JP2005203254A - Solid oxide fuel cell - Google Patents

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Masaharu Yamada
雅治 山田
Takashi Hosoi
敬 細井
Kiichi Komada
紀一 駒田
Shikao Tanaka
愁佳夫 田中
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide fuel cell in which power generation can be continued by using a normal power generation cell even when a failure occurs to either one of the power generation cells and extreme deterioration of power generating performance can be suppressed as the whole fuel cell. <P>SOLUTION: This is the solid oxide fuel cell 1 which is provided with a plurality of serially connected power generation cells 7, supplies fuel gas and oxidizer gas to each of those power generation cells 7 to make it cause power generation reaction. A prescribed numbers of individual power generation cells or serially connected power generation cells are made to be power generation blocks 30, and bypass diodes 25 are connected in parallel with respective power generation blocks 30. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、直列に接続された複数の発電セルを有する固体酸化物型燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell having a plurality of power generation cells connected in series.

周知のように、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）は第三世代の発電用燃料電池として研究開発が進められている。固体酸化物型燃料電池は、一般に、直列に接続された複数の発電セルを備えて構成されている。発電セルは、酸化物イオン伝導体からなる固体電解質を空気極（カソード）と燃料極（アノード）との間に挟んだ積層構造を有し、この発電セルの空気極側には、酸化剤ガスとしての酸素（空気）が供給される一方、燃料極側には、燃料ガス（Ｈ2 、ＣＨ4 等）が供給されるようになっている。空気極と燃料極は、酸素および燃料ガスが固体電解質との界面に到達することができるように、いずれも多孔質とされている（例えば、特許文献１参照）。 As is well known, a solid oxide fuel cell (SOFC) is being researched and developed as a third-generation fuel cell for power generation. A solid oxide fuel cell is generally configured to include a plurality of power generation cells connected in series. The power generation cell has a laminated structure in which a solid electrolyte made of an oxide ion conductor is sandwiched between an air electrode (cathode) and a fuel electrode (anode), and an oxidizing gas is provided on the air electrode side of the power generation cell. On the other hand, fuel gas (H 2 , CH 4, etc.) is supplied to the fuel electrode side. The air electrode and the fuel electrode are both porous so that oxygen and fuel gas can reach the interface with the solid electrolyte (see, for example, Patent Document 1).

上記構成からなる固体酸化物型燃料電池においては、空気極側に供給された酸素が、空気極内の気孔を通って固体電解質との界面近傍に到達し、この部分で、空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極の方向に向かって固体電解質内を拡散移動する。燃料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ2 Ｏ等）を生じ、燃料極に電子を放出する。この電子を燃料極集電体により取り出すことによって電流が流れ、所定の起電力が得られる。 In the solid oxide fuel cell having the above configuration, the oxygen supplied to the air electrode side reaches the vicinity of the interface with the solid electrolyte through the pores in the air electrode, and in this part, electrons are emitted from the air electrode. It is received and ionized to oxide ions (O 2− ). The oxide ions diffusely move in the solid electrolyte toward the fuel electrode. Oxide ions that have reached the vicinity of the interface with the fuel electrode react with the fuel gas at this portion to generate a reaction product (H 2 O or the like), and discharge electrons to the fuel electrode. When these electrons are taken out by the anode current collector, a current flows and a predetermined electromotive force is obtained.

因みに、燃料に水素を用いた場合の電極反応は次のようになる。
空気極： １／２ Ｏ2 ＋ ２ｅ- → Ｏ2-
燃料極： Ｈ2 ＋ Ｏ2- → Ｈ2 Ｏ＋２ｅ-
全体 ： Ｈ2 ＋ １／２ Ｏ2 → Ｈ2 Ｏ
特開２００２−２６０７０７号公報 Incidentally, the electrode reaction when hydrogen is used as the fuel is as follows.
Air electrode: 1/2 O 2 + 2e − → O 2−
Fuel electrode: H 2 + O 2− → H 2 O + 2e −
Overall: H 2 +1/2 O 2 → H 2 O
JP 2002-260707 A

