen) discharged from the oxygen side 12 is recovered in the oxygen side heat exchanger 20 and sent to the oxygen storage section 30. In the oxygen storage section 30 , the oxygen pressure is increased to 20 MPa by the oxygen booster 31 and then stored in the oxygen tank 32 .

次に、SOFC/SOECスタック10がSOFCモードで運転するときの作動を説明する。制御部100の制御によって、酸素タンク32に貯蔵されている酸素は、酸素側熱交換器20を流れたのち、SOFC/SOECスタック10の酸素側12に供給される。このとき、制御部100は、SOFC/SOECスタック10に供給される水素を全て酸化させる量として予め設定されている量より多い量の酸素が酸素側12に供給されるように、流量制御バルブ34を制御する。本実施形態では、制御部100は、図示しないマスフローコントローラを用いて検出された、燃料側11に供給される水素の流量を用いて、事前に入力されているマップから、酸素側12に供給する酸素の量を決定する。制御部100の制御によって、水素タンク62に貯蔵されている水素は、流量分配器73を流れたのち、酸素側熱交換器20または燃料側熱交換器40を流れ、SOFC/SOECスタック10の燃料側11に供給される。これにより、SOFC/SOECスタック10では、水素の酸化反応によって水が生成されるとともに電気が発生する。発生した電気は、外部の図示しない受電装置に送られる。 Next, the operation when the SOFC/SOEC stack 10 operates in the SOFC mode will be explained. Under the control of the control unit 100, the oxygen stored in the oxygen tank 32 is supplied to the oxygen side 12 of the SOFC/SOEC stack 10 after flowing through the oxygen side heat exchanger 20. At this time, the control unit 100 controls the flow rate control valve 34 so that a larger amount of oxygen is supplied to the oxygen side 12 than a preset amount to oxidize all the hydrogen supplied to the SOFC/SOEC stack 10. control. In this embodiment, the control unit 100 supplies hydrogen to the oxygen side 12 from a map input in advance using the flow rate of hydrogen supplied to the fuel side 11 detected using a mass flow controller (not shown). Determine the amount of oxygen. Under the control of the control unit 100, the hydrogen stored in the hydrogen tank 62 flows through the flow rate distributor 73, and then through the oxygen side heat exchanger 20 or the fuel side heat exchanger 40, and then flows into the fuel of the SOFC/SOEC stack 10. It is supplied to side 11. As a result, in the SOFC/SOEC stack 10, water is generated by the oxidation reaction of hydrogen, and electricity is also generated. The generated electricity is sent to an external power receiving device (not shown).

燃料側11からは、生成された水とともに未反応の水素ガスが排出される。燃料側11から排されるガスは、燃料側熱交換器40において排熱が回収され、放熱器71により冷却されたのち、気液分離器72によって水と水素ガスとに分離される。分離された水は、水タンク51に貯蔵され、分離された水素ガスは、水素昇圧器61によって昇圧された後、水素タンク62に貯蔵される。 From the fuel side 11, unreacted hydrogen gas is discharged together with the generated water. The exhaust heat of the gas exhausted from the fuel side 11 is recovered in the fuel side heat exchanger 40, cooled by the radiator 71, and then separated into water and hydrogen gas by the gas-liquid separator 72. The separated water is stored in a water tank 51, and the separated hydrogen gas is pressurized by a hydrogen booster 61 and then stored in a hydrogen tank 62.

酸素側12から排出された酸素側オフガスは、酸素側熱交換器20において排熱が回収され、酸素貯蔵部30に送られる。酸素貯蔵部30では、酸素昇圧器31により20MPaまで昇圧されたのち、酸素タンク32に貯蔵される。 Exhaust heat of the oxygen side off-gas discharged from the oxygen side 12 is recovered in the oxygen side heat exchanger 20 and sent to the oxygen storage section 30. In the oxygen storage section 30 , the oxygen pressure is increased to 20 MPa by the oxygen booster 31 and then stored in the oxygen tank 32 .

図2は、SOFC/SOECセルにおける電流密度と熱流束との関係を説明する図である。ここで、上述したSOFC/SOECシステム1の作動において、SOFC/SOECスタック10をSOECモードで運転するときに、SOFC/SOECスタック10に、サーモニュートラル電圧より高い電圧を印加する理由について説明する。図2には、SOFC/SOECスタック10の電解質13における電流密度を横軸に示し、この電流密度に対応する熱流束を縦軸に示している。また、電流密度を示す横軸においては、プラス側はSOFCモードでの電流密度を示されており、マイナス側はSOECモードでの電流密度が示されている。SOFC/SOECスタック10における熱流束は、SOFC/SOECスタック10の内部抵抗による発熱量と、水蒸気電解反応または水素の酸化反応による発熱量の合計となる。 FIG. 2 is a diagram illustrating the relationship between current density and heat flux in a SOFC/SOEC cell. Here, in the operation of the SOFC/SOEC system 1 described above, the reason why a voltage higher than the thermoneutral voltage is applied to the SOFC/SOEC stack 10 when operating the SOFC/SOEC stack 10 in the SOEC mode will be explained. In FIG. 2, the horizontal axis shows the current density in the electrolyte 13 of the SOFC/SOEC stack 10, and the vertical axis shows the heat flux corresponding to this current density. Furthermore, on the horizontal axis indicating current density, the plus side indicates the current density in SOFC mode, and the minus side indicates current density in SOEC mode. The heat flux in the SOFC/SOEC stack 10 is the sum of the amount of heat generated by the internal resistance of the SOFC/SOEC stack 10 and the amount of heat generated by the steam electrolysis reaction or the oxidation reaction of hydrogen.

図2には、SOFC/SOECスタック10における電流密度と熱流束との関係を2つの太線(符号Lf0、Lf1)で示している。点線で示している符号Lf0は、上述したサーモニュートラル状態での電流密度と熱流束との関係を示しており、実線で示している符号Lf1は、本実施形態での電流密度と熱流束との関係を示している。また、SOFC/SOECスタック10の内部抵抗による発熱量は、中程度の太さの線(符号Lm0、Lm1)で示されており、水蒸気電解反応または水素の酸化反応による発熱量は、細線(符号Lt0)で示されている。 In FIG. 2, the relationship between current density and heat flux in the SOFC/SOEC stack 10 is shown by two thick lines (signs Lf0 and Lf1). The symbol Lf0 indicated by a dotted line indicates the relationship between current density and heat flux in the thermoneutral state described above, and the symbol Lf1 indicated by a solid line indicates the relationship between current density and heat flux in this embodiment. It shows a relationship. Furthermore, the amount of heat generated by the internal resistance of the SOFC/SOEC stack 10 is shown by medium-thick lines (signs Lm0, Lm1), and the amount of heat generated by the steam electrolysis reaction or the oxidation reaction of hydrogen is shown by the thin line (signs Lm1). Lt0).

サーモニュートラル状態では、図2で示すSOECモード(電流密度のマイナス側の領域)において、SOFC/SOECスタック10には、サーモニュートラル電圧が印加されている。例えば、サーモニュートラル電圧での電流密度が-1.65A/cm2の場合(図2に示す点線SOEC1)、SOFC/SOECスタック10の内部抵抗による発熱量は、約0.5W/cm2程度(図2に示す符号Lm0の点線と点線SOEC1とが交わる点Pm0)となる。また、水蒸気電解反応による反応熱(エンタルピー変化量から自由エネルギ変化量を差し引いたもの)は、約マイナス0.5W/cm2程度(図2に示す符号Lt0の点線と点線とが交わる点Pm0)となることから、これらの合計であるSOFC/SOECスタック10における熱流束は、0W/cm2(図2に示す符号Lf0の点線と点線SOEC1とが交わる点Pf0)となる。 In the thermoneutral state, a thermoneutral voltage is applied to the SOFC/SOEC stack 10 in the SOEC mode (region on the negative side of current density) shown in FIG. For example, when the current density at the thermoneutral voltage is -1.65 A/cm 2 (dotted line SOEC1 shown in FIG. 2), the amount of heat generated due to the internal resistance of the SOFC/SOEC stack 10 is approximately 0.5 W/cm 2 ( This is a point Pm0) where the dotted line labeled Lm0 and the dotted line SOEC1 shown in FIG. 2 intersect. In addition, the reaction heat (the amount of change in free energy subtracted from the amount of enthalpy change) due to the steam electrolysis reaction is about -0.5 W/cm 2 (point Pm0 where the dotted line with symbol Lt0 and the dotted line intersect in Fig. 2). Therefore, the total heat flux in the SOFC/SOEC stack 10 is 0 W/cm 2 (point Pf0 where the dotted line labeled Lf0 and the dotted line SOEC1 shown in FIG. 2 intersect).

一方、本実施形態では、SOECモードでは、SOFC/SOECスタック10には、上述したように、サーモニュートラル状態以上の電圧が供給されているため、抵抗発熱量がサーモニュートラル電圧に比べ増加する。具体的には、SOFC/SOECスタック10の内部抵抗による発熱量は、約0.6W/cm2程度(図2に示す符号Lm1の実線と点線SOEC1とが交わる点Pm1)となる。このときの水蒸気電解反応による反応熱(符号Lt0)は変化しないため、本実施形態でのSOFC/SOECスタック10における熱流束は、符号Lf1となって、サーモニュートラル状態のときに比べ増加する(図2に示す符号Lf1の点線と点線SOEC1とが交わる点Pf1)。すなわち、本実施形態では、SOECモードにおいて、SOFC/SOECスタック10に印加する電圧を増大させることで、SOFC/SOECスタック10における抵抗発熱量を増大させている。 On the other hand, in the present embodiment, in the SOEC mode, the SOFC/SOEC stack 10 is supplied with a voltage higher than the thermoneutral state as described above, so the resistance heat generation amount increases compared to the thermoneutral voltage. Specifically, the amount of heat generated by the internal resistance of the SOFC/SOEC stack 10 is about 0.6 W/cm 2 (point Pm1 where the solid line labeled Lm1 and the dotted line SOEC1 in FIG. 2 intersect). Since the reaction heat (code Lt0) due to the steam electrolysis reaction at this time does not change, the heat flux in the SOFC/SOEC stack 10 in this embodiment becomes code Lf1 and increases compared to the thermoneutral state (Fig. A point Pf1) where the dotted line with the symbol Lf1 shown in FIG. 2 intersects with the dotted line SOEC1. That is, in the present embodiment, the amount of resistance heat generated in the SOFC/SOEC stack 10 is increased by increasing the voltage applied to the SOFC/SOEC stack 10 in the SOEC mode.

図3は、SOFC/SOECスタック10における熱収支を説明する図である。図3(a)には、出力50kWeでのSOECモードでのSOFC/SOECスタック10の熱収支を示し、図3(b)には、出力3.8kWeでのSOFCモードでのSOFC/SOECスタック10の熱収支を示している。 FIG. 3 is a diagram illustrating the heat balance in the SOFC/SOEC stack 10. FIG. 3(a) shows the heat balance of the SOFC/SOEC stack 10 in SOEC mode with an output of 50 kWe, and FIG. 3(b) shows the heat balance of the SOFC/SOEC stack 10 in SOFC mode with an output of 3.8 kWe. shows the heat balance.

SOECモード(図3(a)参照)では、図2で説明したように、SOFC/SOECスタック10に印加する電圧をサーモニュートラル電圧より高くすることで、SOFC/SOECスタック10での抵抗発熱量をニュートラル状態に比べ大きくしている。これにより、図3(a)に示す「A-1:抵抗発熱」の値が、サーモニュートラル状態より高い値(3.13kW)となる。これにより、SOFC/SOECスタック10での発熱量「A:スタック発熱」は、「A-1:抵抗発熱」と「A-2:反応熱」の合計(0.84kW)となっている。一方、SOFC/SOECスタック10からの放熱量は、燃料側オフガスの顕熱量である「B:燃料側ΔH」(0.36kW)と、酸素側オフガスの顕熱量である「C:酸素側ΔH」(0.43kW)と、「D:放熱ロス」(0.05kW)との合計であり、0.84kWとなる。すなわち、A-(B+C+D)=0となり、SOFC/SOECスタック10にサーモニュートラル電圧より高い電圧を印加することで、SOECモードでの熱収支が成立することとなる。 In the SOEC mode (see FIG. 3(a)), as explained in FIG. 2, by making the voltage applied to the SOFC/SOEC stack 10 higher than the thermoneutral voltage, the amount of resistance heat generated in the SOFC/SOEC stack 10 is reduced. It is larger than the neutral state. As a result, the value of "A-1: Resistance heat generation" shown in FIG. 3(a) becomes a value (3.13 kW) higher than that in the thermoneutral state. As a result, the amount of heat generated in the SOFC/SOEC stack 10 "A: stack heat generation" is the sum of "A-1: resistance heat generation" and "A-2: reaction heat" (0.84 kW). On the other hand, the amount of heat dissipated from the SOFC/SOEC stack 10 is "B: Fuel side ΔH" (0.36kW) which is the sensible heat amount of the off gas on the fuel side, and "C: Oxygen side ΔH" which is the sensible heat amount of the oxygen side off gas. (0.43kW) and "D: heat radiation loss" (0.05kW), which is 0.84kW. That is, A-(B+C+D)=0, and by applying a voltage higher than the thermoneutral voltage to the SOFC/SOEC stack 10, heat balance in the SOEC mode is established.

SOFCモード(図3(b)参照)では、上述したように、制御部100の制御によって、酸素側12に水素との反応に必要な量より多い量の酸素を供給している。これにより、酸素側12からは、比較的多くの酸素が排出されることとなるため、酸素の顕熱による放熱量が、酸素を水素との反応に必要な量しか供給しない場合に比べ増大する。本実施形態では、制御部100は、SOFCモードでのSOFC/SOECスタック10における発熱量と放熱量との合計が0となるように、酸素の供給量を制御している。具体的には、制御部100は、図3(b)に示すように、SOFCモードでのSOFC/SOECスタック10における発熱量が2.27kWとなっていることから、「B:燃料側ΔH」と「C:酸素側ΔH」と「D:放熱ロス」との合計が2.27kWとなるように、酸素の供給量を制御する。これにより、図3(b)に示すように、A-(B+C+D)=0となり、SOFCモードでの熱収支も成立することとなる。本実施形態では、酸素の顕熱は、酸素側熱交換器20において回収され、燃料側11に供給される燃料ガスや酸素側12に供給される酸素の加熱に利用される。 In the SOFC mode (see FIG. 3(b)), as described above, the control unit 100 controls to supply oxygen to the oxygen side 12 in an amount larger than that required for reaction with hydrogen. As a result, a relatively large amount of oxygen is discharged from the oxygen side 12, so the amount of heat dissipated by the sensible heat of oxygen increases compared to the case where only the amount of oxygen required for reaction with hydrogen is supplied. . In this embodiment, the control unit 100 controls the amount of oxygen supplied so that the sum of the amount of heat generated and the amount of heat dissipated in the SOFC/SOEC stack 10 in the SOFC mode becomes zero. Specifically, as shown in FIG. 3(b), since the amount of heat generated in the SOFC/SOEC stack 10 in the SOFC mode is 2.27 kW, the control unit 100 sets "B: fuel side ΔH". The amount of oxygen supplied is controlled so that the sum of "C: oxygen side ΔH" and "D: heat radiation loss" is 2.27 kW. As a result, as shown in FIG. 3(b), A-(B+C+D)=0, and the heat balance in SOFC mode is also established. In this embodiment, the sensible heat of oxygen is recovered in the oxygen side heat exchanger 20 and used to heat the fuel gas supplied to the fuel side 11 and the oxygen supplied to the oxygen side 12.

図4は、本実施形態の効果を説明する図である。図4(a)には、ネルンスト電位の比較を示し、図4(b)には、発電効率の比較を示す。図4(a)および(b)のいずれの図にも、本実施形態に対する比較例として、空気を用いて発電するSOFC/SOECシステムを示している。なお、図4に示すデータは、700℃の定電流制御でのシミュレーション結果を示している。 FIG. 4 is a diagram illustrating the effects of this embodiment. FIG. 4(a) shows a comparison of Nernst potentials, and FIG. 4(b) shows a comparison of power generation efficiency. Both FIGS. 4(a) and 4(b) show a SOFC/SOEC system that generates power using air as a comparative example with respect to this embodiment. Note that the data shown in FIG. 4 shows simulation results under constant current control at 700°C.

