JP2012142191A - Solid oxide fuel battery operating state monitoring method and solid oxide fuel battery - Google Patents

Solid oxide fuel battery operating state monitoring method and solid oxide fuel battery Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for monitoring the operating state of a solid oxide fuel battery based on a simple technique.SOLUTION: Following means are included: first cell monitoring voltage measurement means 300A which measures a first cell monitoring voltage (E) of fuel battery cells adjacent to or in proximity to each other on a fuel outlet side of a cell tube 202A; first oxygen partial pressure calculation means 301A which calculates oxygen partial pressure in fuel from a measured first cell monitoring voltage by using the relationship between a first cell monitoring voltage and oxygen partial pressure at a prescribed temperature calculated in advance; and first determination means 302A which compares the oxygen partial pressure and a prescribed threshold value to determine whether there is a possibility of the fuel battery cell being damaged.

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法及び固体酸化物形燃料電池に関する。   The present invention relates to a method for monitoring the operating state of a solid oxide fuel cell and a solid oxide fuel cell.

固体酸化物型燃料電池(SOFC)は、炭化水素や含酸素炭化水素を水蒸気と反応させて改質した燃料ガスと酸素とが電気化学的反応をすることによって発電する燃料電池である。この発電時には、水が生成される。   A solid oxide fuel cell (SOFC) is a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas reformed by reacting a hydrocarbon or oxygen-containing hydrocarbon with water vapor and oxygen. During this power generation, water is generated.

固体酸化物型燃料電池の一態様として円筒形の固体酸化物型燃料電池が知られている。この円筒形の固体酸化物型燃料電池は、筒形状をなす基体管の外周面に、燃料極、固体酸化物の電解質、空気極を積層して発電素子を形成し、この発電素子を基体管の軸方向に複数配置し、複数の発電素子をインターコネクタにより直列に接続して構成される。   A cylindrical solid oxide fuel cell is known as one embodiment of the solid oxide fuel cell. In this cylindrical solid oxide fuel cell, a power generation element is formed by laminating a fuel electrode, a solid oxide electrolyte, and an air electrode on the outer peripheral surface of a cylindrical base tube. A plurality of power generating elements are connected in series by an interconnector.

従って、基体管内に燃料ガスが供給され、空気極に酸素が供給されると、空気極に供給された酸素は、イオン化されて電解質膜を透過し、燃料極に達する。そして、燃料極に達した酸素と燃料ガスとの電気化学的反応により、燃料極と空気極との間に電位差が発生し、この発生した電位差を外部に取り出すことで発電が行われる。   Therefore, when fuel gas is supplied into the base tube and oxygen is supplied to the air electrode, the oxygen supplied to the air electrode is ionized and permeates the electrolyte membrane and reaches the fuel electrode. A potential difference is generated between the fuel electrode and the air electrode due to an electrochemical reaction between oxygen and fuel gas that has reached the fuel electrode, and electricity is generated by taking out the generated potential difference to the outside.

従来の固体酸化物形燃料電池システムの運転の電圧監視方法として、サブモジュール全体もしくはカートリッジ(例えば約100本のセル)の全体電圧を監視する方法が知られている(特許文献1、2)。
また、ガス流速の遅い箇所の電圧を計測して特定部位の劣化を判断することの提案がある(特許文献3)。
As a voltage monitoring method for operation of a conventional solid oxide fuel cell system, a method of monitoring the entire voltage of the entire submodule or cartridge (for example, about 100 cells) is known (Patent Documents 1 and 2).
There is also a proposal to determine the deterioration of a specific part by measuring the voltage at a part where the gas flow rate is slow (Patent Document 3).

特開平11−195423号公報JP-A-11-195423 特開2007−87686号公報JP 2007-87686 A 特開2010−27580号公報JP 2010-27580 A

ところで、燃料中の酸素分圧が高くなり燃料極の構成材料の金属Niが酸化されるとセルが損傷するおそれがあるため、燃料中の酸素分圧を監視する必要がある。
一方、空気中の酸素分圧が低くなり空気極の構成材料(例えばLaSrCaMnO3)が還元分解するとセルが損傷するおそれがあるため、空気中の酸素分圧を監視する必要がある。
一方、セルスタック全体の電圧だけの計測では上述したセルの損傷等の異常判定ができない。
By the way, if the oxygen partial pressure in the fuel becomes high and the metal Ni constituting the fuel electrode is oxidized, the cell may be damaged. Therefore, it is necessary to monitor the oxygen partial pressure in the fuel.
On the other hand, if the oxygen partial pressure in the air is reduced and the constituent material of the air electrode (for example, LaSrCaMnO 3 ) is reduced and decomposed, the cell may be damaged. Therefore, it is necessary to monitor the oxygen partial pressure in the air.
On the other hand, the above-mentioned abnormality determination such as cell damage cannot be made by measuring only the voltage of the entire cell stack.

本発明は、前記問題に鑑み、簡易な手法による固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法及び固体酸化物形燃料電池を提供することを課題とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a method for monitoring the operating state of a solid oxide fuel cell and a solid oxide fuel cell by a simple method.

上述した課題を解決するための本発明の第1の発明は、筒形状をなす基体管と、燃料極と電解質と空気極とが積層されて成ると共に前記基体管の外表面軸方向に沿って複数配置される燃料電池セルと、隣り合う該燃料電池セルを直列に接続するインターコネクタとを備えるセルチューブを有する固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法において、前記セルチューブの燃料出口側の隣接又は近接する前記燃料電池セル同士の第1のセル監視電圧を計測する工程と、該第1のセル監視電圧から燃料中の酸素分圧を求める工程と、求められた該酸素分圧と所定の閾値とを比較する工程とを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法にある。   A first invention of the present invention for solving the above-mentioned problem is that a base tube having a cylindrical shape, a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode are laminated, and along the outer surface axial direction of the base tube. In the method of monitoring the operating state of a solid oxide fuel cell having a cell tube comprising a plurality of arranged fuel cells and an interconnector for connecting adjacent fuel cells in series, the fuel outlet side of the cell tube Measuring a first cell monitoring voltage between the fuel cells adjacent to or adjacent to each other, a step of obtaining an oxygen partial pressure in the fuel from the first cell monitoring voltage, and the obtained oxygen partial pressure And a method of monitoring the operating state of the solid oxide fuel cell, comprising the step of comparing with a predetermined threshold value.

第2の発明は、第1の発明に記載の固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法において、予め求めた所定の温度における第1のセル監視電圧と酸素分圧との関係を用いて、前記燃料中の酸素分圧を求める工程を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法にある。   According to a second invention, in the method for monitoring the operating state of the solid oxide fuel cell according to the first invention, the relationship between the first cell monitoring voltage and the oxygen partial pressure at a predetermined temperature obtained in advance is used. The method for monitoring the operating state of a solid oxide fuel cell, comprising the step of determining the partial pressure of oxygen in the fuel.