しかしながら、上記従来の固体酸化物型燃料電池においては、各発電セルが直列に接続されているため、発電セルの何れかに故障が生じると、その部分で電流の流れが阻害されて、燃料電池全体として発電効率が著しく低下するという問題点があった。また、発電効率が低下した場合、その原因を追求するために、多くの手間を要するとともに、発電セル側に原因があることが判明した場合においても、故障した発電セルを特定するのに、発電セルを一つ一つ検査しなければならず、その作業に大変な手間と時間がかかるという問題点もあった。   However, in the above conventional solid oxide fuel cell, since the power generation cells are connected in series, if any failure occurs in any of the power generation cells, the current flow is inhibited at that portion, and the fuel cell As a whole, there was a problem that the power generation efficiency was significantly reduced. In addition, when the power generation efficiency is reduced, it takes a lot of time to pursue the cause, and even when it is found that there is a cause on the power generation cell side, Each cell had to be inspected one by one, and there was a problem that it took a lot of work and time.

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、発電セルの何れかに故障が発生した場合においても、正常な発電セルを用いて発電を継続することができ、燃料電池全体としての発電性能が極端に低下するのを抑制することができる固体酸化物型燃料電池を提供することを目的とする。さらに、本発明は、故障した発電セルを容易に特定することができる固体酸化物型燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and even when a failure occurs in any of the power generation cells, power generation can be continued using a normal power generation cell, and the power generation performance as a whole fuel cell can be achieved. An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell capable of suppressing the extreme decrease of the fuel cell. Furthermore, an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell that can easily identify a failed power generation cell.

請求項１に記載の発明は、直列に接続された複数の発電セルを有し、それら発電セルの各々に、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電反応を生じさせる固体酸化物型燃料電池において、個々の発電セルまたは直列に接続された所定数の発電セルを発電ブロックとして、当該発電ブロックの各々に、バイパスダイオードを並列に接続したことを特徴とするものである。   The invention according to claim 1 has a plurality of power generation cells connected in series, and supplies a fuel gas and an oxidant gas to each of the power generation cells to cause a power generation reaction. In the battery, each power generation cell or a predetermined number of power generation cells connected in series is used as a power generation block, and a bypass diode is connected in parallel to each of the power generation blocks.

なお、バイパスダイオードの接続方向は、発電ブロックが正常である場合に逆方向バイアス状態、発電ブロックに異常が生じた場合（発電ブロックを構成する発電セルの何れかにオープンモードの故障が生じた場合）に順方向バイアス状態となるように設定される。   The bypass diode is connected in the reverse bias state when the power generation block is normal. When the power generation block is abnormal (when an open mode failure occurs in any of the power generation cells constituting the power generation block) ) In the forward bias state.

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池において、上記発電ブロックに接続されたバイパスダイオードに電流が流れていることを検知するための電流検知手段と、当該電流検知手段による検知結果に基づいて、上記発電ブロックに異常が発生したことを報知する報知手段とを備えることを特徴とするものである。   According to a second aspect of the present invention, in the solid oxide fuel cell according to the first aspect of the present invention, a current detection means for detecting that a current is flowing through the bypass diode connected to the power generation block, and And a notifying means for notifying that an abnormality has occurred in the power generation block based on a detection result by the current detecting means.

ここで、電流検知手段としては、例えば、バイパスダイオードに抵抗を直列または並列に接続して当該抵抗の両端の電位差を測定することによって、バイパスダイオードに電流が流れていることを電気的に検知するものや、バイパスダイオードの温度変化を検出することによって、バイパスダイオードに電流が流れていることを検知するもの、或いはバイパスダイオードに発光ダイオードを用いて当該発光ダイオードから発せられる光を検知するものなどが挙げられる。
また、報知手段としては、各発電ブロックに対応する表示灯（例えば、発光ダイオードやランプなど）を設け、当該表示灯を点灯または点滅させることによって異常発生を報知するものや、対応する発電ブロックを文字や記号或いは画像等で表示することによって異常発生を報知するもの、或いは警告音（音声を含む。）を出力することによって異常発生を報知するものなどが挙げられる。 Here, as the current detection means, for example, by connecting a resistance to the bypass diode in series or in parallel and measuring a potential difference between both ends of the resistance, it is electrically detected that a current flows through the bypass diode. Detecting the current flowing through the bypass diode by detecting the temperature change of the bypass diode, or detecting the light emitted from the light emitting diode using the light emitting diode as the bypass diode, etc. Can be mentioned.
In addition, as a notification means, an indicator lamp (for example, a light-emitting diode or a lamp) corresponding to each power generation block is provided, and an indicator that notifies the occurrence of an abnormality by lighting or blinking the indicator lamp, or a corresponding power generation block is provided. Examples include those that notify the occurrence of abnormality by displaying characters, symbols, images, etc., or those that notify the occurrence of abnormality by outputting a warning sound (including sound).