図4(a)に示すネルンスト電位の比較では、本実施形態は、比較例に比べ1.15倍となることが明らかとなった。詳細に見てみると、本実施形態では、酸素側に供給される酸素の分圧が高いため、電圧は、比較例では0.74Vであるのに対し、本実施形態では、0.85Vに増大している。また、比較例では、酸素側には酸素のほかに窒素も含まれるガスが供給されるのに対し、本実施形態では、酸素のみが供給されるため、酸素側過電圧は、比較例では0.14Vであるのに対し、本実施形態では、0.08Vに低下している。 A comparison of the Nernst potential shown in FIG. 4(a) reveals that the Nernst potential of this embodiment is 1.15 times higher than that of the comparative example. Looking in detail, in this embodiment, since the partial pressure of oxygen supplied to the oxygen side is high, the voltage is 0.74V in the comparative example, whereas in this embodiment, the voltage is 0.85V. It is increasing. Further, in the comparative example, a gas containing nitrogen in addition to oxygen is supplied to the oxygen side, whereas in the present embodiment, only oxygen is supplied, so that the overvoltage on the oxygen side is 0. While it is 14V, in this embodiment, it is reduced to 0.08V.

また、図4(b)に示すように、本実施形態の発電効率比を100%とすると、比較例の発電効率比は、95%となることが明らかとなった。このことから、SOFCモードにおいて、酸素を水素の酸化材として用いることで、発電効率比が向上することが明らかとなった。 Moreover, as shown in FIG. 4(b), when the power generation efficiency ratio of the present embodiment is 100%, it has become clear that the power generation efficiency ratio of the comparative example is 95%. From this, it has become clear that in SOFC mode, the power generation efficiency ratio is improved by using oxygen as an oxidizing agent for hydrogen.

SOFC/SOECシステムにおいて、SOFCモードのSOFC/SOECセルでは、(a)SOFC/SOECセルの電解質や電極材料などの構成部材のオーミック抵抗と、(b)流れ場におけるH2/H2O/O2濃度によって決まる濃度抵抗と、(c)燃料側/酸素側の触媒活性で決まる反応抵抗と、が発生する。このため、SOFC/SOECセルの出力電圧は、化学エネルギから電気エネルギとして取り出すことが可能な電圧から、上述した(a)、(b)、(c)の抵抗の和と電流との積を差し引いた値となる。ここで、水素の酸化材として空気を用いた場合、発電により酸素が消費されるため、酸化材の上流から下流にいくにしたがって酸素濃度が低下する。このため、上述した3種類の抵抗のうち(b)の濃度抵抗が増大する。特に、SOFC/SOECスタック10における空気利用率を高く設定した場合、酸素の消費によりN2濃度が上昇し、(b)の濃度抵抗成分が増大する。 In a SOFC/SOEC system, in a SOFC/SOEC cell in SOFC mode, (a) ohmic resistance of constituent members such as the electrolyte and electrode material of the SOFC/SOEC cell, and (b) H 2 /H 2 O/O in the flow field. (2) Concentration resistance determined by concentration, and (c) reaction resistance determined by catalyst activity on the fuel side/oxygen side. Therefore, the output voltage of the SOFC/SOEC cell is calculated by subtracting the product of the sum of the resistances and current in (a), (b), and (c) above from the voltage that can be extracted as electrical energy from chemical energy. will be the value. Here, when air is used as the hydrogen oxidizing agent, oxygen is consumed by power generation, so the oxygen concentration decreases from upstream to downstream of the oxidizing agent. Therefore, among the three types of resistance described above, the concentration resistance (b) increases. In particular, when the air utilization rate in the SOFC/SOEC stack 10 is set high, the N 2 concentration increases due to oxygen consumption, and the concentration resistance component in (b) increases.

以上説明したように、本実施形態のSOFC/SOECシステム1は、SOFC/SOECスタック10をSOFCモードで運転させる場合、酸素貯蔵部30に貯蔵されている酸素が水素の酸化材として供給される。これにより、上述したように、水素の酸化材として空気を用いた場合に比べ、濃度抵抗の増大を抑制することができるため、セルの出力電圧を高くすることができる。比較的高い発電電圧を得ることができる。したがって、発電効率を向上することができる。 As described above, in the SOFC/SOEC system 1 of the present embodiment, when the SOFC/SOEC stack 10 is operated in the SOFC mode, the oxygen stored in the oxygen storage section 30 is supplied as an oxidizing agent for hydrogen. As a result, as described above, compared to the case where air is used as the hydrogen oxidizing agent, increase in concentration resistance can be suppressed, and the output voltage of the cell can be increased. A relatively high power generation voltage can be obtained. Therefore, power generation efficiency can be improved.

また、本実施形態のSOFC/SOECシステム1では、制御部100は、SOECモードのSOFC/SOECスタック10に、サーモニュートラル状態となる値として予め設定されている値より高い値の電圧を印加させるように、変圧器14を制御する。これにより、サーモニュートラル電圧では吸熱反応である水蒸気電解反応が進行することで温度が低下することとなるSOFC/SOECスタック10に、SOFC/SOECスタック10の内部抵抗に起因する熱が発生するため、SOFC/SOECスタック10の温度を安定させることができる。また、制御部100は、SOFCモードのSOFC/SOECスタック10に供給される水素を全て酸化させる量として予め設定されている量よりも多い量の酸素を供給させるように、酸素貯蔵部30を制御する。これにより、発熱反応である水素の酸化反応に起因して温度が上昇することとなるSOFC/SOECスタック10から、未反応のままSOFC/SOECスタック10から排出される酸素の顕熱としてSOFC/SOECスタック10の熱が外部に放出されるため、SOFC/SOECスタック10の温度を安定させることができる。このように、SOECモードでは、サーモニュートラル電圧より高い電圧を印加することでSOFC/SOECスタック10の内部抵抗によって発熱し、SOFCモードでは、SOFC/SOECスタック10に供給される水素を酸化させる量よりも多い酸素を供給することでSOFC/SOECスタック10の熱をSOFC/SOECスタック10の外部に放出する。これにより、SOECモードおよびSOFCモードのそれぞれにおいて、SOFC/SOECスタック10の熱収支を成立させることができるため、SOFC/SOECスタック10の温度変化を抑制することができる。 Further, in the SOFC/SOEC system 1 of the present embodiment, the control unit 100 applies a voltage higher than a value preset as a value for thermoneutral state to the SOFC/SOEC stack 10 in the SOEC mode. Then, the transformer 14 is controlled. As a result, heat due to the internal resistance of the SOFC/SOEC stack 10 is generated in the SOFC/SOEC stack 10, where the temperature decreases due to the progress of the steam electrolysis reaction, which is an endothermic reaction, at the thermoneutral voltage. The temperature of the SOFC/SOEC stack 10 can be stabilized. Further, the control unit 100 controls the oxygen storage unit 30 to supply oxygen in an amount larger than a preset amount to oxidize all the hydrogen supplied to the SOFC/SOEC stack 10 in the SOFC mode. do. As a result, from the SOFC/SOEC stack 10, where the temperature rises due to the oxidation reaction of hydrogen, which is an exothermic reaction, the sensible heat of the oxygen discharged from the SOFC/SOEC stack 10 without reacting is transferred to the SOFC/SOEC. Since the heat of the stack 10 is released to the outside, the temperature of the SOFC/SOEC stack 10 can be stabilized. In this way, in the SOEC mode, heat is generated by the internal resistance of the SOFC/SOEC stack 10 by applying a voltage higher than the thermoneutral voltage, and in the SOFC mode, the amount of hydrogen supplied to the SOFC/SOEC stack 10 is greater than the amount of oxidation. By supplying a large amount of oxygen, the heat of the SOFC/SOEC stack 10 is released to the outside of the SOFC/SOEC stack 10. Thereby, the heat balance of the SOFC/SOEC stack 10 can be established in each of the SOEC mode and the SOFC mode, so that temperature changes in the SOFC/SOEC stack 10 can be suppressed.

<第2実施形態>
図5は、第2実施形態のSOFC/SOECシステム2のブロック図である。図6は、SOFC/SOECスタック10と蓄熱部80との熱のやり取りの説明図である。第2実施形態のSOFC/SOECシステム2では、第1実施形態のSOFC/SOECシステム1と比較して、蓄熱部80を備えることが異なる。
<Second embodiment>
FIG. 5 is a block diagram of the SOFC/SOEC system 2 according to the second embodiment. FIG. 6 is an explanatory diagram of heat exchange between the SOFC/SOEC stack 10 and the heat storage section 80. The SOFC/SOEC system 2 of the second embodiment differs from the SOFC/SOEC system 1 of the first embodiment in that it includes a heat storage section 80.

本実施形態のSOFC/SOECシステム2は、SOFC/SOECスタック10と、酸素側熱交換器20と、酸素貯蔵部30と、燃料側熱交換器40と、水蒸気生成部50と、水素貯蔵部60と、蓄熱部80と、これらを接続する複数の配管と、制御部100と、を備える。 The SOFC/SOEC system 2 of this embodiment includes a SOFC/SOEC stack 10, an oxygen side heat exchanger 20, an oxygen storage section 30, a fuel side heat exchanger 40, a water vapor generation section 50, and a hydrogen storage section 60. , a heat storage section 80 , a plurality of pipes connecting these, and a control section 100 .

蓄熱部80は、熱貯蔵部81と、熱輸送部82と、流量制御バルブ83と、オンオフバルブ84とを有する。蓄熱部80は、SOFCモードにおいて、SOFC/SOECスタック10の熱を蓄熱し、SOECモードにおいて、SOFC/SOECスタック10に蓄熱した熱を供給する。 The heat storage section 80 includes a heat storage section 81 , a heat transport section 82 , a flow control valve 83 , and an on/off valve 84 . The heat storage unit 80 stores the heat of the SOFC/SOEC stack 10 in the SOFC mode, and supplies the stored heat to the SOFC/SOEC stack 10 in the SOEC mode.

熱貯蔵部81は、燃料側熱交換器40からSOFC/SOECスタック10の燃料側11の入口側までの間の配管75と、SOFC/SOECスタック10の燃料側11の出口側から燃料側熱交換器までの間の配管76と、を接続する接続配管85に配置されている。熱貯蔵部81は、蓄熱材81aと、外部と電気絶縁された容器内に設置されている複数の流路81bを有している(図6参照)。蓄熱材81aは、金属酸化物MxOyの酸化還元反応(MxOy+yH2⇔xM+yH2O)を用いて、蓄熱および放熱を繰り返すことが可能である。金属Mとしては、Fe、Mn、Ni、Cuなどが一般的に用いられる。本実施形態では、金属Mは、Feとする。 The heat storage section 81 includes a pipe 75 from the fuel side heat exchanger 40 to the inlet side of the fuel side 11 of the SOFC/SOEC stack 10, and a pipe 75 between the fuel side heat exchanger 40 and the fuel side heat exchanger from the outlet side of the fuel side 11 of the SOFC/SOEC stack 10. The connecting pipe 85 connects the pipe 76 up to the container and the connecting pipe 85. The heat storage section 81 includes a heat storage material 81a and a plurality of channels 81b installed in a container electrically insulated from the outside (see FIG. 6). The heat storage material 81a can repeatedly store and release heat using the redox reaction (MxOy+yH 2 ⇔xM+yH 2 O) of the metal oxide MxOy. As the metal M, Fe, Mn, Ni, Cu, etc. are generally used. In this embodiment, the metal M is Fe.

熱輸送部82は、耐熱性、高熱伝導率、および、良好な電気伝導性を有するプレート状の材料であって、SiC、AlN、ステンレスなどから形成されている。熱輸送部82は、高い熱伝導性を有する材料から形成されることで、熱抵抗を低減しつつ、熱貯蔵部81とSOFC/SOECスタック10との間の熱輸送に要する温度差が比較的小さくても、熱を輸送することが可能である。 The heat transport section 82 is a plate-shaped material having heat resistance, high thermal conductivity, and good electrical conductivity, and is made of SiC, AlN, stainless steel, or the like. The heat transport section 82 is formed from a material with high thermal conductivity, so that the temperature difference required for heat transport between the heat storage section 81 and the SOFC/SOEC stack 10 is relatively small while reducing thermal resistance. Even if it is small, it can transport heat.

熱輸送部82は、図6に示すように、一方の端部が、SOFC/SOECスタック10の燃料側インターコネクト流路11a/燃料側電極11b/電解質13/酸素側電極12b/酸素側インターコネクト流路12aで形成される積層体の間に挟み込まれている。熱輸送部82の他方の端部は、蓄熱材81aに挟み込まれている(図6参照)。 As shown in FIG. 6, the heat transport section 82 has one end connected to the fuel side interconnect flow path 11a/fuel side electrode 11b/electrolyte 13/oxygen side electrode 12b/oxygen side interconnect flow path of the SOFC/SOEC stack 10. It is sandwiched between the laminates formed by 12a. The other end of the heat transport section 82 is sandwiched between heat storage materials 81a (see FIG. 6).

流量制御バルブ83は、接続配管85において、燃料側熱交換器からSOFC/SOECスタック10の燃料側11の入口側までの間の配管75と、熱貯蔵部81との間に配置されている。流量制御バルブ83は、熱貯蔵部81に供給される水または水素ガスの流量を制御する。オンオフバルブ84は、接続配管85において、熱貯蔵部81と、SOFC/SOECスタック10の燃料側11の出口側から燃料側熱交換器までの間の配管76との間に配置されている。オンオフバルブ84は、熱貯蔵部81から排出される水または水素ガスの供給のオンオフを行う。 The flow rate control valve 83 is arranged in the connecting pipe 85 between the pipe 75 from the fuel side heat exchanger to the inlet side of the fuel side 11 of the SOFC/SOEC stack 10 and the heat storage section 81 . The flow rate control valve 83 controls the flow rate of water or hydrogen gas supplied to the heat storage section 81 . The on-off valve 84 is arranged in the connecting pipe 85 between the heat storage section 81 and the pipe 76 from the outlet side of the fuel side 11 of the SOFC/SOEC stack 10 to the fuel side heat exchanger. The on-off valve 84 turns on and off the supply of water or hydrogen gas discharged from the heat storage section 81 .

SOECモードでは、制御部100の制御によって、SOFC/SOECスタック10において、燃料側インターコネクト流路11aには燃料ガス(H2O+H2)が供給されており(図6(a)の白抜き矢印F11)、酸素側インターコネクト流路12aに酸素(O2)が供給されている(図6(a)の白抜き矢印F12)。これにより、SOFC/SOECスタック10では、水蒸気電解反応が行われる。一方、制御部100の制御によって、蓄熱部80では、配管75を流れる燃料ガスが接続配管85を介して、蓄熱部80の流路81bに流入する(図6(a)の白抜き矢印F13)。このとき、Feである蓄熱材81aは、流路81bに流入する水との間で酸化反応(式(1))が進行し、284kJ/molの熱が発生する。なお、発生した水素(図6(a)の白抜き矢印F14)は、接続配管85を介して配管76を流れる燃料側オフガスに混合される。
3Fe+4H2O⇒Fe34+4H2 ・・(1)
In the SOEC mode, fuel gas (H 2 O + H 2 ) is supplied to the fuel-side interconnect flow path 11a in the SOFC/SOEC stack 10 under the control of the control unit 100 (as indicated by the white arrow F11 in FIG. 6(a)). ), oxygen (O 2 ) is supplied to the oxygen side interconnect flow path 12a (white arrow F12 in FIG. 6(a)). Thereby, a steam electrolysis reaction is performed in the SOFC/SOEC stack 10. On the other hand, under the control of the control unit 100, in the heat storage unit 80, the fuel gas flowing through the pipe 75 flows into the flow path 81b of the heat storage unit 80 via the connection pipe 85 (white arrow F13 in FIG. 6(a)). . At this time, an oxidation reaction (formula (1)) progresses between the heat storage material 81a, which is Fe, and the water flowing into the flow path 81b, and 284 kJ/mol of heat is generated. Note that the generated hydrogen (white arrow F14 in FIG. 6(a)) is mixed with the fuel side off-gas flowing through the pipe 76 via the connection pipe 85.
3Fe+4H 2 O⇒Fe 3 O 4 +4H 2 ...(1)

蓄熱材81aにおいて発生した熱は、主に伝導伝熱によって熱輸送部82に伝わる(図6(a)の白抜き矢印F15)。熱輸送部82に伝わった熱は、熱輸送部82を介してSOFC/SOECスタック10に伝わる(図6(a)の白抜き矢印F16)。SOFC/SOECスタック10に伝わった熱は、吸熱反応である水蒸気電解反応によって温度が低下しがちなSOFC/SOECスタック10の温度維持に利用される(図6(a)の白抜き矢印F17)。これにより、SOECモードでは、式(1)によって発熱する熱貯蔵部81の温度が667℃程度で維持され、水蒸気電解反応が進行するSOFC/SOECスタック10の温度が650℃程度で維持される。 The heat generated in the heat storage material 81a is transmitted to the heat transport section 82 mainly by conductive heat transfer (outline arrow F15 in FIG. 6(a)). The heat transmitted to the heat transport section 82 is transmitted to the SOFC/SOEC stack 10 via the heat transport section 82 (white arrow F16 in FIG. 6(a)). The heat transferred to the SOFC/SOEC stack 10 is used to maintain the temperature of the SOFC/SOEC stack 10, whose temperature tends to decrease due to the endothermic steam electrolysis reaction (white arrow F17 in FIG. 6(a)). As a result, in the SOEC mode, the temperature of the heat storage section 81 that generates heat according to equation (1) is maintained at about 667°C, and the temperature of the SOFC/SOEC stack 10 where the steam electrolysis reaction proceeds is maintained at about 650°C.