第3の発明は、第1の発明に記載の固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法において、前記第1のセル監視電圧を計測すると共に、前記燃料電池セル外表面の温度を計測する工程と、前記第1のセル監視電圧から平衡起電力を算出し、前記燃料中の酸素分圧を求める工程とを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法にある。   According to a third aspect of the present invention, in the method for monitoring an operating state of the solid oxide fuel cell according to the first aspect, the first cell monitoring voltage is measured and the temperature of the outer surface of the fuel cell is measured. And a step of calculating an equilibrium electromotive force from the first cell monitoring voltage and obtaining an oxygen partial pressure in the fuel. .

第4の発明は、筒形状をなす基体管と、燃料極と電解質と空気極とが積層されて成ると共に前記基体管の外表面軸方向に沿って複数配置される燃料電池セルと、隣り合う該燃料電池セルを直列に接続するインターコネクタとを備えるセルチューブを有する固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法において、前記セルチューブの燃料出口側の前記インターコネクタと前記電解質との第2のセル監視電圧を計測する工程と、該第2のセル監視電圧から燃料中の酸素分圧を求める工程と、求められた該酸素分圧と所定の閾値とを比較する工程とを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法にある。   According to a fourth aspect of the present invention, a cylindrical base tube, a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode are laminated, and a plurality of fuel cells arranged along the outer surface axial direction of the base tube are adjacent to each other. In the method of monitoring the operating state of a solid oxide fuel cell having a cell tube comprising an interconnector for connecting the fuel cells in series, a second of the interconnector on the fuel outlet side of the cell tube and the electrolyte Measuring the cell monitoring voltage of the fuel cell, determining the partial pressure of oxygen in the fuel from the second cell monitoring voltage, and comparing the determined partial pressure of oxygen with a predetermined threshold value. The feature is a method for monitoring the operating state of a solid oxide fuel cell.

第5の発明は、第4の発明に記載の固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法において、予め求めた所定の温度における第2のセル監視電圧と酸素分圧との関係を用いて、前記燃料中の酸素分圧を求める工程を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法にある。   According to a fifth aspect of the present invention, in the method for monitoring the operating state of the solid oxide fuel cell according to the fourth aspect, the relationship between the second cell monitoring voltage and the oxygen partial pressure at a predetermined temperature obtained in advance is used. The method for monitoring the operating state of a solid oxide fuel cell, comprising the step of determining the partial pressure of oxygen in the fuel.

第6の発明は、第5の発明に記載の固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法において、前記第2のセル監視電圧を計測すると共に、前記燃料電池セル外表面の温度を計測する工程と、前記第2のセル監視電圧から平衡起電力を算出し、前記燃料中の酸素分圧を求める工程とを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法にある。   According to a sixth aspect of the present invention, in the method for monitoring the operating state of the solid oxide fuel cell according to the fifth aspect, the second cell monitoring voltage is measured and the temperature of the outer surface of the fuel cell is measured. And a step of calculating an equilibrium electromotive force from the second cell monitoring voltage and obtaining an oxygen partial pressure in the fuel. .

第7の発明は、筒形状をなす基体管と、燃料極と電解質と空気極とが積層されて成ると共に前記基体管の外表面軸方向に沿って複数配置される燃料電池セルと、隣り合う該燃料電池セルを直列に接続するインターコネクタとを備えるセルチューブを有する固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法において、前記セルチューブの空気出口側の隣接又は近接する前記燃料電池セル同士の第3のセル監視電圧を計測する工程と、該第3のセル監視電圧から空気中の酸素分圧を求める工程と、求められた該酸素分圧と所定の閾値とを比較する工程とを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法にある。   In a seventh aspect of the present invention, a cylindrical base tube, a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode are laminated, and a plurality of fuel cells arranged along the outer surface axial direction of the base tube are adjacent to each other. In the method for monitoring the operating state of a solid oxide fuel cell having a cell tube having an interconnector for connecting the fuel cells in series, the fuel cells adjacent to or adjacent to each other on the air outlet side of the cell tube A step of measuring a third cell monitoring voltage; a step of obtaining an oxygen partial pressure in the air from the third cell monitoring voltage; and a step of comparing the obtained oxygen partial pressure with a predetermined threshold value. This is a method for monitoring the operating state of a solid oxide fuel cell.

第8の発明は、第7の発明に記載の固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法において、予め求めた所定の温度における第3のセル監視電圧と酸素分圧との関係を用いて、前記燃料中の酸素分圧を求める工程を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法にある。   According to an eighth aspect of the present invention, in the method for monitoring the operating state of the solid oxide fuel cell according to the seventh aspect, the relationship between the third cell monitoring voltage and the oxygen partial pressure at a predetermined temperature obtained in advance is used. The method for monitoring the operating state of a solid oxide fuel cell, comprising the step of determining the partial pressure of oxygen in the fuel.

第9の発明は、第8の発明に記載の固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法において、前記第3のセル監視電圧を計測すると共に、前記燃料電池セル外表面の温度を計測する工程と、前記第3のセル監視電圧から平衡起電力を算出し、前記空気中の酸素分圧を求める工程とを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法にある。   A ninth invention is the method for monitoring the operating state of the solid oxide fuel cell according to the eighth invention, wherein the third cell monitoring voltage is measured and the temperature of the outer surface of the fuel cell is measured. And a step of calculating an equilibrium electromotive force from the third cell monitoring voltage and obtaining a partial pressure of oxygen in the air. .

第10の発明は、筒形状をなす基体管と、燃料極と電解質と空気極とが積層されて成ると共に前記基体管の外表面軸方向に沿って複数配置される燃料電池セルと、隣り合う該燃料電池セルを直列に接続するインターコネクタとを備えるセルチューブを有する固体酸化物形燃料電池において、前記セルチューブの燃料出口側の隣接又は近接する前記燃料電池セル同士の第1のセル監視電圧を計測するセル監視電圧計測手段と、予め求めた所定の温度における第1のセル監視電圧と酸素分圧との関係を用いて、前記計測した第1のセル監視電圧から燃料中の酸素分圧を求める酸素分圧算出手段と、該酸素分圧と所定の閾値とを比較して、前記燃料電池セルの損傷の可能性の有無を判定する判定手段とを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池にある。   In a tenth aspect of the invention, a cylindrical base tube, a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode are stacked, and a plurality of fuel cells arranged along the outer surface axial direction of the base tube are adjacent to each other. In a solid oxide fuel cell having a cell tube comprising an interconnector for connecting the fuel cells in series, a first cell monitoring voltage between the fuel cells adjacent to or adjacent to each other on the fuel outlet side of the cell tube Using the cell monitoring voltage measuring means for measuring the relationship between the first cell monitoring voltage and the oxygen partial pressure at a predetermined temperature obtained in advance, the oxygen partial pressure in the fuel from the measured first cell monitoring voltage A solid oxide comprising: an oxygen partial pressure calculating means for determining the fuel cell; and a determination means for comparing the oxygen partial pressure with a predetermined threshold to determine whether or not the fuel cell is likely to be damaged Fuel cell Located in.