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池において、上記発電ブロックに接続されたバイパスダイオードに電流が流れていることを検知するための電流検知手段と、当該電流検知手段による検知結果に基づいて、上記発電ブロックに対する燃料ガスの供給量を制御する制御手段とを備えることを特徴とするものである。   According to a third aspect of the present invention, there is provided the solid oxide fuel cell according to the first aspect, wherein the current detection means for detecting that a current is flowing through the bypass diode connected to the power generation block; Control means for controlling the amount of fuel gas supplied to the power generation block based on the detection result by the current detection means.

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の固体酸化物型燃料電池において、上記制御手段は、上記電流検知手段による検知結果に基づいて上記バイパスダイオードに電流が流れていることを検知した際に、上記発電ブロックの発熱量が一定に維持されるように燃料ガスの供給量を調節することを特徴とするものである。   According to a fourth aspect of the present invention, in the solid oxide fuel cell according to the third aspect, the control means detects that a current flows through the bypass diode based on a detection result by the current detection means. In this case, the supply amount of the fuel gas is adjusted so that the heat generation amount of the power generation block is kept constant.

なお、発電ブロックの発熱量を一定に保つようにするには、正常時の発電ブロックの発熱量と、発電ブロックに供給した燃料ガスがすべて燃焼した場合に得られる発熱量とが一致するように、上記燃料ガスの供給量を調節すればよい。   In order to keep the heat generation amount of the power generation block constant, the heat generation amount of the power generation block at normal time and the heat generation amount obtained when all of the fuel gas supplied to the power generation block burns match. The supply amount of the fuel gas may be adjusted.

請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池において、上記バイパスダイオードに電流が流れていることを検知するための電流検知手段と、当該電流検知手段による検知結果に基づいて上記バイパスダイオードに電流が流れていることを検知した際に、上記バイパスダイオードを冷却する冷却手段とを備えることを特徴とするものである。   According to a fifth aspect of the present invention, in the solid oxide fuel cell according to the first aspect, a current detection means for detecting that a current flows through the bypass diode, and a detection result by the current detection means And a cooling means for cooling the bypass diode when it is detected that a current flows through the bypass diode.

請求項１に記載の発明によれば、発電セルの何れかに故障が発生した際に、その発電セルを含む発電ブロックを迂回して、これに並列接続されたバイパスダイオードに電流が流れることとなるので、発電セルの何れかに故障が発生した場合においても、正常な発電セルを用いて発電を継続することができ、燃料電池全体としての発電性能が極端に低下するのを抑制することができる。   According to the first aspect of the present invention, when a failure occurs in any of the power generation cells, a current flows through a bypass diode connected in parallel to the power generation block including the power generation cell. Therefore, even when a failure occurs in any of the power generation cells, power generation can be continued using a normal power generation cell, and the power generation performance of the fuel cell as a whole can be prevented from being extremely reduced. it can.

請求項２に記載の発明によれば、発電ブロックに異常が発生したときに、その発電ブロックに異常が発生したことを報知するようにしたので、故障した発電セルを容易に特定することができ、故障した発電セルに対する処置を速やかに実施することができる。   According to the second aspect of the present invention, when an abnormality occurs in the power generation block, it is notified that the abnormality has occurred in the power generation block, so that the failed power generation cell can be easily identified. Thus, it is possible to promptly implement a measure for the failed power generation cell.

請求項３に記載の発明によれば、発電ブロックに異常が発生したときに、その発電ブロックに対する燃料ガスの供給量を制御するようにしたので、燃料ガスに無駄が生じるのを極力回避することができる。   According to the third aspect of the present invention, when an abnormality occurs in the power generation block, the supply amount of the fuel gas to the power generation block is controlled, so that it is avoided as much as possible that the fuel gas is wasted. Can do.