SOFCモードでは、制御部100の制御によって、SOFC/SOECスタック10において、燃料側インターコネクト流路11aには水素が供給されており(図6(b)の白抜き矢印F21)、酸素側インターコネクト流路12aに酸素が供給されている(図6(b)の白抜き矢印F22)。これにより、SOFC/SOECスタック10では、水素の酸化反応によって発電が行われる。このとき、SOFC/SOECスタック10では、水素の酸化反応によって熱が発生する。SOFC/SOECスタック10において発生した熱は、主に伝導伝熱によって熱輸送部82に伝わる(図6(b)の白抜き矢印F23)。熱輸送部82に伝わった熱は、熱輸送部82を介して熱貯蔵部81に伝わる(図6(b)の白抜き矢印F24)。 In the SOFC mode, under the control of the control unit 100, in the SOFC/SOEC stack 10, hydrogen is supplied to the fuel-side interconnect flow path 11a (white arrow F21 in FIG. 6(b)), and the oxygen-side interconnect flow path Oxygen is supplied to 12a (white arrow F22 in FIG. 6(b)). Thereby, in the SOFC/SOEC stack 10, power generation is performed by the oxidation reaction of hydrogen. At this time, heat is generated in the SOFC/SOEC stack 10 due to the oxidation reaction of hydrogen. The heat generated in the SOFC/SOEC stack 10 is transmitted to the heat transport section 82 mainly by conduction heat transfer (white arrow F23 in FIG. 6(b)). The heat transmitted to the heat transport section 82 is transmitted to the heat storage section 81 via the heat transport section 82 (outline arrow F24 in FIG. 6(b)).

一方、制御部100の制御によって、蓄熱部80では、配管75を流れる水素ガスが、接続配管85を介して蓄熱部80の流路81bに流入する(図6(b)の白抜き矢印F23)。このとき、Fe34となっている蓄熱材81aは、流路81bに流入する水素ガスとの間で還元反応(式(2))が進行するため、284kJ/molの熱を吸収することができる。
Fe34+4H2⇒3Fe+4H2O ・・(2)
熱輸送部82を介してSOFC/SOECスタック10から熱貯蔵部81に伝わる熱は、蓄熱材81aの全域に広がり(図6(b)の白抜き矢印F26)、式(2)の反応が進行する蓄熱材81aによって蓄熱される。これにより、SOFCモードでは、水素の酸化反応によって発熱するSOFC/SOECスタック10の温度が700℃程度で維持され、式(2)によって吸熱する熱貯蔵部81の温度が665℃程度で維持される。このように、本実施形態のSOFC/SOECシステム2では、蓄熱部80は、システムで扱われる燃料ガス(H2O+H2、または、H2)を用いて、SOFC/SOECスタック10での水素の酸化反応による発熱と水蒸気電解反応における吸熱を補完するように、熱の蓄熱と熱の供給とを切り替える。また、蓄熱部80からのオフガス(図6(b)の白抜き矢印F27)は、燃料側オフガスに混合して、燃料側オフガスと一緒に回収されるため、系外に排出されることはない。
On the other hand, under the control of the control unit 100, in the heat storage unit 80, hydrogen gas flowing through the pipe 75 flows into the flow path 81b of the heat storage unit 80 via the connection pipe 85 (white arrow F23 in FIG. 6(b)). . At this time, the heat storage material 81a, which is Fe 3 O 4 , absorbs 284 kJ/mol of heat because a reduction reaction (formula (2)) progresses with the hydrogen gas flowing into the flow path 81b. I can do it.
Fe 3 O 4 +4H 2 ⇒3Fe+4H 2 O...(2)
The heat transmitted from the SOFC/SOEC stack 10 to the heat storage section 81 via the heat transport section 82 spreads throughout the heat storage material 81a (white arrow F26 in FIG. 6(b)), and the reaction of equation (2) progresses. Heat is stored by the heat storage material 81a. As a result, in the SOFC mode, the temperature of the SOFC/SOEC stack 10, which generates heat due to the oxidation reaction of hydrogen, is maintained at approximately 700°C, and the temperature of the heat storage section 81, which absorbs heat according to equation (2), is maintained at approximately 665°C. . In this way, in the SOFC/SOEC system 2 of the present embodiment, the heat storage unit 80 uses the fuel gas (H 2 O+H 2 or H 2 ) handled by the system to store hydrogen in the SOFC/SOEC stack 10. Heat storage and heat supply are switched to complement the heat generated by the oxidation reaction and the heat absorbed by the steam electrolysis reaction. In addition, the off-gas from the heat storage section 80 (white arrow F27 in FIG. 6(b)) is mixed with the fuel-side off-gas and collected together with the fuel-side off-gas, so it is not discharged outside the system. .

次に、本実施形態のSOFC/SOECシステム2の作動について説明する。ここでは、第1実施形態のSOFC/SOECシステム1の作動とは特に異なる点について説明する。 Next, the operation of the SOFC/SOEC system 2 of this embodiment will be explained. Here, points that are particularly different from the operation of the SOFC/SOEC system 1 of the first embodiment will be explained.

SOECモードでは、流量分配器73に送られた燃料ガスのうち、燃料側熱交換器40を介してSOFC/SOECスタック10の燃料側11の入口に送られる燃料ガスの一部が、制御部100による流量制御バルブ83の制御によって接続配管85を流れる。接続配管85を流れる燃料ガス中の水は、Feとなっている蓄熱材81aと酸化反応することで、熱貯蔵部81において熱が発生する。一方、サーモニュートラル電圧が印加されるSOFC/SOECスタック10では、水蒸気電解反応における吸熱によって温度が低下しがちになる。そこで、高熱伝導率を有する熱輸送部82は、熱貯蔵部81とSOFC/SOECスタック10との間の温度差が比較的小さくても(例えば、約17℃)、熱貯蔵部81からSOFC/SOECスタック10に、蓄熱材81aの熱を輸送する。このとき、制御部100は、熱貯蔵部81からSOFC/SOECスタック10への熱の輸送速度が、燃料側オフガスの顕熱量と、酸素側オフガスの顕熱量と、SOFC/SOECスタック10の放熱ロスとの和の時間変化と等しくなるように、流量制御バルブ83による燃料ガス中の水の流量を制御する。このとき、流量制御バルブ83による燃料ガス中の水の流量の制御は、制御部100に事前に入力されているマップを用いて、例えば、第1実施形態と同様の方法で決定される。これにより、SOECモードのSOFC/SOECスタック10において、第1実施形態のように抵抗発熱を増加させることなく、熱貯蔵部81からの熱量によりサーモニュートラル電圧(Vth=1.29V、650℃)にてスタック熱収支を成立させることが可能となる。 In the SOEC mode, a part of the fuel gas sent to the flow rate distributor 73 is sent to the inlet of the fuel side 11 of the SOFC/SOEC stack 10 via the fuel side heat exchanger 40. It flows through the connecting pipe 85 under the control of the flow rate control valve 83 . Water in the fuel gas flowing through the connection pipe 85 undergoes an oxidation reaction with the heat storage material 81a, which is Fe, to generate heat in the heat storage section 81. On the other hand, in the SOFC/SOEC stack 10 to which a thermoneutral voltage is applied, the temperature tends to decrease due to heat absorption in the steam electrolysis reaction. Therefore, even if the temperature difference between the heat storage section 81 and the SOFC/SOEC stack 10 is relatively small (for example, about 17 degrees Celsius), the heat transport section 82 having high thermal conductivity can transfer the SOFC/SOEC stack from the heat storage section 81 to the SOFC/SOEC stack 10. The heat of the heat storage material 81a is transported to the SOEC stack 10. At this time, the control unit 100 determines that the heat transport rate from the heat storage unit 81 to the SOFC/SOEC stack 10 is based on the sensible heat amount of the off-gas on the fuel side, the sensible heat amount of the off-gas on the oxygen side, and the heat radiation loss of the SOFC/SOEC stack 10. The flow rate of water in the fuel gas is controlled by the flow rate control valve 83 so that it becomes equal to the time change of the sum of . At this time, the control of the flow rate of water in the fuel gas by the flow rate control valve 83 is determined, for example, in the same manner as in the first embodiment using a map input to the control unit 100 in advance. As a result, in the SOFC/SOEC stack 10 in SOEC mode, the thermoneutral voltage (Vth = 1.29V, 650°C) is reached by the amount of heat from the heat storage section 81 without increasing resistance heat generation as in the first embodiment. This makes it possible to establish a stack heat balance.

SOFCモードでは、SOFC/SOECスタック10では、水素の酸化反応によって電気が発生するとともに熱が発生する。SOFC/SOECスタック10では、高酸素利用率(例えば、0.5)が設定されていると、SOFC/SOECスタック10内での発熱量は、放熱量(燃料側オフガスの顕熱量と、酸素側オフガスの顕熱量と、SOFC/SOECスタック10の放熱ロス)を上回る。一方、流量分配器73に送られた水素ガスのうち、燃料側熱交換器40を介してSOFC/SOECスタック10の燃料側11の入口に送られる水素ガスの一部が、制御部100による流量制御バルブ83の制御によって接続配管85を流れる。接続配管85を流れる水素は、吸熱反応である蓄熱材81aの還元反応に用いられ、熱貯蔵部81の温度が低下しがちになる。そこで、熱輸送部82は、熱貯蔵部81とSOFC/SOECスタック10との間の温度差が比較的小さくても(例えば、約35℃)、SOFC/SOECスタック10から熱貯蔵部81に、SOFC/SOECスタック10の熱を輸送する。このとき、制御部100は、SOFC/SOECスタック10から熱貯蔵部81への熱の輸送速度、すなわち、熱貯蔵部81の蓄熱速度が、SOFC/SOECスタック10内での発熱量から放熱量を差し引いた値の時間変化と等しくなるように、流量制御バルブ83による水素の流量を制御する。このとき、流量制御バルブ83による水素の流量の制御は、制御部100に事前に入力されているマップを用いて決定される。これにより、SOFCモードのSOFC/SOECスタック10において、第1実施形態のように酸素の流量を増加させることなく、SOFC/SOECスタック10の熱を蓄熱部80に輸送することで、スタック熱収支を成立させることが可能となる。 In the SOFC mode, the SOFC/SOEC stack 10 generates electricity and heat due to the oxidation reaction of hydrogen. In the SOFC/SOEC stack 10, when a high oxygen utilization rate (for example, 0.5) is set, the amount of heat generated within the SOFC/SOEC stack 10 is determined by the amount of heat released (sensible heat amount of the off-gas on the fuel side and (sensible heat amount of off-gas and heat radiation loss of SOFC/SOEC stack 10). On the other hand, out of the hydrogen gas sent to the flow rate distributor 73, a portion of the hydrogen gas sent to the inlet of the fuel side 11 of the SOFC/SOEC stack 10 via the fuel side heat exchanger 40 is controlled by the control unit 100. It flows through the connecting pipe 85 under the control of the control valve 83 . The hydrogen flowing through the connecting pipe 85 is used for the reduction reaction of the heat storage material 81a, which is an endothermic reaction, and the temperature of the heat storage section 81 tends to decrease. Therefore, even if the temperature difference between the heat storage section 81 and the SOFC/SOEC stack 10 is relatively small (for example, about 35° C.), the heat transport section 82 transfers the heat from the SOFC/SOEC stack 10 to the heat storage section 81. Transports heat in the SOFC/SOEC stack 10. At this time, the control unit 100 determines that the transport rate of heat from the SOFC/SOEC stack 10 to the heat storage unit 81, that is, the heat storage rate of the heat storage unit 81, is the amount of heat released from the amount of heat generated within the SOFC/SOEC stack 10. The flow rate of hydrogen by the flow rate control valve 83 is controlled so as to be equal to the time change of the subtracted value. At this time, the control of the hydrogen flow rate by the flow rate control valve 83 is determined using a map that has been input to the control unit 100 in advance. As a result, in the SOFC/SOEC stack 10 in SOFC mode, the heat of the SOFC/SOEC stack 10 is transported to the heat storage section 80 without increasing the oxygen flow rate as in the first embodiment, thereby improving the stack heat balance. It becomes possible to establish this.

図7は、SOFC/SOECスタック10における熱収支を説明する図である。図7(a)には、出力50kWeでのSOECモードでのSOFC/SOECスタック10の熱収支を示し、図7(b)には、出力3.8kWeでのSOFCモードでのSOFC/SOECスタック10の熱収支を示している。第2実施形態でのSOFC/SOECスタック10における熱収支では、SOFC/SOECスタック10における発熱量と、SOFC/SOECスタック10から排出されるオフガスの顕熱による放熱量と、放熱ロスに加え、熱輸送部82を介した蓄熱部80との間の伝熱量も加わる。 FIG. 7 is a diagram illustrating the heat balance in the SOFC/SOEC stack 10. FIG. 7(a) shows the heat balance of the SOFC/SOEC stack 10 in SOEC mode with an output of 50 kWe, and FIG. 7(b) shows the heat balance of the SOFC/SOEC stack 10 in SOFC mode with an output of 3.8 kWe. shows the heat balance. In the heat balance in the SOFC/SOEC stack 10 in the second embodiment, in addition to the amount of heat generated in the SOFC/SOEC stack 10, the amount of heat radiated by sensible heat of the off-gas discharged from the SOFC/SOEC stack 10, and the heat radiation loss, The amount of heat transferred to the heat storage section 80 via the transport section 82 is also added.

SOECモード(図7(a)参照)では、発熱量については、サーモニュートラル電圧で電力が供給されているため、「A:スタック発熱」は、「A-1:抵抗発熱」と「A-2:反応熱」との差し引きが0となる。一方、放熱量については、第1実施形態と同様に、燃料側オフガスの顕熱である「B:燃料側ΔH」(0.34kW)と、酸素側オフガスの顕熱である「C:酸素側ΔH」(0.43kW)と、「D:放熱ロス」(0.05kW)との合計であり、0.82kWとなる。本実施形態では、さらに、制御部100の制御によって、熱量が0.82kWとなるように蓄熱部80が制御されるため、SOFC/SOECスタック10全体での熱収支は、A-(B+C+D)-E=0となり、成立することとなる。 In SOEC mode (see Figure 7(a)), power is supplied at the thermoneutral voltage, so "A: stack heat generation" is different from "A-1: resistance heat generation" and "A-2 : heat of reaction" and the deduction is 0. On the other hand, regarding the amount of heat dissipation, as in the first embodiment, "B: fuel side ΔH" (0.34 kW) is the sensible heat of the off-gas on the fuel side, and "C: sensible heat of the off-gas on the oxygen side" is the sensible heat of the off-gas on the oxygen side. ΔH" (0.43 kW) and "D: heat radiation loss" (0.05 kW), which is 0.82 kW. In this embodiment, the heat storage unit 80 is further controlled by the control unit 100 so that the amount of heat is 0.82 kW, so the heat balance of the entire SOFC/SOEC stack 10 is A−(B+C+D)− E=0, and this holds true.