第11の発明は、筒形状をなす基体管と、燃料極と電解質と空気極とが積層されて成ると共に前記基体管の外表面軸方向に沿って複数配置される燃料電池セルと、隣り合う該燃料電池セルを直列に接続するインターコネクタとを備えるセルチューブを有する固体酸化物形燃料電池において、前記セルチューブの燃料出口側の前記インターコネクタと前記電解質との第2のセル監視電圧を計測するセル監視電圧計測手段と、予め求めた所定の温度における第2のセル監視電圧と酸素分圧との関係を用いて、前記計測した第2のセル監視電圧から燃料中の酸素分圧を求める酸素分圧算出手段と、該酸素分圧と所定の閾値とを比較して、前記燃料電池セルの損傷の可能性の有無を判定する判定手段とを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池にある。   In an eleventh aspect of the present invention, a cylindrical base tube, a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode are stacked, and a plurality of fuel cells arranged along the outer surface axial direction of the base tube are adjacent to each other. In a solid oxide fuel cell having a cell tube provided with an interconnector for connecting the fuel cells in series, a second cell monitoring voltage between the interconnector and the electrolyte on the fuel outlet side of the cell tube is measured The oxygen partial pressure in the fuel is obtained from the measured second cell monitoring voltage using the cell monitoring voltage measuring means for measuring and the relationship between the second cell monitoring voltage and the oxygen partial pressure at a predetermined temperature obtained in advance. Solid oxide fuel characterized by comprising: oxygen partial pressure calculating means; and determining means for comparing the oxygen partial pressure with a predetermined threshold to determine whether or not the fuel cell is likely to be damaged battery A.

第12の発明は、筒形状をなす基体管と、燃料極と電解質と空気極とが積層されて成ると共に前記基体管の外表面軸方向に沿って複数配置される燃料電池セルと、隣り合う該燃料電池セルを直列に接続するインターコネクタとを備えるセルチューブを有する固体酸化物形燃料電池において、前記セルチューブの空気出口側の隣接又は近接する前記燃料電池セル同士の第3のセル監視電圧を計測するセル監視電圧計測手段と、予め求めた所定の温度における第3のセル監視電圧と酸素分圧との関係を用いて、前記計測した第3のセル監視電圧から燃料中の酸素分圧を求める酸素分圧算出手段と、該酸素分圧と所定の閾値とを比較して、前記燃料電池セルの損傷の可能性の有無を判定する判定手段とを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池にある。   In a twelfth aspect of the present invention, a cylindrical base tube, a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode are stacked, and a plurality of fuel cells arranged along the outer surface axial direction of the base tube are adjacent to each other. In a solid oxide fuel cell having a cell tube comprising an interconnector for connecting the fuel cells in series, a third cell monitoring voltage between the fuel cells adjacent to or adjacent to each other on the air outlet side of the cell tube Using the cell monitoring voltage measuring means for measuring the relationship between the third cell monitoring voltage and the oxygen partial pressure at a predetermined temperature determined in advance, the oxygen partial pressure in the fuel is determined from the measured third cell monitoring voltage. A solid oxide comprising: an oxygen partial pressure calculating means for determining the fuel cell; and a determination means for comparing the oxygen partial pressure with a predetermined threshold to determine whether or not the fuel cell is likely to be damaged Fuel cell Located in.

本発明によれば、燃料出口セルの電圧を監視することで、燃料中の酸素濃度を監視することができるため、運転状態変化によるセル損傷を回避することができる。   According to the present invention, since the oxygen concentration in the fuel can be monitored by monitoring the voltage of the fuel outlet cell, cell damage due to a change in the operating state can be avoided.

図1−1は、1本のセルチューブの概略図である。FIG. 1-1 is a schematic view of one cell tube. 図1−2は、第1の監視手段を有する固体酸化物形燃料電池のセルチューブの概略図である。FIG. 1-2 is a schematic view of a cell tube of a solid oxide fuel cell having first monitoring means. 図1−3は、第2の監視手段を有する固体酸化物形燃料電池のセルチューブの概略図である。FIG. 1-3 is a schematic view of a cell tube of a solid oxide fuel cell having a second monitoring means. 図1−4は、第3の監視手段を有する固体酸化物形燃料電池のセルチューブの概略図である。1-4 is a schematic view of a cell tube of a solid oxide fuel cell having a third monitoring means. 図2−1は、燃料出口側のセル同士のセル電圧を計測する図である。FIG. 2-1 is a diagram for measuring a cell voltage between cells on the fuel outlet side. 図2−2は、図2−1に対応する回路である。FIG. 2B is a circuit corresponding to FIG. 図3は、セルの電気抵抗を示す概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing the electric resistance of the cell. 図4は、電流密度と電圧との関係図である。FIG. 4 is a relationship diagram between current density and voltage. 図5は、酸素分圧と平衡起電力との関係図である。FIG. 5 is a relationship diagram between the oxygen partial pressure and the equilibrium electromotive force. 図6は、セル監視電圧と酸素濃度との関係図である。FIG. 6 is a relationship diagram between the cell monitoring voltage and the oxygen concentration. 図7は、セルスタックの燃料入口側(セルNo.1)から出口側(セルNo.48)における酸素分圧の計測結果を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the measurement result of the oxygen partial pressure from the fuel inlet side (cell No. 1) to the outlet side (cell No. 48) of the cell stack. 図8−1は、燃料出口側のインターコネクタと固体電解質同士のセル電圧を計測する図である。FIG. 8-1 is a diagram for measuring the cell voltage between the interconnector on the fuel outlet side and the solid electrolyte. 図8−2は、図8−1に対応する回路である。FIG. 8B is a circuit corresponding to FIG. 図9は、酸素分圧と平衡起電力との関係図である。FIG. 9 is a relationship diagram between the oxygen partial pressure and the equilibrium electromotive force. 図10−1は、空気出口側のセル同士のセル電圧を計測する図である。FIG. 10A is a diagram of measuring a cell voltage between cells on the air outlet side. 図10−2は、図10−1に対応する回路である。FIG. 10B is a circuit corresponding to FIG. 図11は、本実施例に係る燃料電池を表す概略構成図である。FIG. 11 is a schematic configuration diagram illustrating a fuel cell according to the present embodiment. 図12は、燃料電池モジュールを表す概略構成図である。FIG. 12 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell module.