請求項４に記載の発明によれば、発電ブロックに異常が発生したときに、その発電ブロックの発熱量が異常発生の前後で変化しないように、その発電ブロックに対する燃料ガスの供給量を調節するようにしたので、燃料電池全体の温度バランスが崩れるのを回避することができ、上記発電ブロックの異常発生後も、発電反応に適した温度条件を維持することができる。   According to the fourth aspect of the present invention, when an abnormality occurs in the power generation block, the amount of fuel gas supplied to the power generation block is adjusted so that the heat generation amount of the power generation block does not change before and after the occurrence of the abnormality. Since it did in this way, it can avoid that the temperature balance of the whole fuel cell collapse | crumbles, and can maintain the temperature conditions suitable for power generation reaction even after abnormality generation | occurrence | production of the said power generation block.

請求項５に記載の発明によれば、バイパスダンパに電流が流れている際に、バイパスダンパを冷却するようにしたので、バイパスダンパの発熱による破損を防止することができる。   According to the fifth aspect of the present invention, since the bypass damper is cooled when current flows through the bypass damper, damage to the bypass damper due to heat generation can be prevented.

図１は、本発明の一実施形態を示すもので、図中符号１は燃料電池（燃料電池モジュールとも呼ばれる）、２は筐体、３は積層方向を縦にして筐体２内に配置された燃料電池スタックである。この燃料電池スタック３は、図２に示すように、固体電解質層４の両面に燃料極層５及び空気極層６を配した発電セル７と、燃料極層５の外側の燃料極集電体８と、空気極層６の外側の空気極集電体９と、各集電体８、９の外側のセパレータ（最上層及び最下層のものは端板である）１０とを順番に積層した構造を持つ。   FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 1 denotes a fuel cell (also referred to as a fuel cell module), 2 denotes a case, and 3 denotes a case in which the stacking direction is vertical. Fuel cell stack. As shown in FIG. 2, the fuel cell stack 3 includes a power generation cell 7 in which a fuel electrode layer 5 and an air electrode layer 6 are disposed on both surfaces of a solid electrolyte layer 4, and a fuel electrode current collector outside the fuel electrode layer 5. 8, an air electrode current collector 9 outside the air electrode layer 6, and a separator 10 outside the current collectors 8, 9 (the uppermost layer and the lowermost layer are end plates) are laminated in order. With structure.

ここで、固体電解質層４はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層５はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層６はＬａＭｎＯ3 、ＬａＣｏＯ3 等で構成され、燃料極集電体８はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体９はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ１０はステンレス等で構成されている。 Here, the solid electrolyte layer 4 is composed of stabilized zirconia (YSZ) or the like to which yttria is added, and the fuel electrode layer 5 is composed of a metal such as Ni or Co or a cermet such as Ni—YSZ or Co—YSZ, and air. The electrode layer 6 is made of LaMnO 3 , LaCoO 3 or the like, the fuel electrode current collector 8 is made of a sponge-like porous sintered metal plate such as a Ni-based alloy, and the air electrode current collector 9 is made of an Ag-based alloy or the like. The separator 10 is made of stainless steel or the like.

また、燃料電池スタック３の側方には、図１および図２に示すように、各セパレータ１０の燃料通路１０ａに接続管１１を通して燃料ガスを供給する燃料用マニホールド１３と、各セパレータ１０の酸化剤通路１０ｂに接続管１２を通して酸化剤ガスとしての空気を供給する酸化剤用マニホールド１４とが、発電セル７の積層方向に延在して設けられている。また、上記マニホールド１３、１４の外周側には、図１に示すように、各マニホールド１３、１４につながる燃料ガス予熱管１５、酸化剤ガス予熱管１６と、各予熱管１５、１６及び燃料電池スタック３を予熱するためのヒータ２０が設けられている。ヒータ２０及び予熱管１５、１６は、燃料電池１の筐体２の内部に収容されており、筐体２内の各予熱管１５、１６に対して、外部の燃料ガス供給管１７、酸化剤ガス供給管１８がそれぞれ接続されている。   Further, on the side of the fuel cell stack 3, as shown in FIGS. 1 and 2, a fuel manifold 13 for supplying fuel gas to the fuel passage 10 a of each separator 10 through the connection pipe 11, and oxidation of each separator 10. An oxidant manifold 14 for supplying air as an oxidant gas through the connecting pipe 12 to the agent passage 10 b is provided extending in the stacking direction of the power generation cells 7. Further, on the outer peripheral side of the manifolds 13 and 14, as shown in FIG. 1, a fuel gas preheating pipe 15, an oxidant gas preheating pipe 16 connected to the manifolds 13 and 14, each preheating pipe 15 and 16, and a fuel cell. A heater 20 for preheating the stack 3 is provided. The heater 20 and the preheating pipes 15 and 16 are accommodated inside the casing 2 of the fuel cell 1, and the external fuel gas supply pipe 17 and the oxidant are connected to the preheating pipes 15 and 16 in the casing 2. Gas supply pipes 18 are connected to each other.