SOFCモード(図7(b)参照)では、SOFC/SOECスタック10での発熱量は、2.27kWとなっており、SOFC/SOECスタック10から排出されるオフガスの顕熱による放熱量と、放熱ロスとの合計は、0.52kWとなっている。これは、酸素の顕熱によって放熱量を増加させる第1実施形態と異なり、酸素側12を流れる気体の流量が第1実施形態に比べて少ないため、その結果として、「C:酸素側ΔH」が、第1実施形態に比べ少ないためである。本実施形態では、制御部100の制御によって、オフガスの顕熱と放熱ロスに加え、蓄熱部80への伝熱量が1.75kWとなるように、蓄熱部80が制御されるため、SOFC/SOECスタック10全体での熱収支は、A-(B+C+D)-E=0となる。したがって、SOFCモードでのSOFC/SOECスタック10全体での熱収支が成立することとなる。 In the SOFC mode (see Figure 7(b)), the amount of heat generated in the SOFC/SOEC stack 10 is 2.27 kW, which is the amount of heat dissipated by the sensible heat of the off-gas discharged from the SOFC/SOEC stack 10 and the amount of heat dissipated. The total power including the loss is 0.52kW. This is different from the first embodiment in which the amount of heat dissipated is increased by the sensible heat of oxygen, and the flow rate of gas flowing through the oxygen side 12 is smaller than that in the first embodiment. As a result, "C: oxygen side ΔH" This is because it is smaller than in the first embodiment. In this embodiment, the heat storage unit 80 is controlled by the control unit 100 so that in addition to the sensible heat and heat radiation loss of the off-gas, the amount of heat transferred to the heat storage unit 80 is 1.75 kW. The heat balance for the entire stack 10 is A-(B+C+D)-E=0. Therefore, a heat balance is established for the entire SOFC/SOEC stack 10 in the SOFC mode.

以上説明したように、第2実施形態のSOFC/SOECシステム2では、SOFC/SOECスタック10に接続されている熱貯蔵部81は、SOFCモードのSOFC/SOECスタック10で発生する熱を蓄熱し、SOECモードのSOFC/SOECスタック10に熱を供給する。これにより、SOFCモードにおいて、発熱反応である水素の酸化反応に起因して温度が上昇することとなるSOFC/SOECスタック10の熱を、SOFC/SOECスタック10から熱貯蔵部81に移動させて熱貯蔵部81に蓄熱させることで、SOFC/SOECスタック10の温度を安定させることができる。また、SOECモードにおいて、吸熱反応である水蒸気電解反応が進行することで温度が低下することとなるSOFC/SOECスタック10に熱を供給することで、SOFC/SOECスタック10の温度を安定させることができる。これにより、SOECモードおよびSOFCモードのそれぞれにおいて、SOFC/SOECスタック10の熱収支を成立させることができるため、SOFC/SOECスタック10の温度変化を抑制することができる。 As explained above, in the SOFC/SOEC system 2 of the second embodiment, the heat storage section 81 connected to the SOFC/SOEC stack 10 stores the heat generated in the SOFC/SOEC stack 10 in SOFC mode, Heat is supplied to the SOFC/SOEC stack 10 in SOEC mode. As a result, in the SOFC mode, the heat of the SOFC/SOEC stack 10, whose temperature increases due to the oxidation reaction of hydrogen, which is an exothermic reaction, is transferred from the SOFC/SOEC stack 10 to the heat storage section 81. By storing heat in the storage section 81, the temperature of the SOFC/SOEC stack 10 can be stabilized. Furthermore, in the SOEC mode, the temperature of the SOFC/SOEC stack 10 can be stabilized by supplying heat to the SOFC/SOEC stack 10, whose temperature decreases as the steam electrolysis reaction, which is an endothermic reaction, progresses. can. Thereby, the heat balance of the SOFC/SOEC stack 10 can be established in each of the SOEC mode and the SOFC mode, so that temperature changes in the SOFC/SOEC stack 10 can be suppressed.

また、本実施形態のSOFC/SOECシステム2では、熱貯蔵部81は、SOFCモードのSOFC/SOECスタック10で発電に用いられる水素が供給されることで、SOFC/SOECスタック10で発生する熱を蓄熱する。また、熱貯蔵部81は、SOECモードのSOFC/SOECスタック10で電気分解に用いられる水が供給されることで、SOFC/SOECスタック10に熱を供給する。このように、熱貯蔵部81は、SOFC/SOECシステム2で扱われる流体を用いて、蓄熱と熱の供給とを切り替えることができる。これにより、システムを大幅に変更することなく熱貯蔵部81を駆動させることができるため、SOFC/SOECスタック10の熱収支を比較的容易に成立させることができる。 Furthermore, in the SOFC/SOEC system 2 of the present embodiment, the heat storage unit 81 stores the heat generated in the SOFC/SOEC stack 10 by being supplied with hydrogen used for power generation in the SOFC/SOEC stack 10 in the SOFC mode. Store heat. Furthermore, the heat storage unit 81 supplies heat to the SOFC/SOEC stack 10 by being supplied with water used for electrolysis in the SOFC/SOEC stack 10 in SOEC mode. In this way, the heat storage section 81 can switch between heat storage and heat supply using the fluid handled by the SOFC/SOEC system 2. Thereby, the heat storage section 81 can be driven without significantly changing the system, so that the heat balance of the SOFC/SOEC stack 10 can be established relatively easily.

<第3実施形態>
図8は、第3実施形態のSOFC/SOECシステム3のブロック図である。第3実施形態のSOFC/SOECシステム3では、第2実施形態のSOFC/SOECシステム2と比較して、空気取り入れ部90を備える点と、酸素貯蔵部30が、圧力計35および排気バルブ36を有する点が異なる。
<Third embodiment>
FIG. 8 is a block diagram of the SOFC/SOEC system 3 according to the third embodiment. The SOFC/SOEC system 3 of the third embodiment is different from the SOFC/SOEC system 2 of the second embodiment in that it includes an air intake section 90 and that the oxygen storage section 30 has a pressure gauge 35 and an exhaust valve 36. They differ in that they have

本実施形態のSOFC/SOECシステム3は、SOFC/SOECスタック10と、酸素側熱交換器20と、酸素貯蔵部30と、燃料側熱交換器40と、水蒸気生成部50と、水素貯蔵部60と、蓄熱部80と、空気取り入れ部90と、これらを接続する複数の配管と、制御部100と、を備える。 The SOFC/SOEC system 3 of this embodiment includes a SOFC/SOEC stack 10, an oxygen side heat exchanger 20, an oxygen storage section 30, a fuel side heat exchanger 40, a water vapor generation section 50, and a hydrogen storage section 60. , a heat storage section 80 , an air intake section 90 , a plurality of pipes connecting these, and a control section 100 .

空気取り入れ部90は、酸素タンク32と酸素側熱交換器20とに接続する配管77において、流量制御バルブ34の下流側に接続されている。空気取り入れ部90は、配管91と、流量制御バルブ92とを有する。配管91は、一端に空気取り入れ口を有しており、他端が配管77に接続されている。流量制御バルブ92は、配管91に配置され、制御部100の指令に応じて、配管91を流れる空気の流量を調整する。空気取り入れ部90は、特許請求の範囲の「空気供給部」に相当する。 The air intake section 90 is connected to the downstream side of the flow rate control valve 34 in a pipe 77 that connects the oxygen tank 32 and the oxygen-side heat exchanger 20. The air intake section 90 has a pipe 91 and a flow rate control valve 92. The pipe 91 has an air intake port at one end and is connected to the pipe 77 at the other end. The flow control valve 92 is disposed on the pipe 91 and adjusts the flow rate of air flowing through the pipe 91 in accordance with a command from the control unit 100. The air intake section 90 corresponds to an "air supply section" in the claims.

酸素貯蔵部30が備える圧力計35は、酸素タンク32内の酸素の圧力を検出する。検出された酸素の圧力は、制御部100に出力される。排気バルブ36は、酸素側熱交換器20と酸素昇圧器31とに接続する配管78に接続されている排気管37に配置されている。排気バルブ36は、オンオフバルブであって、制御部100の指令に応じて、排気管37を使った酸素オフガス排気のオンオフを行う。圧力計35は、特許請求の範囲の「貯蔵量検出部」に相当する。 A pressure gauge 35 included in the oxygen storage section 30 detects the pressure of oxygen within the oxygen tank 32 . The detected oxygen pressure is output to the control section 100. The exhaust valve 36 is arranged in an exhaust pipe 37 that is connected to a pipe 78 that connects the oxygen side heat exchanger 20 and the oxygen booster 31. The exhaust valve 36 is an on-off valve that turns on and off exhaust of oxygen off gas using the exhaust pipe 37 in accordance with commands from the control unit 100. The pressure gauge 35 corresponds to a "storage amount detection section" in the claims.

図9は、SOFC/SOECシステム3の作動を説明するフローチャートである。次に、本実施形態のSOFC/SOECシステム3の作動について説明する。ここでは、第2実施形態のSOFC/SOECシステム2の作動とは特に異なる点について説明する。 FIG. 9 is a flowchart illustrating the operation of the SOFC/SOEC system 3. Next, the operation of the SOFC/SOEC system 3 of this embodiment will be explained. Here, particularly different points from the operation of the SOFC/SOEC system 2 of the second embodiment will be explained.

図9に示すフローチャートに沿って作動が行われるとき、SOFC/SOECシステム3は、第2実施形態と同様のSOFCモードで発電が行われている(ステップS10)。このとき、制御部100は、圧力計35が出力する酸素タンク32内の酸素の圧力Pが、酸素下限圧力Plimit以上であるか否かを判定する(ステップS11)。ここで、酸素下限圧力Plimitとは、例えば、酸素タンク32が貯蔵可能な酸素の最大圧力Pmaxの0.01倍とする。なお、酸素下限圧力Plimitは、これに限定されない。制御部100は、酸素の圧力Pが酸素下限圧力Plimit以上であると判定すると、流量制御バルブ92と排気バルブ36とを閉じ、オンオフバルブ33を開く指令を出力する(ステップS12)。一方、制御部100は、酸素の圧力Pが酸素下限圧力Plimitより小さいと判定すると、後述するステップS15に進む。 When the operation is performed according to the flowchart shown in FIG. 9, the SOFC/SOEC system 3 is generating power in the same SOFC mode as in the second embodiment (step S10). At this time, the control unit 100 determines whether the pressure P of oxygen in the oxygen tank 32 output by the pressure gauge 35 is equal to or higher than the oxygen lower limit pressure P limit (step S11). Here, the oxygen lower limit pressure P limit is, for example, 0.01 times the maximum pressure Pmax of oxygen that can be stored in the oxygen tank 32 . Note that the oxygen lower limit pressure P limit is not limited to this. When the control unit 100 determines that the oxygen pressure P is equal to or higher than the oxygen lower limit pressure P limit , the control unit 100 outputs a command to close the flow rate control valve 92 and the exhaust valve 36 and open the on-off valve 33 (step S12). On the other hand, if the control unit 100 determines that the oxygen pressure P is lower than the oxygen lower limit pressure P limit , the process proceeds to step S15, which will be described later.

ステップS12の次に、制御部100は、流量制御バルブ34に配管77を流れる酸素の流量を設定する(ステップS13)。これにより、SOFC/SOECスタック10の酸素側12には、設定された流量の酸素が酸素タンク32から供給される。 After step S12, the control unit 100 sets the flow rate of oxygen flowing through the pipe 77 to the flow rate control valve 34 (step S13). As a result, the oxygen side 12 of the SOFC/SOEC stack 10 is supplied with oxygen at a set flow rate from the oxygen tank 32.

次に、制御部100は、酸素タンク32内の酸素の圧力Pが、酸素下限圧力Plimitより小さいか否かを判定する(ステップS14)。制御部100は、酸素の圧力Pが酸素下限圧力Plimitより小さいと判定すると、流量制御バルブ34とオンオフバルブ33とを閉じ、排気バルブ36を開く指令を出力する(ステップS15)。これにより、SOFC/SOECスタック10の酸素側12への酸素タンク32からの酸素の供給が停止する。酸素の圧力Pが酸素下限圧力Plimit以上であると判定すると、ステップS12に戻り、流量制御バルブ92と排気バルブ36とを閉じ、オンオフバルブ33を開く指令を出力する。 Next, the control unit 100 determines whether the pressure P of oxygen in the oxygen tank 32 is lower than the oxygen lower limit pressure P limit (step S14). When the control unit 100 determines that the oxygen pressure P is lower than the oxygen lower limit pressure P limit , it outputs a command to close the flow rate control valve 34 and the on-off valve 33 and open the exhaust valve 36 (step S15). This stops the supply of oxygen from the oxygen tank 32 to the oxygen side 12 of the SOFC/SOEC stack 10. If it is determined that the oxygen pressure P is equal to or higher than the oxygen lower limit pressure P limit , the process returns to step S12, and a command to close the flow rate control valve 92 and the exhaust valve 36 and open the on-off valve 33 is output.

ステップS15の次に、制御部100は、配管91を流れる空気の流量を流量制御バルブ92に設定する(ステップS16)。これにより、SOFC/SOECスタック10の酸素側12には、大気中の空気に含まれる酸素が発電用に供給される。このとき、制御部100は、ステップS13で設定した酸素流量と同じ量の酸素が酸素側12に供給されるように、流量制御バルブ92に空気の流量を設定する。 After step S15, the control unit 100 sets the flow rate of air flowing through the pipe 91 to the flow rate control valve 92 (step S16). Thereby, oxygen contained in atmospheric air is supplied to the oxygen side 12 of the SOFC/SOEC stack 10 for power generation. At this time, the control unit 100 sets the air flow rate to the flow rate control valve 92 so that the same amount of oxygen as the oxygen flow rate set in step S13 is supplied to the oxygen side 12.

ステップS16の次に、制御部100は、SOFC/SOECシステム3がSOECモードで運転しているか否かを判定する(ステップS17)。制御部100は、SOFC/SOECシステム3がSOECモードで運転していると判定すると、SOECモードでの運転を続行する指令を出力する(ステップS18)。制御部100は、SOFC/SOECシステム3がSOECモードで運転していないと判定すると、ステップS10に戻り、ステップS10からステップS16を再度実行する。 Next to step S16, the control unit 100 determines whether the SOFC/SOEC system 3 is operating in the SOEC mode (step S17). When the control unit 100 determines that the SOFC/SOEC system 3 is operating in the SOEC mode, it outputs a command to continue operating in the SOEC mode (step S18). When the control unit 100 determines that the SOFC/SOEC system 3 is not operating in the SOEC mode, the control unit 100 returns to step S10 and executes steps S10 to S16 again.

図10は、本実施形態のSOFC/SOECスタックにおける熱収支を説明する図である。図10(a)には、出力3.8kWeでの酸素を用いたSOFCモードでのSOFC/SOECスタック10の熱収支を示し、図10(b)には、同じ出力3.8kWeでの空気を用いたSOFCモードでのSOFC/SOECスタック10の熱収支を示している。 FIG. 10 is a diagram illustrating the heat balance in the SOFC/SOEC stack of this embodiment. FIG. 10(a) shows the heat balance of the SOFC/SOEC stack 10 in SOFC mode using oxygen at an output of 3.8 kWe, and FIG. 10(b) shows the heat balance of the SOFC/SOEC stack 10 using oxygen at the same output of 3.8 kWe. The heat balance of the SOFC/SOEC stack 10 in the SOFC mode used is shown.

酸素を用いたSOFCモード(図10(a)参照)では、第2実施形態のSOFCモードの場合と同様に、SOFC/SOECスタック10での発熱量は、2.27kWであり、SOFC/SOECスタック10からの放熱量は、0.52kWとなっている。そこで、蓄熱部80への伝熱量(蓄熱材81aの蓄熱量)を1.75kWとすることで、SOFC/SOECスタック10全体での熱収支を成立させている。 In the SOFC mode using oxygen (see FIG. 10(a)), the amount of heat generated in the SOFC/SOEC stack 10 is 2.27 kW, as in the case of the SOFC mode in the second embodiment. The amount of heat dissipated from No. 10 is 0.52 kW. Therefore, by setting the amount of heat transferred to the heat storage section 80 (the amount of heat stored in the heat storage material 81a) to 1.75 kW, the heat balance of the entire SOFC/SOEC stack 10 is established.

空気を用いたSOFCモード(図10(b)参照)では、SOFC/SOECスタック10での発熱量は、2.25kWと酸素を用いたSOFCモードとほぼ同等である。しかしながら、SOFC/SOECスタック10からの放熱量は、酸素側12を流れる気体、すなわち、空気の流量が酸素のみを流した場合(図10(a)の場合)に比べ増加するため、「C:酸素側ΔH」が大きくなり、合計が1.55kWとなる。そこで、蓄熱部80への伝熱量(蓄熱材81aの蓄熱量)を0.70kWとすることで、SOFC/SOECスタック10全体での熱収支を成立させている。 In the SOFC mode using air (see FIG. 10(b)), the amount of heat generated in the SOFC/SOEC stack 10 is 2.25 kW, which is almost the same as in the SOFC mode using oxygen. However, the amount of heat dissipated from the SOFC/SOEC stack 10 increases compared to the case where only oxygen flows (the case of FIG. 10(a)), so the flow rate of the gas flowing through the oxygen side 12, that is, air, increases compared to the case where only oxygen flows (the case of FIG. 10(a)). Oxygen side ΔH" increases, and the total becomes 1.55 kW. Therefore, by setting the amount of heat transferred to the heat storage section 80 (the amount of heat stored in the heat storage material 81a) to 0.70 kW, the heat balance of the entire SOFC/SOEC stack 10 is established.