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments. In addition, constituent elements in the following embodiments include those that can be easily assumed by those skilled in the art or those that are substantially the same.

本発明による実施例に係る燃料電池の運転監視方法について、図面を参照して説明する。図11は、本実施例に係る燃料電池を表す概略構成図である。図12は、燃料電池モジュールを表す概略構成図である。   A fuel cell operation monitoring method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 11 is a schematic configuration diagram illustrating a fuel cell according to the present embodiment. FIG. 12 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell module.

本実施例の燃料電池モジュール200は、図12に示すように、ケーシング201と、略円筒状に形成された複数のセルチューブ(又は「セルスタック」ともいう)202と、セルチューブ202の両端を支持する上下の管板(第1仕切り部材)203a,203bと、これら上下の管板203a,203bの間に配置された上下の断熱体204a,204bとから構成されている。   As shown in FIG. 12, the fuel cell module 200 of the present embodiment includes a casing 201, a plurality of cell tubes (or “cell stacks”) 202 formed in a substantially cylindrical shape, and both ends of the cell tubes 202. The upper and lower tube plates (first partition members) 203a and 203b to be supported and upper and lower heat insulators 204a and 204b disposed between the upper and lower tube plates 203a and 203b are configured.

上下の断熱体204a,204bに挟まれた空間には、発電室205が形成されている。ケーシング201と上管板203aとの間には、燃料供給室206が形成されている。ケーシング201と下管板203bとの間には、燃料排出室207が形成されている。下管板203bと下断熱体204bとの間には、空気供給室208が形成されている。上管板203aと上断熱体204aとの間には、空気排出室209が形成されている。   A power generation chamber 205 is formed in a space between the upper and lower heat insulators 204a and 204b. A fuel supply chamber 206 is formed between the casing 201 and the upper tube plate 203a. A fuel discharge chamber 207 is formed between the casing 201 and the lower tube plate 203b. An air supply chamber 208 is formed between the lower tube sheet 203b and the lower heat insulator 204b. An air discharge chamber 209 is formed between the upper tube sheet 203a and the upper heat insulator 204a.

上管板203aは、ケーシング201の長手方向(図12の上下方向)の一方(上側)に配置された板状の部材であり、下管板203bは、ケーシング201の長手方向の他方(下側)に配置された板状の部材である。セルチューブ202は、多孔質セラミックスから形成された略円筒状の管であり、長手方向(図12の上下方向)における中央部に発電を行なう複数の燃料電池セル210が設けられている。セルチューブ202は、一方の開口端が燃料供給室206に開口し、他方の開口端が燃料排出室207に開口するように、上下の管板203a,203bに支持されている。また、セルチューブ202は、燃料電池セル(発電素子)210が発電室205内にのみ位置するように配置されている。   The upper tube plate 203a is a plate-like member disposed on one side (upper side) of the casing 201 in the longitudinal direction (vertical direction in FIG. 12), and the lower tube plate 203b is the other side (lower side) of the casing 201 in the longitudinal direction. ) Is a plate-shaped member. The cell tube 202 is a substantially cylindrical tube formed of porous ceramics, and is provided with a plurality of fuel cells 210 that generate power at the center in the longitudinal direction (vertical direction in FIG. 12). The cell tube 202 is supported by the upper and lower tube plates 203a and 203b so that one open end opens into the fuel supply chamber 206 and the other open end opens into the fuel discharge chamber 207. Further, the cell tube 202 is arranged so that the fuel battery cell (power generation element) 210 is located only in the power generation chamber 205.

上断熱体204aは、ケーシング201の長手方向の一方(上側)に配置され、断熱材料を用いてブランケット状あるいはボード状などに形成された部材である。下断熱材204bは、ケーシング201の長手方向の他方(下側)に配置され、断熱材料を用いてブランケット状あるいはボード状などに形成された部材である。各断熱体204a,204bには、セルチューブ202が挿通される孔211a,211bが形成され、孔211a,211bの直径はセルチューブ202の直径よりも大きく形成されている。   The upper heat insulator 204a is a member that is disposed on one side (upper side) of the casing 201 in the longitudinal direction and is formed into a blanket shape or a board shape using a heat insulating material. The lower heat insulating material 204b is a member that is disposed on the other side (lower side) of the casing 201 in the longitudinal direction and formed in a blanket shape or a board shape using a heat insulating material. The heat insulators 204a and 204b are formed with holes 211a and 211b through which the cell tube 202 is inserted. The diameters of the holes 211a and 211b are larger than the diameter of the cell tube 202.

なお、孔211a,211bの内周面は、略円筒状に形成されていてもよいし、螺旋状または直線状の凹部(溝)または凸部(畝状突起)が形成されていてもよく、特に限定するものではない。このような構成にすることで、セルチューブ202と孔211a,211bとの間を通って発電室205に流入する空気に、下断熱体204bの熱が伝達されやすくなり、発電室205の温度を高温に保ちやすくすることができる。   The inner peripheral surfaces of the holes 211a and 211b may be formed in a substantially cylindrical shape, or may be formed with a spiral or linear concave portion (groove) or convex portion (a ridge-like projection), There is no particular limitation. With such a configuration, the heat of the lower heat insulator 204b is easily transferred to the air flowing into the power generation chamber 205 through the space between the cell tube 202 and the holes 211a and 211b, and the temperature of the power generation chamber 205 is reduced. It can be easily maintained at a high temperature.

ここで、上記構成からなる燃料電池モジュール200の動作の概要を、図12を用いて説明する。   Here, the outline | summary of operation | movement of the fuel cell module 200 which consists of the said structure is demonstrated using FIG.

燃料電池モジュール200の空気供給室208には空気が流入する。該空気は下断熱材204bの孔211bとセルチューブ202との隙間を通って、発電室205内に供給される。一方、燃料供給室206には燃料ガスが流入する。該燃料ガスはセルチューブ202の基体管の内部を通って発電室205内に供給される。空気と燃料ガスとは、燃料電池セル210において発電に利用される。その後空気は空気排出室209に流入し、燃料は燃料排出室207に流入し、それぞれ燃料電池モジュール200の外部に排出される。   Air flows into the air supply chamber 208 of the fuel cell module 200. The air is supplied into the power generation chamber 205 through a gap between the hole 211 b of the lower heat insulating material 204 b and the cell tube 202. On the other hand, fuel gas flows into the fuel supply chamber 206. The fuel gas is supplied into the power generation chamber 205 through the inside of the base tube of the cell tube 202. Air and fuel gas are used for power generation in the fuel battery cell 210. Thereafter, air flows into the air discharge chamber 209, and fuel flows into the fuel discharge chamber 207, and is discharged to the outside of the fuel cell module 200, respectively.