さらに、燃料ガス予熱管１５には、燃料用マニホールド１３に送られる燃料ガスの流量を調整するための燃料ガス流量調整バルブ（図示省略）が設けられ、燃料用マニホールド１３には、各発電ブロック３０（後述）に分配される燃料ガスの流量を調整するための燃料ガス分配バルブ（図示省略）が設けられている。一方、酸化剤ガス予熱管１６には、冷却酸化剤ガス（室温の空気）を導入するための冷却管１９が接続され、この冷却管１９には、冷却酸化剤ガスの流量を調整するための冷却ガス流量調整バルブ１９ａが設けられている。そして、筐体２の下部と上部には、筐体内の排ガスを外部に誘導するための排気管２２ａ、２２ｂが接続されている。   Further, the fuel gas preheating pipe 15 is provided with a fuel gas flow rate adjustment valve (not shown) for adjusting the flow rate of the fuel gas sent to the fuel manifold 13, and each power generation block 30 is provided in the fuel manifold 13. A fuel gas distribution valve (not shown) for adjusting the flow rate of fuel gas distributed to (described later) is provided. On the other hand, a cooling pipe 19 for introducing a cooling oxidant gas (air at room temperature) is connected to the oxidant gas preheating pipe 16, and this cooling pipe 19 is used to adjust the flow rate of the cooling oxidant gas. A cooling gas flow rate adjusting valve 19a is provided. Exhaust pipes 22a and 22b for guiding the exhaust gas in the casing to the outside are connected to the lower and upper portions of the casing 2.

また、この燃料電池１では、発電セル７の外周部にガス漏れ防止シールを敢えて設けないシールレス構造としたことにより、運転時に、セパレータ１０の略中心部から発電セル７に向けて供給する燃料ガス及び酸化剤ガス（空気）を、発電セル７の外周方向に拡散させながら燃料極層５及び空気極層６の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応に消費されなかった残余のガスや発電反応によって生成されたガスを、発電セル７の外周部から外に放出するようになっている。なお、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスは、燃料電池スタック３の周囲で自然発火して緩やかに燃焼するようになっている。   Further, in this fuel cell 1, the fuel that is supplied from the substantially central portion of the separator 10 toward the power generation cell 7 during operation by adopting a sealless structure in which a gas leak prevention seal is not intentionally provided on the outer peripheral portion of the power generation cell 7. While diffusing gas and oxidant gas (air) in the outer peripheral direction of the power generation cell 7, the gas and the oxidant gas (air) are spread over the entire surface of the fuel electrode layer 5 and the air electrode layer 6 with a good distribution to generate a power generation reaction and consumed in the power generation reaction. Residual gas that has not been generated or gas generated by the power generation reaction is discharged from the outer peripheral portion of the power generation cell 7. The remaining fuel gas that has not been used for the power generation reaction is ignited spontaneously around the fuel cell stack 3 and gradually burns.

また、この燃料電池１においては、図３に示すように、直列に接続された所定数（例えば、５枚）の発電セル７を発電ブロック３０として、当該発電ブロック３０の各々に、バイパスダイオード２５が並列に接続されている。バイパスダイオード２５は、そのアノード側に発電ブロック３０の負極（燃料極層５）が、カソード側に発電ブロック３０の正極（空気極層６）がそれぞれ接続されて、発電ブロック３０が正常である場合に逆方向バイアス状態、発電ブロック３０に異常が生じた場合（発電ブロック３０を構成する発電セル７の何れかにオープンモードの故障が生じた場合）に順方向バイアス状態となるように設定されている。また、バイパスダイオード２５はそれぞれ筐体外に設置され、各バイパスダイオード２５の一端側には電流検知回路（電流検知手段）２６が接続されて、各バイパスダイオード２５に電流が流れたときに、その検知信号が図示省略のコントローラ（制御手段）に出力されるようになっている。   In the fuel cell 1, as shown in FIG. 3, a predetermined number (for example, five) of power generation cells 7 connected in series are used as the power generation blocks 30, and each power generation block 30 includes a bypass diode 25. Are connected in parallel. The bypass diode 25 has a normal power generation block 30 in which the anode (fuel electrode layer 5) of the power generation block 30 is connected to the anode side and the positive electrode (air electrode layer 6) of the power generation block 30 is connected to the cathode side. In the reverse bias state, when the power generation block 30 is abnormal (when an open mode failure occurs in any of the power generation cells 7 constituting the power generation block 30), the forward bias state is set. Yes. Each bypass diode 25 is installed outside the casing, and a current detection circuit (current detection means) 26 is connected to one end side of each bypass diode 25. When a current flows through each bypass diode 25, the detection is performed. The signal is output to a controller (control means) (not shown).