このように、SOFCモードにおいて、SOFC/SOECスタック10の酸素側12に供給する気体を、酸素から空気に切り替えると、酸素側12を流れる気体の流量が増大するため、顕熱による放熱量が変化する。そこで、本実施形態では、制御部100は、蓄熱部80の流量制御バルブ83を制御して、蓄熱材81aの蓄熱速度を調整し、酸素および空気のいずれにもおいて、SOFC/SOECスタック10全体での熱収支を成立させる。 In this way, in SOFC mode, when the gas supplied to the oxygen side 12 of the SOFC/SOEC stack 10 is switched from oxygen to air, the flow rate of the gas flowing through the oxygen side 12 increases, so the amount of heat dissipated by sensible heat changes. do. Therefore, in the present embodiment, the control unit 100 controls the flow rate control valve 83 of the heat storage unit 80 to adjust the heat storage rate of the heat storage material 81a, and controls the SOFC/SOEC stack 10 in both oxygen and air. Establish an overall heat balance.

以上説明したように、第3実施形態のSOFC/SOECシステム3では、制御部100は、圧力計35によって検出された酸素の貯蔵量を用いて、SOFC/SOECスタック10への、酸素貯蔵部30に貯蔵されている酸素の供給と、空気取り入れ部90による空気の供給とを切り替えるように、酸素貯蔵部30と空気取り入れ部90とを制御する。これにより、酸素の貯蔵量が少ないとき、酸素の代わりに空気をSOFC/SOECスタック10に供給することでセルにおける発電を継続することができる。 As described above, in the SOFC/SOEC system 3 of the third embodiment, the control unit 100 uses the amount of stored oxygen detected by the pressure gauge 35 to supply the oxygen storage unit 30 to the SOFC/SOEC stack 10. The oxygen storage section 30 and the air intake section 90 are controlled to switch between the supply of oxygen stored in the oxygen storage section 30 and the supply of air by the air intake section 90. Thereby, when the amount of stored oxygen is small, power generation in the cell can be continued by supplying air to the SOFC/SOEC stack 10 instead of oxygen.

<第4実施形態>
図11は、第4実施形態のSOFC/SOECスタック10と熱貯蔵部81の模式図である。図12は、本実施形態のSOFC/SOECシステムにおけるスタック熱収支モデルの説明図である。第4実施形態のSOFC/SOECシステムでは、第2実施形態のSOFC/SOECシステム2と比較して、SOFC/SOECスタック10の温度予測を行う点が異なる。
<Fourth embodiment>
FIG. 11 is a schematic diagram of the SOFC/SOEC stack 10 and the heat storage section 81 of the fourth embodiment. FIG. 12 is an explanatory diagram of a stack heat balance model in the SOFC/SOEC system of this embodiment. The SOFC/SOEC system of the fourth embodiment differs from the SOFC/SOEC system 2 of the second embodiment in that the temperature of the SOFC/SOEC stack 10 is predicted.

本実施形態のSOFC/SOECシステムは、SOFC/SOECスタック10と、酸素側熱交換器20と、酸素貯蔵部30と、燃料側熱交換器40と、水蒸気生成部50と、水素貯蔵部60と、蓄熱部80と、これらを接続する複数の配管と、制御部200と、を備える。 The SOFC/SOEC system of this embodiment includes a SOFC/SOEC stack 10, an oxygen side heat exchanger 20, an oxygen storage section 30, a fuel side heat exchanger 40, a water vapor generation section 50, and a hydrogen storage section 60. , a heat storage section 80, a plurality of pipes connecting these sections, and a control section 200.

蓄熱部80の熱輸送部82には、2つの熱電対TC1、Tc2が配置されている。熱電対TC1と熱電対TC2とは、図11(a)に示すように、間隔δ[m]となるように配置されている。熱電対TC1、Tc2のそれぞれが検出する温度T1、T2は、制御部200に出力される。2個の熱電対TC1、TC2は、特許請求の範囲の「熱流束計測部」に相当する。 Two thermocouples TC1 and Tc2 are arranged in the heat transport section 82 of the heat storage section 80. Thermocouple TC1 and thermocouple TC2 are arranged with an interval of δ [m] as shown in FIG. 11(a). Temperatures T1 and T2 detected by thermocouples TC1 and Tc2, respectively, are output to control section 200. The two thermocouples TC1 and TC2 correspond to a "heat flux measuring section" in the claims.

SOFC/SOECスタック10には、燃料側インターコネクト流路11aと酸素側インターコネクト流路12aとの断面図である図11(b)に示すように、それぞれの流路における入口と出口とのそれぞれの気体の温度を計測する熱電対Tf1、Tf2、To1、Tf2が配置されている。熱電対Tf1、Tf2、To1、Tf2のそれぞれが検出する温度Tf_in、Tf2_out、To_in、To_outは、制御部200に出力される。 In the SOFC/SOEC stack 10, as shown in FIG. 11(b), which is a cross-sectional view of the fuel-side interconnect flow path 11a and the oxygen-side interconnect flow path 12a, there are gases at the inlet and outlet of each flow path. Thermocouples Tf1, Tf2, To1, and Tf2 are arranged to measure the temperature of. The temperatures Tf_in, Tf2_out, To_in, and To_out detected by the thermocouples Tf1, Tf2, To1, and Tf2, respectively, are output to the control unit 200.

第4実施形態のSOFC/SOECシステムの制御部200は、SOFC/SOECスタック10と熱貯蔵部81との間の熱収支を演算するスタック熱収支モデルを実装している。第4実施形態のSOFC/SOECシステムでは、制御部200は、このスタック熱収支モデルを用いて、SOFC/SOECスタック10と熱貯蔵部81との間の熱収支の事前予測に基づいてSOFC/SOECスタック10の温度予測を行い、その温度予測を用いて、SOFC/SOECスタック10全体での熱収支を成立させる。以下に、その方法について説明する。 The control unit 200 of the SOFC/SOEC system of the fourth embodiment implements a stack heat balance model that calculates the heat balance between the SOFC/SOEC stack 10 and the heat storage unit 81. In the SOFC/SOEC system of the fourth embodiment, the control unit 200 uses this stack heat balance model to control the SOFC/SOEC based on the prior prediction of the heat balance between the SOFC/SOEC stack 10 and the heat storage unit 81. The temperature of the stack 10 is predicted, and the heat balance of the entire SOFC/SOEC stack 10 is established using the temperature prediction. The method will be explained below.

制御部200には、以下のパラメータが検出値として入力される。
・熱電対Tf1、Tf2、To1、Tf2のそれぞれが検出する温度Tf_in[K]、Tf2_out[K]、To_in[K]、To_out[K]
・熱電対TC1、Tc2のそれぞれが検出する温度T1、T2の温度差ΔT(=T1-T2)[K]
なお、SOFCモードでは、SOFC/SOECスタック10から熱貯蔵部81に向かう熱流束が発生するため、温度差ΔTは負となり、SOECモードでは、熱貯蔵部81からSOFC/SOECスタック10に向かう熱流束が発生するため、温度差ΔTは正となる。
The following parameters are input to the control unit 200 as detected values.
・Temperatures Tf_in[K], Tf2_out[K], To_in[K], To_out[K] detected by thermocouples Tf1, Tf2, To1, and Tf2, respectively
・Temperature difference ΔT (=T1-T2) [K] between temperatures T1 and T2 detected by thermocouples TC1 and Tc2, respectively
Note that in the SOFC mode, a heat flux from the SOFC/SOEC stack 10 toward the heat storage section 81 is generated, so the temperature difference ΔT is negative; in the SOEC mode, the heat flux from the heat storage section 81 toward the SOFC/SOEC stack 10 occurs, so the temperature difference ΔT becomes positive.

また、制御部200には、以下のパラメータが設定値として入力されている。
・SOFC/SOECスタック10を構成する1つのSOFC/SOECセルに印加される単セル電圧V[V]
・SOFC/SOECセルの温度T[K]
・燃料側インターコネクト流路11aおよび酸素側インターコネクト流路12aに流入する入口側ガス量miH2[mol/s]、miH2O[mol/s]、miO2[mol/s]
・熱輸送部82の熱伝導方向に垂直な方向の熱伝導部断面積Ac[m2
熱伝導部断面積Acは、以下の式(3)で示される。
Ac=Wc×tc ・・・(3)
ここで、Wc[m]は、熱輸送部82の幅であり、tc[m]は、熱輸送部82の厚みである(図11(a)参照)。
Further, the following parameters are input to the control unit 200 as set values.
・Single cell voltage V [V] applied to one SOFC/SOEC cell configuring the SOFC/SOEC stack 10
・Temperature T [K] of SOFC/SOEC cell
・Inlet side gas amount mi H2 [mol/s], mi H2O [mol/s], mi O2 [mol/s] flowing into the fuel side interconnect flow path 11a and the oxygen side interconnect flow path 12a
・Heat conduction section cross-sectional area Ac [m 2 ] in the direction perpendicular to the heat conduction direction of the heat transport section 82
The heat conduction section cross-sectional area Ac is expressed by the following equation (3).
Ac=Wc×tc...(3)
Here, Wc [m] is the width of the heat transport section 82, and tc [m] is the thickness of the heat transport section 82 (see FIG. 11(a)).

さらに、制御部200には、以下の定数が入力されている。
SOFC/SOECセルの発電/電解有効面積 Ae[cm2
ファラデー定数 F[C/mol]
標準温度 Tc[K]
スタックモデル熱容量Ks[J/K]
Furthermore, the following constants are input to the control unit 200.
Power generation/electrolysis effective area of SOFC/SOEC cell Ae [cm 2 ]
Faraday constant F [C/mol]
Standard temperature Tc [K]
Stack model heat capacity Ks [J/K]

制御部200は、これらの検出値と、設定値と、定数とを用いて、(I)熱流束qc[W/m2]と、(II)熱量残差Qres[W]と、(III)スタック温度変化速度dT_dt[K/s]と、を算出する。以下、これらの算出方法の詳細を説明する。 The control unit 200 uses these detected values, set values, and constants to calculate (I) heat flux qc [W/m 2 ], (II) heat amount residual Q res [W], and (III ) The stack temperature change rate dT_dt [K/s] is calculated. The details of these calculation methods will be explained below.

(I)熱流束qc[W/m2
SOFC/SOECスタック10から熱貯蔵部81への熱移動について、上述したように、温度差ΔTは、SOFCモードでは負となり、SOECモードでは正となることから、熱輸送部82の熱伝導率λc[W/(m・K)]を用いた式(4)によって算出される。
qc=λc×ΔT/δ ・・・(4)
(I) Heat flux qc [W/m 2 ]
Regarding heat transfer from the SOFC/SOEC stack 10 to the heat storage section 81, as described above, the temperature difference ΔT is negative in the SOFC mode and positive in the SOEC mode, so that the thermal conductivity λc of the heat transport section 82 It is calculated by equation (4) using [W/(m·K)].
qc=λc×ΔT/δ...(4)

(II)熱量残差Qres[W]
熱量残差Qresは、次の式(5)によって算出される。
res=QASR+QIRV+ΔHf+ΔHo+Ac×qc+Qloss(T)・・・(5)
式(5)の右辺の構成要素であるQASRは、内部発熱量であり、以下の式(6)によって算出される。
ASR[W]=i2×ASR(T) ・・・(6)
式(6)におけるiは、電流密度[A/cm2]であり、以下の式(7)で表される。
i=(V-Voc(T))/ASR(T) ・・・(7)
ここで、Voc(T)は、温度Tにおける閉回路電圧[V]を表す関数であり、ASR(T)は、温度Tにおけるスタック総括抵抗[Ω・cm2]を表す関数である。
(II) Calorific value residual Q res [W]
The calorific value residual Q res is calculated by the following equation (5).
Q res =Q ASR +Q IRV +ΔHf+ΔHo+Ac×qc+Q loss (T)...(5)
Q ASR , which is a component on the right side of equation (5), is the internal heat generation amount and is calculated by the following equation (6).
Q ASR [W] = i 2 × ASR (T) ... (6)
i in equation (6) is current density [A/cm 2 ], and is expressed by equation (7) below.
i=(V-Voc(T))/ASR(T)...(7)
Here, Voc(T) is a function representing the closed circuit voltage [V] at temperature T, and ASR(T) is a function representing the stack overall resistance [Ω·cm 2 ] at temperature T.

式(5)の右辺の構成要素であるQIRVは、以下の式(8)によって算出される。
IRV=T×ΔS(T) ・・・(8)
式(8)におけるΔS(T)は、温度Tにおけるエントロピーの変化量である。
Q IRV , which is a component on the right side of equation (5), is calculated by equation (8) below.
Q IRV = T x ΔS (T) ... (8)
ΔS(T) in equation (8) is the amount of change in entropy at temperature T.

式(5)の右辺の構成要素であるΔHfとΔHoは、燃料側インターコネクト流路11aおよび酸素側インターコネクト流路12aから流出する出口側ガス量を用いて求められる。具体的には、水素の出口側ガス量moH2[mol/s]と、水の出口側ガス量moH2O[mol/s]と、酸素の出口側ガス量moO2[mol/s]は、燃料側インターコネクト流路11aおよび酸素側インターコネクト流路12aに流入する水素、水、酸素のそれぞれの入口側ガス量miH2[mol/s]、miH2O[mol/s]、miO2[mol/s]と流量変化分との加減によって求められる。このとき、流量変化分は、水素の反応量(i×Ae/F/2[mol/s])と、酸素の反応量(i×Ae/F/4[mol/s])から算出される。以下の式(9)、(10)、(11)のそれぞれに、水素の出口側ガス量moH2[mol/s]と、水の出口側ガス量moH2O[mol/s]と、酸素の出口側ガス量moO2[mol/s]と、を示す。
moH2=miH2±i×Ae/F/2 ・・・(9)
moH2O=miH2O+i×Ae/F/2 ・・・(10)
moO2=miO2±i×Ae/F/4 ・・・(11)
なお、式(9)および式(11)に示されている「±」は、SOECモードでは、出口側ガス量は入口側ガス量から増加することから「+」となり、SOFCモードでは、出口側ガス量は入口側ガス量より減少することから「-」となる。
ΔHf and ΔHo, which are the components on the right side of equation (5), are determined using the amount of outlet side gas flowing out from the fuel side interconnect flow path 11a and the oxygen side interconnect flow path 12a. Specifically, the hydrogen outlet side gas amount mo H2 [mol/s], the water outlet side gas amount mo H2O [mol/s], and the oxygen outlet side gas amount mo O2 [mol/s] are as follows. Inlet side gas amounts of hydrogen, water, and oxygen flowing into the fuel side interconnect flow path 11a and the oxygen side interconnect flow path 12a mi H2 [mol/s], mi H2O [mol/s], mi O2 [mol/s] ] and the flow rate change. At this time, the flow rate change is calculated from the reaction amount of hydrogen (i x Ae/F/2 [mol/s]) and the reaction amount of oxygen (i x Ae/F/4 [mol/s]). . In each of the following equations (9), (10), and (11), the outlet side gas amount mo H2 [mol/s] of hydrogen, the outlet side gas amount mo H2O [mol/s] of water, and the The outlet side gas amount mo O2 [mol/s] is shown.
mo H2 =mi H2 ±i×Ae/F/2 (9)
mo H2O =mi H2O +i×Ae/F/2...(10)
mo O2 =mi O2 ±i×Ae/F/4 (11)
Note that "±" shown in equations (9) and (11) becomes "+" because in SOEC mode, the amount of gas on the outlet side increases from the amount of gas on the inlet side, and in SOFC mode, the amount of gas on the outlet side increases. The gas amount is "-" because it is smaller than the gas amount on the inlet side.