この時、空気と燃料ガスとは、セルチューブ202の内面または外面を互いに逆向きに流れている。このことにより、発電に利用され高温となった燃料ガスおよび空気が、発電に利用される前の空気および燃料ガスとそれぞれ熱交換される。すなわち、セルチューブ202の軸方向両端部であって燃料電池セル210が形成されていない領域において、燃料ガスと空気とが熱交換される。   At this time, the air and the fuel gas flow in opposite directions on the inner surface or outer surface of the cell tube 202. As a result, the fuel gas and air that have been used for power generation and have reached a high temperature are each subjected to heat exchange with the air and fuel gas before being used for power generation. That is, heat exchange is performed between the fuel gas and the air in the region where the fuel cell 210 is not formed at both axial ends of the cell tube 202.

上述したように燃料電池モジュール200では、反応に利用されて高温となった燃料ガスおよび空気が熱交換により冷却された後、燃料排出室207および空気排出室209に供給される。このことにより、金属部材を有する上管板203aと下管板203bとが高温雰囲気に晒されることを抑制することができる。その結果、燃料電池モジュール200では、燃料電池セル210における運転温度を高温化、例えば800℃から950℃にすることを可能にしている。   As described above, in the fuel cell module 200, the fuel gas and air that have been used for the reaction and have become high temperature are cooled by heat exchange, and then supplied to the fuel discharge chamber 207 and the air discharge chamber 209. This can prevent the upper tube plate 203a and the lower tube plate 203b having metal members from being exposed to a high temperature atmosphere. As a result, in the fuel cell module 200, the operating temperature of the fuel cell 210 can be increased, for example, from 800 ° C. to 950 ° C.

次に、上述した燃料電池システムの燃料電池モジュール200に使用されるセルチューブ(燃料電池)202について詳細に説明する。   Next, the cell tube (fuel cell) 202 used in the fuel cell module 200 of the fuel cell system described above will be described in detail.

実施例のセルチューブ(燃料電池)202は、図11に示すように、筒形状をなす基体管101の外面に外側に向けて、燃料極103、固体電解質104、空気極105を積層して発電素子、つまり、燃料電池セル(セル)210が形成され、この燃料電池セル210が基体管101の軸方向に複数配置され、複数のセル210がインターコネクタ106により直列に接続されて構成されている。図11中、符号107は中心軸を図示する。   As shown in FIG. 11, the cell tube (fuel cell) 202 according to the embodiment generates power by laminating a fuel electrode 103, a solid electrolyte 104, and an air electrode 105 on the outer surface of a cylindrical tube 101 facing outward. An element, that is, a fuel battery cell (cell) 210 is formed, a plurality of fuel battery cells 210 are arranged in the axial direction of the base tube 101, and a plurality of cells 210 are connected in series by an interconnector 106. . In FIG. 11, reference numeral 107 indicates a central axis.

実施例のセルチューブ202について具体的に説明する。基体管101は、セラミックス製の円筒であり、内部改質能を有する鉄属金属(例えば、Ni)や鉄属金属酸化物(例えば、NiO)、これらの合金や合金酸化物を含有するものであり、例えば、NiとCSZ(カルシア安定化ジルコニア−CaO安定化ZrO2)の混合物である。また、燃料通路が基体管101の内周面によって形成されている。この場合、基体管101は、この燃料通路102を流れる燃料ガスFを燃料極103へ通過させる必要があることから、多孔質とする必要があり、混合物の粒子径を調整したり、ポアー材を混合させることが必要である。 The cell tube 202 of an Example is demonstrated concretely. The base tube 101 is a ceramic cylinder and contains an iron group metal (for example, Ni), an iron group metal oxide (for example, NiO) having an internal reforming ability, an alloy or an alloy oxide thereof. For example, a mixture of Ni and CSZ (calcia stabilized zirconia-CaO stabilized ZrO 2 ). A fuel passage is formed by the inner peripheral surface of the base tube 101. In this case, since the base tube 101 needs to pass the fuel gas F flowing through the fuel passage 102 to the fuel electrode 103, it is necessary to make the base tube 101 porous. It is necessary to mix.

燃料極103は、例えば、NiとYSZ(イットリウム安定化ジルコニア−Y23安定化ZrO2)の混合物であり、導電性を有し、かつ多孔質材である。燃料極103の基体管101とは反対側の面には固体電解質104が積層され、基体管101の軸方向において隣り合う他方の燃料極103との間まで存在するように形成されている。この固体電解質104は、例えば、YSZ(イットリウム安定化ジルコニア−Y23安定化ZrO2)であり、燃料ガスFと空気の接触を避けるために非孔質とする。空気極105は、例えば、LaMnO3系材料、LaFeO3系材料、LaCoO3系材料などの少なくとも一種の多孔質の導電性セラミックスから構成されている。 The fuel electrode 103 is, for example, a mixture of Ni and YSZ (yttrium stabilized zirconia-Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 ), and has conductivity and is a porous material. A solid electrolyte 104 is laminated on the surface of the fuel electrode 103 opposite to the base tube 101, and is formed so as to exist between the fuel electrode 103 and the other fuel electrode 103 adjacent in the axial direction of the base tube 101. The solid electrolyte 104 is, for example, YSZ (yttrium stabilized zirconia-Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 ), and is made nonporous to avoid contact between the fuel gas F and air. The air electrode 105 is made of, for example, at least one kind of porous conductive ceramics such as a LaMnO 3 material, a LaFeO 3 material, and a LaCoO 3 material.

セルチューブ202を構成するために、基体管101の軸方向にて隣り合う燃料電池セル210において、一方の燃料電池セル210の燃料極103と、他方の燃料電池セル210の空気極105とが、インターコネクタ106により接続されている。また、燃料極103はその一部が固体電解質104で被覆され、また一部がインターコネクタ106により被覆されている。このインターコネクタ106は、例えば、SrTiO3などのペロブスカイト型酸化物、LaCrO3系材料などからなり、ガスの漏出を防止するために非孔質とする。このように、インターコネクタ106は金属材料でないことから、高温下での酸化等による劣化を生じない。このことにより、燃料電池セル210における運転温度の高温化、例えば800℃から950℃が可能である。 In order to configure the cell tube 202, in the fuel cells 210 adjacent in the axial direction of the base tube 101, the fuel electrode 103 of one fuel cell 210 and the air electrode 105 of the other fuel cell 210 are They are connected by an interconnector 106. A part of the fuel electrode 103 is covered with a solid electrolyte 104 and a part thereof is covered with an interconnector 106. The interconnector 106 is made of, for example, a perovskite oxide such as SrTiO 3 , a LaCrO 3 based material, and the like, and is made nonporous to prevent gas leakage. Thus, since the interconnector 106 is not a metal material, it does not deteriorate due to oxidation or the like at high temperatures. Accordingly, the operating temperature of the fuel battery cell 210 can be increased, for example, 800 ° C. to 950 ° C.