コントローラは、ＣＰＵ、ＲＡＭ、入力装置、表示装置、記憶装置等を備えて構成されている。このコントローラは、バイパスダイオード２５からの検知信号を受信した際に、そのバイパスダイオード２５に対応する表示灯（図示省略）を点灯させるなどして発電ブロック３０に異常が発生したことを報知する処理や、燃料ガス流量調整バルブおよび燃料ガス分配バルブを制御して各発電ブロック３０に対する燃料ガスの供給量を調整する処理、並びにバイパスダイオード２５に向けて冷気を吐出することによりバイパスダイオード２５を冷却する処理などを実行するようになっている。   The controller includes a CPU, a RAM, an input device, a display device, a storage device, and the like. When the controller receives a detection signal from the bypass diode 25, the controller turns on an indicator lamp (not shown) corresponding to the bypass diode 25 to notify that an abnormality has occurred in the power generation block 30. , A process for controlling the fuel gas flow rate adjustment valve and the fuel gas distribution valve to adjust the supply amount of the fuel gas to each power generation block 30, and a process for cooling the bypass diode 25 by discharging cool air toward the bypass diode 25 And so on.

上記構成からなる固体酸化物型燃料電池においては、燃料ガス予熱管１５および燃料用マニホールド１３を介してセパレータ１０に導入された燃料ガスが燃料極集電体８に向けて吐出されるとともに、酸化剤ガス予熱管１６および酸化剤用マニホールド１４を介してセパレータ１０に導入された空気が空気極集電体９に向けて吐出され、それらガスが発電セル７の外周方向に拡散しながら燃料極層５及び空気極層６の全面に良好な分布で行き渡ることにより、各電極にて発電反応が生じることとなる。その結果、図３に示すように、発電セル７の積層方向に電流が流れ、所定の起電力が得られる。ここで、すべての発電セル７が正常に作動している際には、バイパスダイオード２５が何れも逆バイアス状態となるので、各バイパスダイオード２５には電流が流れない。   In the solid oxide fuel cell having the above-described configuration, the fuel gas introduced into the separator 10 through the fuel gas preheating pipe 15 and the fuel manifold 13 is discharged toward the fuel electrode current collector 8 and is oxidized. The air introduced into the separator 10 through the agent gas preheating pipe 16 and the oxidant manifold 14 is discharged toward the air electrode current collector 9, and the gas is diffused in the outer peripheral direction of the power generation cell 7 while fuel electrode layer. 5 and the air electrode layer 6 are distributed over the entire surface with a good distribution, so that a power generation reaction occurs at each electrode. As a result, as shown in FIG. 3, a current flows in the stacking direction of the power generation cells 7, and a predetermined electromotive force is obtained. Here, when all the power generation cells 7 are operating normally, the bypass diodes 25 are all in a reverse bias state, so that no current flows through each bypass diode 25.