したがって、ΔHfとΔHoは、出口エンタルピー量と入口エンタルピー量の差(標準温度T0[K]、ガスの種類iの低圧比熱Cpi(T)で算出することができることから、以下の式(12)、(13)で算出することができる。
ΔHf=(Tf_out-T0
×{(miH2±i×Ae/F/2)×CpH2(Tf_out)
+(miH2O+i×Ae/F/2)×CpH2O(Tf_out)}
-(Tf_in-T0
×{miH2×CpH2(Tf_in)+miH2O×CpH2O(Tf_in)}
・・・(12)
ΔHo=(To_out-T0
×(miO2±i×Ae/F/4)×CpO2(To_out)
-(To_in-T0)×miO2×CpO2(To_in)・・・(13)
ここで、Cpは、それぞれの対象分子および温度での比熱[J/mol/K]である。また、式(5)の右辺の構成要素であるQlossは、外周放熱[W]を表す関数である。
Therefore, ΔHf and ΔHo can be calculated using the difference between the outlet enthalpy amount and the inlet enthalpy amount (standard temperature T 0 [K], low pressure specific heat Cpi (T) of gas type i), and the following formula (12) is used. , (13).
ΔHf=(Tf_out−T 0 )
× {(mi H2 ±i×Ae/F/2)×Cp H2 (Tf_out)
+(mi H2O +i×Ae/F/2)×Cp H2O (Tf_out)}
-(Tf_in-T 0 )
×{mi H2 ×Cp H2 (Tf_in)+mi H2O ×Cp H2O (Tf_in)}
...(12)
ΔHo=(To_out−T 0 )
×(mi O2 ±i×Ae/F/4)×Cp O2 (To_out)
-(To_in-T 0 )×mi O2 ×Cp O2 (To_in)...(13)
Here, Cp is the specific heat [J/mol/K] for each target molecule and temperature. Furthermore, Q loss , which is a component on the right side of equation (5), is a function representing outer heat radiation [W].

(III)スタック温度変化速度dT_dt[K/s]
スタック温度変化速度dT_dtは、上述した方法によって算出された熱流束qcと熱量残差Qresを用いて、以下の式(14)で表される。
dT_dt=Qres/Ks ・・・(14)
(III) Stack temperature change rate dT_dt [K/s]
The stack temperature change rate dT_dt is expressed by the following equation (14) using the heat flux qc and the heat amount residual Q res calculated by the method described above.
dT_dt=Q res /Ks...(14)

本実施形態のSOFC/SOECシステムでは、制御部200は、上述した方法によって、スタック温度変化速度dT_dtを算出する。制御部200は、算出したスタック温度変化速度dT_dtを用いて、SOFC/SOECスタック10の熱収支が成立するように、酸素貯蔵部30がSOFC/SOECスタック10に供給する酸素の量や、変圧器14によるSOFC/SOECスタック10に印加される電圧の値の調整を行う。 In the SOFC/SOEC system of this embodiment, the control unit 200 calculates the stack temperature change rate dT_dt using the method described above. Using the calculated stack temperature change rate dT_dt, the control unit 200 controls the amount of oxygen supplied by the oxygen storage unit 30 to the SOFC/SOEC stack 10 and the amount of oxygen supplied to the transformer so that the heat balance of the SOFC/SOEC stack 10 is established. 14 to adjust the value of the voltage applied to the SOFC/SOEC stack 10.

SOFC/SOECスタックにおける熱収支は、SOFC/SOECスタックの内部抵抗、不可逆熱、燃料側/空気側の顕熱変化量、スタック表面からの放熱の熱収支、熱貯蔵部からの熱流などによって決まる。特に、SOFC/SOECスタックの温度が変化する場合、例えば、熱貯蔵部から供給される熱量の変化や、燃料側/空気側の流入ガス温度の変化などが発生すると、SOFC/SOECスタックにおける熱収支は、安定した状態から、正(温度上昇)または負(温度低下)へと変化する。そのため、SOFCモードまたはSOECモードでの運転における、SOFC/SOECスタックの温度変化速度を予測することは重要となる。 The heat balance in the SOFC/SOEC stack is determined by the internal resistance of the SOFC/SOEC stack, irreversible heat, the amount of sensible heat change on the fuel side/air side, the heat balance of heat radiation from the stack surface, the heat flow from the heat storage part, etc. In particular, when the temperature of the SOFC/SOEC stack changes, such as a change in the amount of heat supplied from the heat storage section or a change in the inflow gas temperature on the fuel side/air side, the heat balance in the SOFC/SOEC stack changes. changes from a steady state to either positive (increase in temperature) or negative (increase in temperature). Therefore, it is important to predict the rate of temperature change in the SOFC/SOEC stack when operating in SOFC mode or SOEC mode.

以上説明したように、第4実施形態のSOFC/SOECシステム4では、制御部200は、熱輸送部82に配置された2つの熱電対TC1、TC2によって計測される2か所の温度から算出される熱貯蔵部81とSOFC/SOECスタック10との間の熱流束を用いて、SOFC/SOECスタック10の温度変化速度dT_dtを算出する。これにより、算出されたSOFC/SOECスタック10の温度変化速度dT_dtを用いて、SOFC/SOECスタック10の温度を予測することができるため、この予測結果に基づいて、SOFC/SOECスタック10の熱収支を成立させることができる。したがって、SOFC/SOECスタック10の温度変化を抑制することができる。 As explained above, in the SOFC/SOEC system 4 of the fourth embodiment, the control unit 200 calculates the temperature from the two locations measured by the two thermocouples TC1 and TC2 arranged in the heat transport unit 82. The temperature change rate dT_dt of the SOFC/SOEC stack 10 is calculated using the heat flux between the heat storage section 81 and the SOFC/SOEC stack 10. As a result, the temperature of the SOFC/SOEC stack 10 can be predicted using the calculated temperature change rate dT_dt of the SOFC/SOEC stack 10. Based on this prediction result, the heat balance of the SOFC/SOEC stack 10 is can be established. Therefore, temperature changes in the SOFC/SOEC stack 10 can be suppressed.

また、SOFC/SOECスタックの熱容量が大きく、対流熱伝達を介した熱移動を伴う場合、熱電対などの温度検出手段による検出値では、熱収支ゼロからのずれを即時に検出することができない。これは、SOFC/SOECスタックの熱容量による温度応答遅れに起因しているためであり、SOFC/SOECスタックの温度変化として現れるには時間を要するおそれがある。第4実施形態のSOFC/SOECシステムでは、熱電対TC1,TC2などで検出される温度などを用いてSOFC/SOECスタック10の温度変化速度dT_dtを算出するため、SOFC/SOECスタック10の温度変化を予測することができる。これにより、SOFC/SOECスタック10の内部温度が変化する場合や、外乱が発生する場合などでも、SOFC/SOECスタック10の内部の熱収支を速やかに予測し、SOFC/SOECスタック10の内部温度を測定するよりも早く検出することができる。 Further, when the heat capacity of the SOFC/SOEC stack is large and heat transfer occurs through convective heat transfer, a deviation from the zero heat balance cannot be immediately detected using a value detected by a temperature detection means such as a thermocouple. This is due to a delay in temperature response due to the heat capacity of the SOFC/SOEC stack, and there is a possibility that it will take time for the temperature change to appear in the SOFC/SOEC stack. In the SOFC/SOEC system of the fourth embodiment, the temperature change rate dT_dt of the SOFC/SOEC stack 10 is calculated using the temperature detected by thermocouples TC1, TC2, etc., so the temperature change of the SOFC/SOEC stack 10 is calculated. Can be predicted. As a result, even if the internal temperature of the SOFC/SOEC stack 10 changes or a disturbance occurs, the internal heat balance of the SOFC/SOEC stack 10 can be quickly predicted, and the internal temperature of the SOFC/SOEC stack 10 can be predicted. It can be detected faster than it can be measured.

<第5実施形態>
図13は、第5実施形態のSOFC/SOECシステム5のブロック図である。第5実施形態のSOFC/SOECシステム5では、第3実施形態のSOFC/SOECシステム3と比較して、バイパス管93を備える点、および、制御部100の代わりに制御部200を備える点が異なる。
<Fifth embodiment>
FIG. 13 is a block diagram of the SOFC/SOEC system 5 of the fifth embodiment. The SOFC/SOEC system 5 of the fifth embodiment differs from the SOFC/SOEC system 3 of the third embodiment in that it includes a bypass pipe 93 and that it includes a control unit 200 instead of the control unit 100. .

本実施形態のSOFC/SOECシステム5は、SOFC/SOECスタック10と、酸素側熱交換器20と、酸素貯蔵部30と、燃料側熱交換器40と、水蒸気生成部50と、水素貯蔵部60と、蓄熱部80と、空気取り入れ部90と、バイパス管93を含む、これらを接続する複数の配管と、制御部200と、を備える。 The SOFC/SOEC system 5 of this embodiment includes a SOFC/SOEC stack 10, an oxygen side heat exchanger 20, an oxygen storage section 30, a fuel side heat exchanger 40, a water vapor generation section 50, and a hydrogen storage section 60. , a heat storage section 80 , an air intake section 90 , a plurality of pipes including a bypass pipe 93 and connecting these, and a control section 200 .

バイパス管93は、一端が、SOFC/SOECスタック10の酸素側12の出口と、酸素側熱交換器20の排気流路21と、に接続する配管79に接続されている。バイパス管93の他端は、排気管37が接続されている配管78に接続されている。バイパス管93には、制御部200の指令に応じて、バイパス管93を流れる気体の流量を調整する流量制御バルブ94が配置されている。 One end of the bypass pipe 93 is connected to a pipe 79 that connects the outlet of the oxygen side 12 of the SOFC/SOEC stack 10 and the exhaust flow path 21 of the oxygen side heat exchanger 20. The other end of the bypass pipe 93 is connected to a pipe 78 to which the exhaust pipe 37 is connected. A flow rate control valve 94 is arranged in the bypass pipe 93 to adjust the flow rate of gas flowing through the bypass pipe 93 in accordance with a command from the control unit 200.

図14は、SOFC/SOECシステム5の作動を説明するフローチャートである。次に、本実施形態のSOFC/SOECシステム5の作動について説明する。ここでは、第3実施形態のSOFC/SOECシステム3の作動とは特に異なる点について説明する。図14に示すフローチャートは、SOFCモードのときに常時行われる。 FIG. 14 is a flowchart illustrating the operation of the SOFC/SOEC system 5. Next, the operation of the SOFC/SOEC system 5 of this embodiment will be explained. Here, particularly different points from the operation of the SOFC/SOEC system 3 of the third embodiment will be described. The flowchart shown in FIG. 14 is always performed in the SOFC mode.

最初に、SOFCモードにおけるスタック温度変化速度dT_dtを算出する(ステップS20)。制御部200は、実装されているスタック熱収支モデル(第4実施形態参照)を用いて、SOFCモードにおけるスタック温度変化速度dT_dtを算出する。 First, the stack temperature change rate dT_dt in SOFC mode is calculated (step S20). The control unit 200 calculates the stack temperature change rate dT_dt in the SOFC mode using the installed stack heat balance model (see the fourth embodiment).

次に、制御部200は、算出したスタック温度変化速度dT_dtの絶対値がスタック温度変化速度の上限値dT_dtlimitより小さいか否かを判定する(ステップS21)。ここで、スタック温度変化速度の上限値dT_dtlimitとは、SOFC/SOECスタック10の熱容量に対する放熱量の割合から設定される値である。スタック温度変化速度の上限値dT_dtlimitは、例えば、SOFC/SOECスタック10の放熱量が50kWの場合であり、SOFC/SOECスタック10の熱容量が1×104[J/K]の場合、dT_dtlimitは、5×10-3とするように、SOFC/SOECスタック10の熱容量に対する放熱量の割合などで設定することができる。制御部200は、算出したスタック温度変化速度dT_dtの絶対値が上限値dT_dtlimitより小さいと判定すると、流量制御バルブ94を閉じ、オンオフバルブ33、84を開く指令を出力する(ステップS22)。一方、制御部200は、算出したスタック温度変化速度dT_dtの絶対値が上限値dT_dtlimit以上であると判定すると、後述するステップS25に進む。 Next, the control unit 200 determines whether the absolute value of the calculated stack temperature change rate dT_dt is smaller than the upper limit value dT_dt limit of the stack temperature change rate (step S21). Here, the upper limit value dT_dt limit of the stack temperature change rate is a value set from the ratio of the heat radiation amount to the heat capacity of the SOFC/SOEC stack 10. The upper limit value dT_dt limit of the stack temperature change rate is, for example, when the heat radiation amount of the SOFC/SOEC stack 10 is 50 kW, and when the heat capacity of the SOFC/SOEC stack 10 is 1×10 4 [J/K], dT_dt limit is dT_dt limit . can be set as a ratio of the heat radiation amount to the heat capacity of the SOFC/SOEC stack 10, such as 5×10 −3 . If the control unit 200 determines that the absolute value of the calculated stack temperature change rate dT_dt is smaller than the upper limit value dT_dt limit , it outputs a command to close the flow rate control valve 94 and open the on-off valves 33 and 84 (step S22). On the other hand, if the control unit 200 determines that the absolute value of the calculated stack temperature change rate dT_dt is greater than or equal to the upper limit value dT_dt limit , the process proceeds to step S25, which will be described later.

ステップS22の次に、制御部200は、流量制御バルブ34に配管77を流れる酸素の流量を設定し、流量制御バルブ83に接続配管85を流れる水素ガスの流量を設定する(ステップS23)。これにより、SOFC/SOECスタック10の酸素側12には、発電に必要な量の酸素が酸素タンク32から供給されるとともに、SOFC/SOECスタック10で発生した熱が蓄熱部80の蓄熱材81aによって蓄熱されるように、熱貯蔵部81に水素ガスが供給される。 Next to step S22, the control unit 200 sets the flow rate of oxygen flowing through the pipe 77 to the flow rate control valve 34, and sets the flow rate of hydrogen gas flowing through the connecting pipe 85 to the flow rate control valve 83 (step S23). As a result, the oxygen side 12 of the SOFC/SOEC stack 10 is supplied with the amount of oxygen necessary for power generation from the oxygen tank 32, and the heat generated in the SOFC/SOEC stack 10 is transferred to the oxygen side 12 of the heat storage section 80 by the heat storage material 81a. Hydrogen gas is supplied to the heat storage section 81 so that heat is stored therein.

次に、制御部200は、算出したスタック温度変化速度dT_dtの絶対値がスタック温度変化速度の上限値dT_dtlimit以上であるか否かを判定する(ステップS24)。制御部200は、算出したスタック温度変化速度dT_dtの絶対値が上限値dT_dtlimit以上であると判定すると、排気バルブ36と流量制御バルブ83とオンオフバルブ84を閉じ、オンオフバルブ33を開く指令を出力する(ステップS25)。一方、制御部200は、算出したスタック温度変化速度dT_dtの絶対値が上限値dT_dtlimitより小さいと判定すると、ステップS22に戻り、流量制御バルブ94を閉じ、オンオフバルブ33、84を開く指令を出力する。 Next, the control unit 200 determines whether the absolute value of the calculated stack temperature change rate dT_dt is greater than or equal to the upper limit value dT_dt limit of the stack temperature change rate (step S24). When the control unit 200 determines that the absolute value of the calculated stack temperature change rate dT_dt is greater than or equal to the upper limit value dT_dt limit , the control unit 200 closes the exhaust valve 36, the flow rate control valve 83, and the on-off valve 84, and outputs a command to open the on-off valve 33. (Step S25). On the other hand, if the control unit 200 determines that the absolute value of the calculated stack temperature change rate dT_dt is smaller than the upper limit value dT_dt limit , the control unit 200 returns to step S22 and outputs a command to close the flow rate control valve 94 and open the on-off valves 33 and 84. do.