また、本実施例のセルチューブ202は、基体管101の外面に、燃料極103、固体電解質104、インターコネクタ106、空気極105を積層して焼結することで得られる。   Further, the cell tube 202 of this embodiment is obtained by laminating and sintering the fuel electrode 103, the solid electrolyte 104, the interconnector 106, and the air electrode 105 on the outer surface of the base tube 101.

上述したセルチューブ(燃料電池)202は、以下の動作によって電池反応をする。即ち、図11に示すように、電池反応の燃料となる燃料ガスFは、基体管101の内側を流れ、基体管101の細孔を通過して燃料極103に達する。この燃料ガスFは、燃料極103に含まれる活性金属により水蒸気改質される。水蒸気改質により生成された水素は、燃料極103の細孔を通過して固体電解質104まで到達する。一方、空気(O2)は、基体管101(空気極105)の外側を流れる。空気中の酸素は、空気極105の細孔を通過する途中または固体電解質104まで到達してイオン化する。イオン化した酸素は固体電解質104を通過し、燃料極103に到達する。固体電解質104を通過した酸素イオンは燃料ガスFと反応する。このような電池反応によって生じる電位差は、燃料極103及び空気極105から外部に取り出されて発電される。 The cell tube (fuel cell) 202 described above performs a battery reaction by the following operation. That is, as shown in FIG. 11, the fuel gas F serving as the fuel for the cell reaction flows inside the base tube 101, passes through the pores of the base tube 101, and reaches the fuel electrode 103. This fuel gas F is steam reformed by the active metal contained in the fuel electrode 103. Hydrogen produced by steam reforming passes through the pores of the fuel electrode 103 and reaches the solid electrolyte 104. On the other hand, air (O 2 ) flows outside the base tube 101 (air electrode 105). The oxygen in the air ionizes while passing through the pores of the air electrode 105 or reaches the solid electrolyte 104. The ionized oxygen passes through the solid electrolyte 104 and reaches the fuel electrode 103. The oxygen ions that have passed through the solid electrolyte 104 react with the fuel gas F. The potential difference generated by such a cell reaction is extracted from the fuel electrode 103 and the air electrode 105 to be generated.

次に、固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法について説明する。
図1−1は、1本のセルチューブの概略図である。図1−1中、上方側からチューブの内部に燃料が導入され、下方側が燃料出口である。また、図1−1中下方側からセルの外部に空気が導入され、上方側が空気出口である。
Next, a method for monitoring the operating state of the solid oxide fuel cell will be described.
FIG. 1-1 is a schematic view of one cell tube. 1-1, fuel is introduced into the tube from the upper side, and the lower side is the fuel outlet. Moreover, air is introduced into the outside of the cell from the lower side in FIG. 1-1, and the upper side is the air outlet.

図1−2は、第1の監視手段を有する固体酸化物形燃料電池のセルチューブの概略図である。図1−2に示すように、第1の監視手段300Aを有する固体酸化物形燃料電池のセルチューブ202Aは、前記セルチューブ202Aの燃料出口側の隣接又は近接する前記燃料電池セル同士の第1のセル監視電圧(E1)を計測する第1のセル監視電圧計測手段300Aと、予め求めた所定の温度における第1のセル監視電圧と酸素分圧との関係を用いて、前記計測した第1のセル監視電圧から燃料中の酸素分圧を求める第1の酸素分圧算出手段301Aと、該酸素分圧と所定の閾値とを比較して、前記燃料電池セルの損傷の可能性の有無を判定する第1の判定手段302Aを有するものである。 FIG. 1-2 is a schematic view of a cell tube of a solid oxide fuel cell having first monitoring means. As shown in FIG. 1-2, the cell tube 202A of the solid oxide fuel cell having the first monitoring means 300A is the first of the fuel cells adjacent to or adjacent to the fuel outlet side of the cell tube 202A. The first cell monitoring voltage measuring means 300A for measuring the cell monitoring voltage (E 1 ) of the first cell monitoring voltage and the relationship between the first cell monitoring voltage and the oxygen partial pressure at a predetermined temperature obtained in advance are measured. A first oxygen partial pressure calculating means 301A for obtaining an oxygen partial pressure in fuel from one cell monitoring voltage, and comparing the oxygen partial pressure with a predetermined threshold value to determine whether or not the fuel cell may be damaged. It has the 1st determination means 302A which determines.

本実施例では、固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視をするに際して、先ず、セルチューブ(セルスタック)202Aの燃料出口側の隣接又は近接するセル同士(No.n−1、No.n)の第1のセル監視電圧E1を第1のセル監視電圧計測手段300Aにより計測する。そして、予め求めた所定の温度における第1のセル監視電圧と酸素分圧との関係を用いて、前記計測した第1のセル監視電圧から燃料中の酸素分圧を第1の酸素分圧算出手段301Aより求める。
次に、該酸素分圧と所定の閾値とを比較して、前記燃料電池セルの損傷の可能性の有無を第1の判定手段302Aにより判定する。
In this embodiment, when monitoring the operating state of the solid oxide fuel cell, first, adjacent or adjacent cells (No. n-1, No. n) on the fuel outlet side of the cell tube (cell stack) 202A. the first cell monitoring voltage E 1 of) measured by the first cell monitoring voltage measuring means 300A. Then, using the relationship between the first cell monitoring voltage and the oxygen partial pressure obtained at a predetermined temperature obtained in advance, a first oxygen partial pressure is calculated from the measured first cell monitoring voltage. Obtained from means 301A.
Next, the oxygen partial pressure is compared with a predetermined threshold value, and the first determination unit 302A determines whether or not the fuel cell is likely to be damaged.

図1では、セルをn個設けている場合を示しているが、本実施例ではn=34の場合について説明する。
図2−1は、燃料出口側のセル(No.33)とセル(No.34)とのセル電圧を計測する図である。
図2−1に示すように、セル(No.33)の空気極105に第1の端子111Aを設けると共に、セル(No.34)の空気極105に第2の端子111Bを設ける。そして、この隣接するセル同士のセル監視電圧E1を計測する。
この時のセルの仕様、発電条件を下記「表1」に示す。
Although FIG. 1 shows a case where n cells are provided, a case where n = 34 will be described in the present embodiment.
FIG. 2-1 is a diagram for measuring cell voltages of the fuel outlet side cell (No. 33) and the cell (No. 34).
2A, the first terminal 111A is provided on the air electrode 105 of the cell (No. 33), and the second terminal 111B is provided on the air electrode 105 of the cell (No. 34). Then, the cell monitoring voltage E 1 between the adjacent cells is measured.
The cell specifications and power generation conditions at this time are shown in Table 1 below.