この状態から、図４に示すように、発電セル７の何れか（例えば、発電セル７Ａ）にオープンモードの故障が発生すると、その発電セル７Ａを含む発電ブロック３０Ａに並列接続されたバイパスダイオード２５Ａが順バイアス状態となって、当該バイパスダイオード２５Ａに電流が流れることとなる。その結果、上記バイパスダイオード２５Ａに対応する電流検知回路２６Ａからコントローラに電流の検知信号が出力され、この検知信号に基づいて、コントローラが、上記発電ブロック３０Ａに対応する表示灯を点灯させるなどして上記発電ブロック３０Ａに異常が発生したことを報知する処理や、上記バイパスダイオード２５Ａに向けて冷気を吐出させることにより上記バイパスダイオード２５Ａを冷却する処理などを行う。さらに、コントローラが、燃料ガス流量調整バルブおよび燃料ガス分配バルブを制御して、上記発電ブロック３０Ａに対する燃料ガスの供給量を通常運転時よりも減少させる（例えば、通常運転時の約１／２とする）ことにより、正常時の発電ブロック３０Ａの発熱量と、発電ブロック３０Ａに供給した燃料ガスがすべて燃焼した場合に得られる発熱量とが一致するように、上記燃料ガスの供給量を調節する処理を行う。   From this state, as shown in FIG. 4, when an open mode failure occurs in any one of the power generation cells 7 (for example, the power generation cell 7A), the bypass diode 25A connected in parallel to the power generation block 30A including the power generation cell 7A. Becomes a forward bias state, and a current flows through the bypass diode 25A. As a result, a current detection signal is output from the current detection circuit 26A corresponding to the bypass diode 25A to the controller, and the controller lights the indicator lamp corresponding to the power generation block 30A based on the detection signal. A process for notifying that an abnormality has occurred in the power generation block 30A, a process for cooling the bypass diode 25A by discharging cool air toward the bypass diode 25A, and the like are performed. Further, the controller controls the fuel gas flow rate adjustment valve and the fuel gas distribution valve to reduce the amount of fuel gas supplied to the power generation block 30A from that during normal operation (for example, about 1/2 of that during normal operation). The amount of fuel gas supplied is adjusted so that the amount of heat generated by the power generation block 30A during normal operation matches the amount of heat generated when all of the fuel gas supplied to the power generation block 30A is combusted. Process.

以上のように、本実施形態によれば、発電セル７の何れか（発電セル７Ａ）に故障が発生した際に、その発電セル７Ａを含む発電ブロック３０Ａを迂回して、これに並列接続されたバイパスダイオード２５Ａに電流が流れることとなるので、発電セル７の何れかに故障が発生した場合においても、正常な発電セル７を用いて発電を継続することができ、燃料電池全体としての発電性能が極端に低下するのを抑制することができる。   As described above, according to this embodiment, when a failure occurs in any of the power generation cells 7 (power generation cell 7A), the power generation block 30A including the power generation cell 7A is bypassed and connected in parallel therewith. Therefore, even if a failure occurs in any of the power generation cells 7, power generation can be continued using the normal power generation cell 7, and power generation as a whole fuel cell can be achieved. It can suppress that performance falls extremely.

しかも、その際には、上記発電ブロック３０Ａに対応する表示灯を点灯させるなどして異常発生を報知するようにしたので、故障した発電セル７Ａを容易に特定することができ、故障した発電セル７Ａに対する処置を速やかに実施することができる。また、上記バイパスダンパ２５Ａを冷却するようにしたので、バイパスダンパ２５Ａの発熱による破損を防止することができる。   In addition, in that case, since the abnormality occurrence is notified by turning on the indicator lamp corresponding to the power generation block 30A, the failed power generation cell 7A can be easily identified, and the failed power generation cell Treatment for 7A can be performed promptly. Further, since the bypass damper 25A is cooled, it is possible to prevent the bypass damper 25A from being damaged due to heat generation.

さらに、上記発電ブロック３０Ａに対する燃料ガスの供給量を制御するようにしたので、燃料ガスに無駄が生じるのを極力回避することができる。この実施形態では、上記発電ブロック３０Ａの発熱量が異常発生の前後で変化しないように、上記発電ブロック３０Ａに対する燃料ガスの供給量を調節するようにしたので、燃料電池全体の温度バランスが崩れるのを回避することができ、上記発電ブロック３０Ａの異常発生後も、発電反応に適した温度条件を維持することができる。   Furthermore, since the supply amount of the fuel gas to the power generation block 30A is controlled, it is possible to avoid the waste of the fuel gas as much as possible. In this embodiment, since the amount of fuel gas supplied to the power generation block 30A is adjusted so that the amount of heat generated by the power generation block 30A does not change before and after the occurrence of an abnormality, the temperature balance of the entire fuel cell is disrupted. The temperature condition suitable for the power generation reaction can be maintained even after the occurrence of the abnormality in the power generation block 30A.