ステップS25の次に、制御部200は、流量制御バルブ34に、配管77を流れる酸素の流量を変更するように指令を出力するとともに、流量制御バルブ94に、バイパス管93を流れる気体の流量を設定する(ステップS26)。ここで、流量制御バルブ34による酸素の流量を変更について説明する。ステップS24において、算出したスタック温度変化速度dT_dtの絶対値が上限値dT_dtlimit以上であると判定される場合、熱貯蔵部81においてSOFC/SOECスタック10の熱を蓄熱できないため、SOFC/SOECスタック10の温度が上昇する。そこで、ステップS26では、SOFC/SOECスタック10の酸素側12に供給する酸素の流量を増加させることによって、SOFC/SOECスタック10の熱を酸素の顕熱によって放出させることで、SOFC/SOECスタック10の温度上昇を抑制する。このとき、制御部200は、酸素の流量を、もともと流れていた流量に補正酸素流量ΔmO2を加えた流量とすることで、SOFC/SOECスタック10全体での熱収支を成立させる。補正酸素流量ΔmO2[mol/s]は、第4実施形態で説明したスタック熱収支モデルを用いて、以下の式(15)で算出することができる。
ΔmO2
={Qres+i×Ae/F/4×Cp(To_out)×(To_out-T0)}
/{(To_out-T0)-(To_in-T0)×Cp(To_in)}
・・・(15)
ここで、Cp(To_in)は、酸素側インターコネクト流路12aの入口ガスの低圧比熱であり、Cp(To_out)は、酸素側インターコネクト流路12aの出口ガスの低圧比熱である。上限値dT_dtlimitは、特許請求の範囲の「所定値」に相当する。
Next to step S25, the control unit 200 outputs a command to the flow rate control valve 34 to change the flow rate of oxygen flowing through the pipe 77, and also outputs a command to the flow rate control valve 94 to change the flow rate of the gas flowing through the bypass pipe 93. settings (step S26). Here, changing the oxygen flow rate using the flow rate control valve 34 will be explained. In step S24, if it is determined that the absolute value of the calculated stack temperature change rate dT_dt is greater than or equal to the upper limit value dT_dt limit , the heat of the SOFC/SOEC stack 10 cannot be stored in the heat storage section 81; temperature increases. Therefore, in step S26, by increasing the flow rate of oxygen supplied to the oxygen side 12 of the SOFC/SOEC stack 10, the heat of the SOFC/SOEC stack 10 is released by the sensible heat of oxygen. suppress the temperature rise. At this time, the control unit 200 establishes heat balance in the entire SOFC/SOEC stack 10 by setting the oxygen flow rate to the original flow rate plus the corrected oxygen flow rate Δm O2 . The corrected oxygen flow rate Δm O2 [mol/s] can be calculated using the following equation (15) using the stack heat balance model described in the fourth embodiment.
Δm O2
= {Q res +i×Ae/F/4×Cp(To_out)×(To_out−T 0 )}
/{(To_out-T 0 )-(To_in-T 0 )×Cp(To_in)}
...(15)
Here, Cp(To_in) is the low-pressure specific heat of the gas at the inlet of the oxygen-side interconnect flow path 12a, and Cp(To_out) is the low-pressure specific heat of the gas at the outlet of the oxygen-side interconnect flow path 12a. The upper limit value dT_dt limit corresponds to a "predetermined value" in the claims.

ステップS26の次に、制御部200は、SOFC/SOECシステム5がSOECモードで運転しているか否かを判定する(ステップS27)。制御部200は、SOFC/SOECシステム5がSOECモードで運転していると判定すると、SOECモードでの運転を続行する指令を出力する(ステップS28)。制御部200は、SOFC/SOECシステム5がSOECモードで運転していないと判定すると、ステップS20に戻り、ステップS20からステップS26を再度実行する。 Next to step S26, the control unit 200 determines whether the SOFC/SOEC system 5 is operating in the SOEC mode (step S27). When the control unit 200 determines that the SOFC/SOEC system 5 is operating in the SOEC mode, it outputs a command to continue operating in the SOEC mode (step S28). When the control unit 200 determines that the SOFC/SOEC system 5 is not operating in the SOEC mode, the control unit 200 returns to step S20 and executes steps S20 to S26 again.

SOFC/SOECシステム5がSOFCモードで運転されているとき、SOFC/SOECスタック10で発生する熱は、熱貯蔵部81に放熱されることで、SOFC/SOECスタック10全体での熱収支は成立する。しかしながら、熱貯蔵部81が蓄熱できる熱量には限りがあるため、例えば、SOFCモードで長時間運転した場合など、熱貯蔵部81が蓄熱できなくなった場合、SOFC/SOECスタック10は放熱することができなくなり、SOFC/SOECスタック10の温度が上昇するおそれがある。 When the SOFC/SOEC system 5 is operated in the SOFC mode, the heat generated in the SOFC/SOEC stack 10 is radiated to the heat storage section 81, so that the heat balance for the entire SOFC/SOEC stack 10 is established. . However, since there is a limit to the amount of heat that the heat storage section 81 can store, if the heat storage section 81 is no longer able to store heat, such as when operating in SOFC mode for a long time, the SOFC/SOEC stack 10 cannot radiate heat. Otherwise, the temperature of the SOFC/SOEC stack 10 may rise.

以上、第5実施形態のSOFC/SOECシステム5では、制御部200は、SOFCモードにおいて、算出されたSOFC/SOECスタック10の温度の変化速度の絶対値が上限値dT_dtlimit以上のとき、SOFC/SOECスタック10に供給される酸素の流量を増大させて、酸素の顕熱量を大きくする。SOFCモードにおいて、SOFC/SOECスタック10の温度の変化速度の絶対値が上限値dT_dtlimit以上であることは、SOFC/SOECスタック10における発熱量が比較的多いために温度上昇が比較的速いことを示していることから、酸素の供給量を増大させて、SOFC/SOECスタック10から排出される酸素の顕熱を利用してSOFC/SOECスタック10を冷却する。これにより、SOFC/SOECスタック10の急激な温度変化を抑制することができる。したがって、熱貯蔵部81の蓄熱が完了しても、スタック熱収支モデルにより放熱状態を予測し、補正酸素流量ΔmO2によりSOFC/SOECスタック10の熱収支を成立させることで温度変化を抑制することができる。 As described above, in the SOFC/SOEC system 5 of the fifth embodiment, when the absolute value of the calculated temperature change rate of the SOFC/SOEC stack 10 is equal to or higher than the upper limit value dT_dt limit in the SOFC mode, the control unit 200 controls the SOFC/SOEC system 5 to The amount of sensible heat of oxygen is increased by increasing the flow rate of oxygen supplied to the SOEC stack 10. In the SOFC mode, the fact that the absolute value of the temperature change rate of the SOFC/SOEC stack 10 is greater than or equal to the upper limit value dT_dt limit means that the temperature rise is relatively fast because the amount of heat generated in the SOFC/SOEC stack 10 is relatively large. As shown, the amount of oxygen supplied is increased to cool the SOFC/SOEC stack 10 using the sensible heat of the oxygen discharged from the SOFC/SOEC stack 10. Thereby, rapid temperature changes in the SOFC/SOEC stack 10 can be suppressed. Therefore, even if heat storage in the heat storage section 81 is completed, temperature changes can be suppressed by predicting the heat dissipation state using the stack heat balance model and establishing the heat balance of the SOFC/SOEC stack 10 using the corrected oxygen flow rate ΔmO2 . I can do it.

<第6実施形態>
図15は、第6実施形態のSOFC/SOECシステム6のブロック図である。第6実施形態のSOFC/SOECシステム6では、第1実施形態のSOFC/SOECシステム1と比較して、制御部100の代わりに制御部200を備える点が異なる。
<Sixth embodiment>
FIG. 15 is a block diagram of the SOFC/SOEC system 6 of the sixth embodiment. The SOFC/SOEC system 6 of the sixth embodiment differs from the SOFC/SOEC system 1 of the first embodiment in that it includes a control section 200 instead of the control section 100.

本実施形態のSOFC/SOECシステム6は、SOFC/SOECスタック10と、酸素側熱交換器20と、酸素貯蔵部30と、燃料側熱交換器40と、水蒸気生成部50と、水素貯蔵部60と、蓄熱部80と、これらを接続する複数の配管と、制御部200と、を備える。すなわち、第6実施形態のSOFC/SOECシステム6は、第2実施形態のSOFC/SOECシステム2において、制御部100の代わりに、スタック熱収支モデルを用いた演算を行う制御部200を備えている。 The SOFC/SOEC system 6 of this embodiment includes a SOFC/SOEC stack 10, an oxygen side heat exchanger 20, an oxygen storage section 30, a fuel side heat exchanger 40, a water vapor generation section 50, and a hydrogen storage section 60. , a heat storage section 80 , a plurality of pipes connecting these, and a control section 200 . That is, the SOFC/SOEC system 6 of the sixth embodiment includes a control unit 200 that performs calculations using a stack heat balance model instead of the control unit 100 in the SOFC/SOEC system 2 of the second embodiment. .

図16は、SOFC/SOECシステム6の作動を説明するフローチャートである。次に、本実施形態のSOFC/SOECシステム6の作動について説明する。ここでは、第1実施形態のSOFC/SOECシステム1の作動とは特に異なる点について説明する。図16に示すフローチャートは、SOECモードのときに常時行われる。 FIG. 16 is a flowchart illustrating the operation of the SOFC/SOEC system 6. Next, the operation of the SOFC/SOEC system 6 of this embodiment will be explained. Here, points that are particularly different from the operation of the SOFC/SOEC system 1 of the first embodiment will be explained. The flowchart shown in FIG. 16 is always performed in SOEC mode.

最初に、SOECモードにおけるスタック温度変化速度を算出する(ステップS30)制御部200は、実装されているスタック熱収支モデル(第4実施形態参照)を用いて、SOECモードにおけるスタック温度変化速度dT_dtを算出する。 First, the control unit 200 calculates the stack temperature change rate dT_dt in the SOEC mode using the installed stack heat balance model (see the fourth embodiment) (step S30). calculate.

次に、制御部200は、算出したスタック温度変化速度dT_dtの絶対値がスタック温度変化速度の上限値dT_dtlimitより小さいか否かを判定する(ステップS31)。ここで、スタック温度変化速度の上限値dT_dtlimitとは、第5実施形態と同様に、SOFC/SOECスタック10の熱容量に対する放熱量の割合から設定される値である。制御部200は、算出したスタック温度変化速度dT_dtの絶対値が上限値dT_dtlimitより小さいと判定すると、流量制御バルブ34を閉じ、オンオフバルブ33、84を開く指令を出力する(ステップS32)。一方、制御部200は、算出したスタック温度変化速度dT_dtの絶対値が上限値dT_dtlimit以上であると判定すると、後述するステップS35に進む。上限値dT_dtlimitは、特許請求の範囲の「所定値」に相当する。 Next, the control unit 200 determines whether the absolute value of the calculated stack temperature change rate dT_dt is smaller than the upper limit value dT_dt limit of the stack temperature change rate (step S31). Here, the upper limit value dT_dt limit of the stack temperature change rate is a value set from the ratio of the heat radiation amount to the heat capacity of the SOFC/SOEC stack 10, as in the fifth embodiment. If the control unit 200 determines that the absolute value of the calculated stack temperature change rate dT_dt is smaller than the upper limit value dT_dt limit , it outputs a command to close the flow control valve 34 and open the on-off valves 33 and 84 (step S32). On the other hand, if the control unit 200 determines that the absolute value of the calculated stack temperature change rate dT_dt is greater than or equal to the upper limit value dT_dt limit , the process proceeds to step S35, which will be described later. The upper limit value dT_dt limit corresponds to a "predetermined value" in the claims.

ステップS32の次に、制御部200は、流量制御バルブ74に流量分配器73から酸素側熱交換器20に送られる燃料ガスの流量を設定し、流量制御バルブ83に接続配管85を流れる燃料ガスの流量を設定する(ステップS33)。これにより、SOFC/SOECスタック10の燃料側11には、水蒸気電解される水蒸気が供給されるとともに、SOFC/SOECスタック10での水蒸気電解による吸熱を補完する熱が、蓄熱部80の蓄熱材81aにおいて発生するように、熱貯蔵部81に水が供給される。 Next to step S32, the control unit 200 sets the flow rate of the fuel gas sent from the flow rate distributor 73 to the oxygen side heat exchanger 20 in the flow rate control valve 74, and sets the flow rate of the fuel gas flowing through the connection pipe 85 in the flow rate control valve 83. The flow rate is set (step S33). As a result, the fuel side 11 of the SOFC/SOEC stack 10 is supplied with steam subjected to steam electrolysis, and the heat that supplements the heat absorption by steam electrolysis in the SOFC/SOEC stack 10 is transferred to the heat storage material 81a of the heat storage section 80. Water is supplied to the heat storage 81 as occurs at .

次に、制御部200は、算出したスタック温度変化速度dT_dtの絶対値がスタック温度変化速度の上限値dT_dtlimit以上であるか否かを判定する(ステップS34)。制御部200は、算出したスタック温度変化速度dT_dtの絶対値が上限値dT_dtlimit以上であると判定すると、流量制御バルブ34、83とオンオフバルブ84を閉じ、オンオフバルブ33を開く指令を出力する(ステップS35)。一方、制御部200は、算出したスタック温度変化速度dT_dtの絶対値が上限値dT_dtlimitより小さいと判定すると、ステップS32に戻り、流量制御バルブ34を閉じ、オンオフバルブ33、84を開く指令を出力する。 Next, the control unit 200 determines whether the absolute value of the calculated stack temperature change rate dT_dt is greater than or equal to the upper limit value dT_dt limit of the stack temperature change rate (step S34). When the control unit 200 determines that the absolute value of the calculated stack temperature change rate dT_dt is greater than or equal to the upper limit value dT_dt limit , it closes the flow rate control valves 34 and 83 and the on-off valve 84, and outputs a command to open the on-off valve 33 ( Step S35). On the other hand, if the control unit 200 determines that the absolute value of the calculated stack temperature change rate dT_dt is smaller than the upper limit value dT_dt limit , the control unit 200 returns to step S32 and outputs a command to close the flow control valve 34 and open the on-off valves 33 and 84. do.

ステップS35の次に、制御部200は、SOFC/SOECスタック10に印加される電圧を上昇させる設定を変圧器14に出力する(ステップS36)。ここで、変圧器14によるSOFC/SOECスタック10への供給電圧の変更について説明する。ステップS34において、算出したスタック温度変化速度dT_dtの絶対値が上限値dT_dtlimit以上であると判定される場合、熱貯蔵部81においてSOFC/SOECスタック10に供給できる熱が生成できないため、SOFC/SOECスタック10の温度が低下する。そこで、ステップS36では、SOFC/SOECスタック10への供給電圧を上昇させることによって、SOFC/SOECスタック10での抵抗発熱量を増加させ、SOFC/SOECスタック10の温度上昇を抑制する。このとき、制御部200は、SOFC/SOECスタック10への供給電圧を、サーモニュートラル電圧に、補正電圧ΔVを加えた電圧とすることで、SOFC/SOECスタック10全体での熱収支を成立させる。補正電圧ΔV[V]は、第4実施形態で説明したスタック熱収支モデルを用いて、以下の式(16)で算出することができる。
ΔV=-(ASR/Qres)0.5 ・・・(16)
Next to step S35, the control unit 200 outputs a setting for increasing the voltage applied to the SOFC/SOEC stack 10 to the transformer 14 (step S36). Here, a change in the supply voltage to the SOFC/SOEC stack 10 by the transformer 14 will be explained. In step S34, if it is determined that the absolute value of the calculated stack temperature change rate dT_dt is equal to or greater than the upper limit value dT_dt limit , the heat that can be supplied to the SOFC/SOEC stack 10 cannot be generated in the heat storage section 81. The temperature of stack 10 decreases. Therefore, in step S36, the supply voltage to the SOFC/SOEC stack 10 is increased to increase the resistance heat generation amount in the SOFC/SOEC stack 10, thereby suppressing the temperature rise in the SOFC/SOEC stack 10. At this time, the control unit 200 establishes heat balance in the entire SOFC/SOEC stack 10 by setting the voltage supplied to the SOFC/SOEC stack 10 to a voltage obtained by adding the correction voltage ΔV to the thermoneutral voltage. The correction voltage ΔV [V] can be calculated using the following equation (16) using the stack heat balance model described in the fourth embodiment.
ΔV=-(ASR/Qres) 0.5 ...(16)

ステップS36の次に、制御部200は、SOFC/SOECシステム5がSOFCモードで運転しているか否かを判定する(ステップS37)。制御部200は、SOFC/SOECシステム5がSOFCモードで運転していると判定すると、SOFCモードでの運転を続行する指令を出力する(ステップS38)。制御部200は、SOFC/SOECシステム5がSOFCモードで運転していないと判定すると、ステップS30に戻ってスタック温度変化速度を算出する。 Next to step S36, the control unit 200 determines whether the SOFC/SOEC system 5 is operating in the SOFC mode (step S37). When the control unit 200 determines that the SOFC/SOEC system 5 is operating in the SOFC mode, it outputs a command to continue operating in the SOFC mode (step S38). When the control unit 200 determines that the SOFC/SOEC system 5 is not operating in the SOFC mode, the process returns to step S30 and calculates the stack temperature change rate.

SOFC/SOECシステム6がSOECモードで運転されているとき、SOFC/SOECスタック10には、熱貯蔵部81において生成される熱が輸送されることで、SOFC/SOECスタック10全体での熱収支は成立する。しかしながら、熱貯蔵部81が生成できる熱量には限りがあるため、例えば、SOECモードの運転時間が長くなった場合など、熱貯蔵部81が熱を供給できなくなった場合、SOFC/SOECスタック10の温度が低下するおそれがある。 When the SOFC/SOEC system 6 is operated in the SOEC mode, the heat generated in the heat storage section 81 is transported to the SOFC/SOEC stack 10, so that the heat balance in the entire SOFC/SOEC stack 10 is To establish. However, since there is a limit to the amount of heat that the heat storage section 81 can generate, if the heat storage section 81 is unable to supply heat, for example when the operating time in SOEC mode becomes long, the SOFC/SOEC stack 10 Temperature may drop.