Figure 2012142191
Figure 2012142191

本実施例では0.28A/cm2の電流密度で運転している。
温度はセル表面の温度を熱電対等の温度計測手段112で計測している。
ここで、燃料出口側セルの隣接するセルとは、セル(No.33)とセル(No.34)のセル同士をいい、近接するセルとは、セル(No.32)とセル(No.34)との関係のように、セル(No.33)を少なくとも一つ飛ばしたセル同士の関係をいう。
In this embodiment, the operation is performed at a current density of 0.28 A / cm 2 .
As for the temperature, the temperature of the cell surface is measured by temperature measuring means 112 such as a thermocouple.
Here, the cells adjacent to the fuel outlet side cell are the cells (No. 33) and the cell (No. 34), and the adjacent cells are the cell (No. 32) and the cell (No. The relationship between the cells in which at least one cell (No. 33) is skipped as in the relationship with (34).

図2−2は、図2−1に対応する回路である。
ここで、セル監視電圧(E1)は、下記「数1」に示す式(1)より求められる。
FIG. 2B is a circuit corresponding to FIG.
Here, the cell monitoring voltage (E 1 ) is obtained from the equation (1) shown in the following “Equation 1”.

Figure 2012142191
ここで、
1:セル監視電圧
Erev:平衡起電力
Rc(n):空気極抵抗
Ri:インターコネクタ抵抗
Ra:燃料極抵抗
Rc(n+1):空気極抵抗
ηa:燃料極及び空気極の活性化分極
ηc:燃料極及び空気極の濃度分極
n=34である。
Figure 2012142191
here,
E 1 : cell monitoring voltage Erev: equilibrium electromotive force Rc (n): air electrode resistance Ri: interconnector resistance Ra: fuel electrode resistance Rc (n + 1): air electrode resistance ηa: activation polarization ηc of fuel electrode and air electrode: The concentration polarization of the fuel electrode and the air electrode is n = 34.

平衡起電力(Erev)は、燃料と空気の酸素濃度に依存するので、式(1)より、平衡起電力(Erev)を求めれば、下記「数2」に示す式(2)により燃料中の酸素分圧が求められる。なお、空気中の酸素分圧は酸素入口濃度から計算により求める。   Since the equilibrium electromotive force (Erev) depends on the oxygen concentration of the fuel and the air, if the equilibrium electromotive force (Erev) is obtained from the equation (1), the equation (2) shown in the following “Expression 2” An oxygen partial pressure is required. The oxygen partial pressure in the air is obtained by calculation from the oxygen inlet concentration.

Figure 2012142191
Figure 2012142191

図3は、セルの電気抵抗を示す概略図である。図3は図2−1のセルを模式的に示している。
ここで、図3中、各ブロック(1)〜(8)の電気抵抗をそれぞれ、R1〜R8とすると、電気抵抗は近似的に下記「数3」に示す各式(11)〜(24)により示される。
FIG. 3 is a schematic diagram showing the electric resistance of the cell. FIG. 3 schematically shows the cell of FIG. 2-1.
Here, in FIG. 3, assuming that the electrical resistances of the blocks (1) to (8) are R1 to R8, respectively, the electrical resistances are approximated by the equations (11) to (24) shown in the following “Equation 3”. Indicated by.

Figure 2012142191
Figure 2012142191

また電極過電圧(活性化分極)は下記「数4」に示す式(3)により求められる。
電極過電圧ηと電流密度iの関係は近似的に、Butler−Volmer式で示される。
Further, the electrode overvoltage (activation polarization) is obtained by the equation (3) shown in the following “Equation 4”.
The relationship between the electrode overvoltage η and the current density i is approximately expressed by the Butler-Volmer equation.

Figure 2012142191
Figure 2012142191

また濃度分極は下記「数5」に示す式(4)及び(5)により求められる。   The concentration polarization is obtained by the following equations (4) and (5) shown in “Equation 5”.

Figure 2012142191
Figure 2012142191

電気抵抗の計算結果を表2に示す。   Table 2 shows the calculation results of electrical resistance.

Figure 2012142191
Figure 2012142191

活性化分極の計算結果を下記「数6」に示す。
ここで、数6中、式(3−1)は「空気極の活性化分極」を示し、式(3−2)は「燃料極の活性化分極」を示す。
The calculation result of the activation polarization is shown in the following “Equation 6”.
Here, in Equation 6, Expression (3-1) indicates “air electrode activation polarization”, and Expression (3-2) indicates “fuel electrode activation polarization”.

Figure 2012142191
また、空気極及び燃料極の濃度分極の計算結果を下記「表3」に示す。
Figure 2012142191
The calculation results of the concentration polarization of the air electrode and the fuel electrode are shown in “Table 3” below.

Figure 2012142191
Figure 2012142191

以上の結果より、セル監視電圧(E1)から計算により、下記「数7」に示すように、酸素濃度を求める。 From the above results, the oxygen concentration is obtained by calculation from the cell monitoring voltage (E 1 ) as shown in the following “Equation 7”.

Figure 2012142191
Figure 2012142191

数7に示すように、平衡起電力より、燃料極側における酸素分圧が数2の式(2)により、2.7×10-16と算出される。 As shown in Equation 7, the oxygen partial pressure on the fuel electrode side is calculated as 2.7 × 10 −16 from Equation (2) of Equation 2 from the equilibrium electromotive force.

図4は電流密度と電圧との関係図である。図4に示すように、電流密度が0.28A/cm2における第1のセル監視電圧(E1)が0.572Vであった。
これを解析すると、平衡起電力0.866Vより求めた燃料極側の酸素分圧は2.7×10-16atmとなる。
FIG. 4 is a relationship diagram between current density and voltage. As shown in FIG. 4, the first cell monitoring voltage (E 1 ) at a current density of 0.28 A / cm 2 was 0.572V.
When this is analyzed, the oxygen partial pressure on the fuel electrode side obtained from the equilibrium electromotive force of 0.866 V is 2.7 × 10 −16 atm.