なお、本実施形態においては、直列に接続された所定数（例えば、５枚）の発電セル７を発電ブロック３０として、当該発電ブロック３０の各々に、バイパスダイオード２５を並列に接続するようにしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、個々の発電セル７を発電ブロックとして、発電セル７の各々に、バイパスダイオード２５を並列に接続するようにしてもよい。また、筐体内に複数の燃料電池スタック３を設置する場合には、燃料電池スタック３を発電ブロックとして、燃料電池スタック３の各々に、バイパスダイオード２５を並列に接続するようにしてもよい。   In the present embodiment, a predetermined number (for example, five) of power generation cells 7 connected in series are used as the power generation block 30, and the bypass diode 25 is connected in parallel to each of the power generation blocks 30. However, the present invention is not limited to this. For example, the individual power generation cells 7 may be used as power generation blocks, and the bypass diodes 25 may be connected in parallel to each of the power generation cells 7. When a plurality of fuel cell stacks 3 are installed in the casing, the fuel cell stack 3 may be used as a power generation block, and a bypass diode 25 may be connected to each of the fuel cell stacks 3 in parallel.

本発明に係る固体酸化物型燃料電池の一実施形態を示す概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a solid oxide fuel cell according to the present invention. 図１の燃料電池スタックを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the fuel cell stack of FIG. 図１の固体酸化物型燃料電池の回路図で、正常時の状態を示している。FIG. 2 is a circuit diagram of the solid oxide fuel cell of FIG. 1 showing a normal state. 図１の固体酸化物型燃料電池の回路図で、異常時の状態を示している。FIG. 2 is a circuit diagram of the solid oxide fuel cell of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１ 固体酸化物型燃料電池
７ 発電セル
２５ バイパスダイオード
２６ 電流検出回路（電流検出手段）
３０ 発電ブロック DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid oxide fuel cell 7 Power generation cell 25 Bypass diode 26 Current detection circuit (current detection means)
30 Power generation block

Claims (5)

直列に接続された複数の発電セルを有し、それら発電セルの各々に、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電反応を生じさせる固体酸化物型燃料電池において、個々の発電セルまたは直列に接続された所定数の発電セルを発電ブロックとして、当該発電ブロックの各々に、バイパスダイオードを並列に接続したことを特徴とする固体酸化物型燃料電池。   A solid oxide fuel cell having a plurality of power generation cells connected in series and supplying a fuel gas and an oxidant gas to each of the power generation cells to generate a power generation reaction. A solid oxide fuel cell comprising a predetermined number of power generation cells connected to the power generation block and a bypass diode connected in parallel to each of the power generation blocks. 上記発電ブロックに接続されたバイパスダイオードに電流が流れていることを検知するための電流検知手段と、当該電流検知手段による検知結果に基づいて、上記発電ブロックに異常が発生したことを報知する報知手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池。   Current detection means for detecting that a current is flowing through the bypass diode connected to the power generation block, and a notification for notifying that an abnormality has occurred in the power generation block based on a detection result by the current detection means The solid oxide fuel cell according to claim 1, further comprising: means. 上記発電ブロックに接続されたバイパスダイオードに電流が流れていることを検知するための電流検知手段と、当該電流検知手段による検知結果に基づいて、上記発電ブロックに対する燃料ガスの供給量を制御する制御手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池。   Current detection means for detecting that current is flowing through the bypass diode connected to the power generation block, and control for controlling the amount of fuel gas supplied to the power generation block based on the detection result by the current detection means The solid oxide fuel cell according to claim 1, further comprising: means. 上記制御手段は、上記電流検知手段による検知結果に基づいて上記バイパスダイオードに電流が流れていることを検知した際に、上記発電ブロックの発熱量が一定に維持されるように燃料ガスの供給量を調節することを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物型燃料電池。   When the control means detects that a current is flowing through the bypass diode based on the detection result by the current detection means, the supply amount of the fuel gas so that the heat generation amount of the power generation block is kept constant. The solid oxide fuel cell according to claim 3, wherein the solid oxide fuel cell is adjusted. 上記バイパスダイオードに電流が流れていることを検知するための電流検知手段と、当該電流検知手段による検知結果に基づいて上記バイパスダイオードに電流が流れていることを検知した際に、上記バイパスダイオードを冷却する冷却手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池。   A current detecting means for detecting that a current is flowing in the bypass diode; and when detecting that a current is flowing in the bypass diode based on a detection result by the current detecting means, the bypass diode is The solid oxide fuel cell according to claim 1, further comprising cooling means for cooling.
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