以上、第6実施形態のSOFC/SOECシステム6では、制御部200は、SOECモードにおいて、算出されたSOFC/SOECスタック10の温度の変化速度の絶対値が上限値dT_dtlimit以上であるとき、SOFC/SOECスタック10に印加される電圧を上昇させて、SOFC/SOECスタック10の内部抵抗による発熱の量を大きくする。SOECモードにおいて、SOFC/SOECスタック10の温度の変化速度の絶対値が上限値dT_dtlimit以上であることは、SOFC/SOECスタック10の温度低下が比較的速いことを示していることから、SOFC/SOECスタック10に印加される電圧を上昇させて、SOFC/SOECスタック10の内部抵抗による発熱を利用してSOFC/SOECスタック10を加熱する。これにより、SOFC/SOECスタック10の急激な温度変化を抑制することができる。したがって、熱貯蔵部81の放熱が完了しても、スタック熱収支モデルにより放熱状態を予測し、単セル電圧を補正することにより発熱成分を補うことができる。したがって、スタック熱収支を成立させることで温度変化を抑制することができる。 As described above, in the SOFC/SOEC system 6 of the sixth embodiment, when the absolute value of the calculated temperature change rate of the SOFC/SOEC stack 10 is equal to or greater than the upper limit value dT_dt limit in the SOEC mode, the control unit 200 controls the SOFC /By increasing the voltage applied to the SOEC stack 10, the amount of heat generated by the internal resistance of the SOFC/SOEC stack 10 is increased. In the SOEC mode, if the absolute value of the temperature change rate of the SOFC/SOEC stack 10 is greater than or equal to the upper limit value dT_dt limit , this indicates that the temperature decrease of the SOFC/SOEC stack 10 is relatively fast. The voltage applied to the SOEC stack 10 is increased to heat the SOFC/SOEC stack 10 using heat generated by the internal resistance of the SOFC/SOEC stack 10. Thereby, rapid temperature changes in the SOFC/SOEC stack 10 can be suppressed. Therefore, even when the heat dissipation from the heat storage section 81 is completed, the heat dissipation state can be predicted using the stack heat balance model and the heat generation component can be compensated for by correcting the single cell voltage. Therefore, temperature changes can be suppressed by establishing a stack heat balance.

<本実施形態の変形例>
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
<Modification of this embodiment>
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various forms without departing from the spirit thereof. For example, the following modifications are also possible.

[変形例1]
上述の実施形態では、SOFCモードでの運転において、SOFC/SOECスタック10には、酸素タンク32に貯蔵されている酸素、すなわち、純酸素がSOFC/SOECスタック10の酸素側12に供給されるとした。しかしながら、SOFCモードでの運転において、SOFC/SOECスタック10の酸素側12に純酸素が供給されなくてもよい。空気を供給する場合に比べ、酸素濃度が高ければよい。これにより、SOFC/SOECスタック10における濃度抵抗の影響が小さくなるため、発電効率を向上することができる。
[Modification 1]
In the embodiment described above, when operating in the SOFC mode, the SOFC/SOEC stack 10 is supplied with oxygen stored in the oxygen tank 32, i.e., pure oxygen, to the oxygen side 12 of the SOFC/SOEC stack 10. did. However, in the SOFC mode of operation, pure oxygen may not be supplied to the oxygen side 12 of the SOFC/SOEC stack 10. It is sufficient that the oxygen concentration is higher than that when air is supplied. This reduces the influence of concentration resistance on the SOFC/SOEC stack 10, so power generation efficiency can be improved.

[変形例2]
第1実施形態では、SOECモードでの追加電圧やSOFCモードでの酸素の流量は、制御部100に事前に入力されているマップから決定されるとした。しかしながら、追加電圧や酸素の流量を決定する方法はこれに限定されない。例えば、SOECモードでの追加電圧の場合、燃料側11に供給される水の量からマップを用いて決定してもよい。また、SOFCモードでの酸素の流量は、SOFC/SOECスタック10が出力する電圧の大きさからマップを用いて決定してもよい。第2実施形態における制御部100による、流量制御バルブ83を用いた熱貯蔵部81への水または水素の供給量の制御も同様である。
[Modification 2]
In the first embodiment, the additional voltage in the SOEC mode and the oxygen flow rate in the SOFC mode are determined from a map input to the control unit 100 in advance. However, the method of determining the additional voltage and the flow rate of oxygen is not limited to this. For example, in the case of additional voltage in SOEC mode, it may be determined using a map from the amount of water supplied to the fuel side 11. Further, the flow rate of oxygen in the SOFC mode may be determined using a map based on the magnitude of the voltage output by the SOFC/SOEC stack 10. The same applies to the control of the amount of water or hydrogen supplied to the heat storage section 81 using the flow rate control valve 83 by the control section 100 in the second embodiment.

[変形例3]
第2実施形態では、熱貯蔵部81は、燃料ガスに含まれる水によってFeが酸化されることで発熱し、水素によってFe34が還元されることで吸熱する蓄熱材81aを有するとした。しかしながら、蓄熱材81aにおいて発熱反応と吸熱反応とを行う材料の組合せはこれに限定されない。
[Modification 3]
In the second embodiment, the heat storage section 81 includes a heat storage material 81a that generates heat when Fe is oxidized by water contained in the fuel gas and absorbs heat when Fe 3 O 4 is reduced by hydrogen. . However, the combination of materials that perform an exothermic reaction and an endothermic reaction in the heat storage material 81a is not limited to this.

[変形例4]
第3実施形態では、圧力計35によって、酸素タンク32内の酸素の圧力を検出し、酸素タンク32内に貯蔵されている酸素の量を検出するとした。しかしながら、「貯蔵量検出部」はこれに限定されない。酸素タンク32内に貯蔵されている酸素の量を検出できる手段であればよい。
[Modification 4]
In the third embodiment, the pressure of oxygen in the oxygen tank 32 is detected by the pressure gauge 35, and the amount of oxygen stored in the oxygen tank 32 is detected. However, the "storage amount detection unit" is not limited to this. Any means that can detect the amount of oxygen stored in the oxygen tank 32 may be used.

[変形例5]
第4実施形態では、熱輸送部82における熱流束を用いたスタック温度変化速度dT_dtを算出するスタック熱収支モデルの一例を示したが、スタック熱収支モデルはこれに限定されない。
[Modification 5]
In the fourth embodiment, an example of the stack heat balance model that calculates the stack temperature change rate dT_dt using the heat flux in the heat transport section 82 was shown, but the stack heat balance model is not limited to this.

[変形例6]
第5実施形態および第6実施形態では、スタック温度変化速度の上限値dT_dtlimitを、SOFC/SOECスタック10の熱容量に対する放熱量の割合から設定される値であるとした。しかしながら、「所定値」はこれに限定されない。
[Modification 6]
In the fifth embodiment and the sixth embodiment, the upper limit value dT_dt limit of the stack temperature change rate is a value set from the ratio of the heat radiation amount to the heat capacity of the SOFC/SOEC stack 10. However, the "predetermined value" is not limited to this.

[変形例7]
第5実施形態では、スタック熱収支モデルによって算出されるスタック温度変化速度dT_dtlimitを用いる制御を、空気取り入れ部90を備えるSOFC/SOECシステム3に適用するとした。蓄熱部80を備えていないSOFC/SOECシステム1や、空気取り入れ部90を備えていないSOFC/SOECシステム2に適用してもよい。
[Modification 7]
In the fifth embodiment, control using the stack temperature change rate dT_dt limit calculated by the stack heat balance model is applied to the SOFC/SOEC system 3 including the air intake section 90. It may be applied to the SOFC/SOEC system 1 that does not include the heat storage section 80 or the SOFC/SOEC system 2 that does not include the air intake section 90.

[変形例8]
第6実施形態では、スタック熱収支モデルによって算出されるスタック温度変化速度dT_dtlimitを用いる制御を、SOFC/SOECシステム1に適用するとした。蓄熱部80を備えるSOFC/SOECシステム2や、空気取り入れ部90を備えるSOFC/SOECシステム3に適用してもよい。
[Modification 8]
In the sixth embodiment, control using the stack temperature change rate dT_dt limit calculated by the stack heat balance model is applied to the SOFC/SOEC system 1. It may be applied to the SOFC/SOEC system 2 including the heat storage section 80 and the SOFC/SOEC system 3 including the air intake section 90.

[変形例9]
上述した実施形態において、SOFC/SOECスタック10の内部抵抗による発熱と、酸素の流量の増大とによってSOFC/SOECスタック10の熱収支を成立させる第1実施形態と、蓄熱部80を用いて、SOFC/SOECスタック10での吸熱と発熱とに対応して熱の供給と蓄熱とを行うことでSOFC/SOECスタック10の熱収支を成立させる第2~6実施形態とを組み合わせて、SOFC/SOECスタック10の熱収支を成立させてもよい。
[Modification 9]
In the embodiments described above, the first embodiment establishes the heat balance of the SOFC/SOEC stack 10 by heat generation due to the internal resistance of the SOFC/SOEC stack 10 and an increase in the flow rate of oxygen, and the heat storage section 80 is used to improve the SOFC. /SOFC/SOEC stack by combining the second to sixth embodiments in which the heat balance of the SOFC/SOEC stack 10 is established by supplying and storing heat in response to heat absorption and heat generation in the SOEC stack 10. A heat balance of 10 may be established.

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。 Although the present aspect has been described above based on the embodiments and modified examples, the embodiments of the above-described aspect are for facilitating understanding of the present aspect, and do not limit the present aspect. This aspect may be modified and improved without departing from the spirit and scope of the claims, and this aspect includes equivalents thereof. Furthermore, if the technical feature is not described as essential in this specification, it can be deleted as appropriate.

1,2,3,5,6…SOFC/SOECシステム
10…SOFC/SOECスタック
14…変圧器
20…酸素側熱交換器
30…酸素貯蔵部
35…圧力計
40…燃料側熱交換器
50…水蒸気生成部
60…水素貯蔵部
71…放熱器
72…気液分離器
73…流量分配器
80…蓄熱部
82…熱輸送部
90…空気取り入れ部
100,200…制御部
dT_dt…スタック温度変化速度
1, 2, 3, 5, 6...SOFC/SOEC system 10...SOFC/SOEC stack 14...Transformer 20...Oxygen side heat exchanger 30...Oxygen storage section 35...Pressure gauge 40...Fuel side heat exchanger 50...Steam Generation section 60... Hydrogen storage section 71... Heat radiator 72... Gas-liquid separator 73... Flow rate distributor 80... Heat storage section 82... Heat transport section 90... Air intake section 100, 200... Control section dT_dt... Stack temperature change rate

Claims (7)

SOFC/SOECシステムであって、
水の電気分解によって水素と酸素を生成するSOECモードと、水素を酸化して発電するSOFCモードと、の2つの運転モードを有するセルと、
前記セルに印加される電圧を調整する電圧調整部と、
SOECモードの前記セルにおいて生成される酸素が貯蔵される酸素貯蔵部と、
前記セルの運転モードを切り替える制御部と、を備え、
前記制御部は、
SOECモードの前記セルに、サーモニュートラル状態となる値として予め設定されている電圧値より高い値の電圧を印加させるように、前記電圧調整部を制御し、
SOFCモードの前記セルに、前記セルに供給される水素を全て酸化させる量として予め設定されている量よりも多い量の酸素を供給させるように、前記酸素貯蔵部を制御する、
SOFC/SOECシステム。
SOFC/SOEC system,
A cell having two operating modes: a SOEC mode in which hydrogen and oxygen are generated by electrolysis of water, and an SOFC mode in which hydrogen is oxidized to generate electricity;
a voltage adjustment unit that adjusts the voltage applied to the cell;
an oxygen storage unit in which oxygen generated in the cell in SOEC mode is stored;
A control unit that switches the operation mode of the cell,
The control unit includes:
Controlling the voltage regulator so as to apply a voltage higher than a voltage value preset as a value for thermoneutral state to the cell in SOEC mode;
controlling the oxygen storage unit to supply the cell in SOFC mode with an amount of oxygen greater than a preset amount to oxidize all the hydrogen supplied to the cell;
SOFC/SOEC system.
請求項1に記載のSOFC/SOECシステムは、さらに、
前記酸素貯蔵部が貯蔵する酸素の貯蔵量を検出する貯蔵量検出部と、
前記セルに空気を供給する空気供給部と、を備え、
前記制御部は、前記貯蔵量検出部によって検出された酸素の貯蔵量を用いて、前記酸素貯蔵部に貯蔵されている酸素の前記セルへの供給と、前記空気供給部による空気の前記セルへの供給と、を切り替える、
SOFC/SOECシステム。
The SOFC/SOEC system according to claim 1 further comprises:
a storage amount detection unit that detects the storage amount of oxygen stored in the oxygen storage unit;
an air supply unit that supplies air to the cell,
The control unit controls the supply of oxygen stored in the oxygen storage unit to the cell and the air supply unit to supply air to the cell using the storage amount of oxygen detected by the storage amount detection unit. supply and switch between,
SOFC/SOEC system.
請求項1または請求項2に記載のSOFC/SOECシステムは、さらに、
前記セルに接続されており、SOFCモードの前記セルで発生する熱を蓄熱し、SOECモードの前記セルに熱を供給する熱貯蔵部を備え、
前記制御部は、前記熱貯蔵部による、前記セルで発生する熱の蓄熱と前記セルへの熱の供給と、を切り替える、
SOFC/SOECシステム。
The SOFC/SOEC system according to claim 1 or 2 further comprises:
A heat storage unit connected to the cell, storing heat generated in the cell in SOFC mode, and supplying heat to the cell in SOEC mode,
The control unit switches between storage of heat generated in the cell and supply of heat to the cell by the heat storage unit.
SOFC/SOEC system.
請求項3に記載のSOFC/SOECシステムであって、
前記熱貯蔵部は、前記セルに供給される水素または水が供給されることで、前記セルで発生する熱の蓄熱、または、前記セルへの熱の供給、を切り替える、
SOFC/SOECシステム。
The SOFC/SOEC system according to claim 3,
The heat storage unit switches storage of heat generated in the cell or supply of heat to the cell when hydrogen or water is supplied to the cell.
SOFC/SOEC system.
請求項3または請求項4に記載のSOFC/SOECシステムであって、
前記熱貯蔵部は、前記セルとの間の熱流束を計測する熱流束計測部を有し、
前記制御部は、
前記熱流束計測部によって計測された熱流束を用いて、前記セルの温度の変化速度を算出し、
算出した前記セル温度の変化速度を用いて、前記酸素貯蔵部による前記セルへの酸素の供給量、および、電圧調整部による前記セルに印加される電圧値の少なくとも一方を調整する、
SOFC/SOECシステム。
The SOFC/SOEC system according to claim 3 or 4,
The heat storage unit includes a heat flux measurement unit that measures heat flux with the cell,
The control unit includes:
Calculating the rate of change in temperature of the cell using the heat flux measured by the heat flux measurement unit,
adjusting at least one of the amount of oxygen supplied to the cell by the oxygen storage unit and the voltage value applied to the cell by a voltage adjustment unit using the calculated rate of change in the cell temperature;
SOFC/SOEC system.
請求項5に記載のSOFC/SOECシステムであって、
前記制御部は、SOFCモードにおいて算出された前記セル温度の変化速度の絶対値が所定値以上であるとき、前記セルに供給される酸素の流量を増大させる、
SOFC/SOECシステム。
The SOFC/SOEC system according to claim 5,
The control unit increases the flow rate of oxygen supplied to the cell when the absolute value of the rate of change of the cell temperature calculated in the SOFC mode is equal to or higher than a predetermined value.
SOFC/SOEC system.
請求項5または請求項6に記載のSOFC/SOECシステムであって、
前記制御部は、SOECモードにおいて算出された前記セル温度の変化速度の絶対値が所定値以上であるとき、前記セルに印加される電圧を上昇させる、
SOFC/SOECシステム。
The SOFC/SOEC system according to claim 5 or 6,
The control unit increases the voltage applied to the cell when the absolute value of the rate of change of the cell temperature calculated in the SOEC mode is equal to or higher than a predetermined value.
SOFC/SOEC system.
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