図5は900℃での燃料中の酸素分圧対数と平衡起電力の関係を示す。
燃料極103に含まれるNiは900℃において酸素分圧が10−12atmよりも高い酸素分圧で酸化されてNiOになり、それ以下の酸素分圧ではNiで安定である。ここに900℃において酸素分圧が10-12atmの場合の平衡起電力は0.66Vに相当する。
平衡起電力が0.66Vより高い場合は燃料中の酸素分圧は10-12atmよりも低くなりNiで安定であるが、平衡起電力が0.66Vより低い場合は燃料中の酸素分圧は10-12atmよりも高くなりNiOになる。
セル監視電圧(E1)から燃料中の酸素分圧を求める方法として、あらかじめセル監視電圧(E1)と燃料中の酸素分圧の関係を求めておけば、セル監視電圧(E1)から平衡起電力を算出することなく簡易的に監視ができる。
FIG. 5 shows the relationship between the logarithm of oxygen partial pressure in fuel at 900 ° C. and the equilibrium electromotive force.
Ni contained in the fuel electrode 103 is oxidized to NiO at 900 ° C. at an oxygen partial pressure higher than 10 −12 atm, and is stable at Ni at an oxygen partial pressure lower than that. Here, at 900 ° C., the equilibrium electromotive force when the oxygen partial pressure is 10 −12 atm corresponds to 0.66V.
When the equilibrium electromotive force is higher than 0.66 V, the oxygen partial pressure in the fuel is lower than 10 −12 atm and stable with Ni, but when the equilibrium electromotive force is lower than 0.66 V, the oxygen partial pressure in the fuel is Becomes higher than 10 −12 atm and becomes NiO.
As a method for obtaining the oxygen partial pressure in the fuel from the cell monitoring voltage (E 1), if seeking relationship beforehand cell monitoring voltage (E 1) and the partial pressure of oxygen in the fuel, the cell monitoring voltage (E 1) Monitoring can be easily performed without calculating the equilibrium electromotive force.

あらかじめセル監視電圧(E1)と燃料中の酸素分圧の関係(900℃)を求めるため、「数1」に示す式(1)のセル監視電圧(E1)のErev(平衡起電力)として、NiとNiOの平衡状態を示す平衡起電力として0.66Vを用い、空気極抵抗などの電気的な抵抗と活性化分極、濃度分極を差し引けばよい。
Rc(n):空気極抵抗、Ri:インターコネクタ抵抗、Ra:燃料極抵抗、Rc(n+1):空気極抵抗は下記「表2」のR1からR8の合計0.055Ωを用いた。
ηa:燃料極及び空気極の活性化分極は、下記「数6」の(1)および(2)から、それぞれ0.015Vを用いた。
ηc:燃料極及び空気極の濃度分極は、下記「表3」から燃料極の濃度分極0.0056V,空気極の濃度分極0.0012Vを用いた。
このセル監視電圧(E1)が0.37Vを閾値としてこの閾値を下回る場合には、燃料中の酸素濃度がNi酸化の酸素濃度よりも高いと判断する監視を行う。
In order to obtain the relationship (900 ° C.) between the cell monitoring voltage (E 1 ) and the oxygen partial pressure in the fuel in advance, Erev (equilibrium electromotive force) of the cell monitoring voltage (E 1 ) of equation (1) shown in “Equation 1” As an equilibrium electromotive force indicating the equilibrium state of Ni and NiO, 0.66V is used, and electrical resistance such as air electrode resistance, activation polarization, and concentration polarization may be subtracted.
Rc (n): air electrode resistance, Ri: interconnector resistance, Ra: fuel electrode resistance, Rc (n + 1): air electrode resistance was 0.055Ω in total from R1 to R8 in “Table 2” below.
ηa: The activation polarization of the fuel electrode and the air electrode was 0.015 V from (1) and (2) of “Equation 6” below.
ηc: The concentration polarization of the fuel electrode and the air electrode was 0.0056 V from the following “Table 3”, and the concentration polarization of 0.0012 V from the air electrode was used.
When the cell monitoring voltage (E1) is below 0.37 V as a threshold value, monitoring is performed to determine that the oxygen concentration in the fuel is higher than the oxygen concentration of Ni oxidation.

このセル監視電圧と酸素濃度との関係図を図6に示す。
図6に示すように、セル監視電圧(E1)を計測し、酸素濃度の閾値近傍となるまでは酸素濃度が高くないと判断することができる。
FIG. 6 shows the relationship between the cell monitoring voltage and the oxygen concentration.
As shown in FIG. 6, the cell monitoring voltage (E 1 ) is measured, and it can be determined that the oxygen concentration is not high until it becomes close to the oxygen concentration threshold value.

すなわち、燃料電池の実機の運転においては、簡易に判断するために、燃料ガス出口側における隣接又は近接するセル監視電圧(E1)を計測することで、燃料極の酸素濃度の上昇の有無を判断することができる。 That is, in the actual operation of the fuel cell, in order to make a simple determination, by measuring the cell monitoring voltage (E 1 ) adjacent to or adjacent to the fuel gas outlet side, it is possible to determine whether or not the oxygen concentration of the fuel electrode has increased. Judgment can be made.

そして、酸素分圧が高くなったと判断された場合には、例えば運転負荷を下げ、酸素分圧を低下させるようにする。
なお、この対策を講じても酸素分圧が高い場合には、詳細な解析を行う。また、その酸素濃度が上昇したセルスタック部分(カートリッジやモジュールの一部分)の回路を除く処置等の対策を講じる。
If it is determined that the oxygen partial pressure has increased, for example, the operating load is reduced to reduce the oxygen partial pressure.
Even if this measure is taken, if the oxygen partial pressure is high, a detailed analysis is performed. Also, measures such as removing the circuit of the cell stack portion (a part of the cartridge or module) where the oxygen concentration has increased are taken.

なお、カートリッジには100本以上のセルチューブが装填されているが、この全てのセルチューブに監視をするのが望ましいが、複数個所のセルチューブを選別してセル監視電圧を計測して、監視を行うようにしてもよい。   Although more than 100 cell tubes are loaded in the cartridge, it is desirable to monitor all of these cell tubes. However, it is desirable to monitor cell voltages by selecting a plurality of cell tubes and measuring cell monitoring voltages. May be performed.

図7はセルスタックの燃料入口側(セルNo.1)から出口側(セルNo.48)における酸素分圧の計測結果を示す。
図7の結果より、燃料入口側よりも燃料出口側での酸素分圧が上昇しているのが確認された。
但し、全ての素子において酸素分圧が上述の閾値10-12atm以下であるのでNi安定領域であることが確認できる。
FIG. 7 shows the measurement result of the oxygen partial pressure from the fuel inlet side (cell No. 1) to the outlet side (cell No. 48) of the cell stack.
From the result of FIG. 7, it was confirmed that the oxygen partial pressure on the fuel outlet side was higher than that on the fuel inlet side.
However, since the oxygen partial pressure is the threshold value of 10 −12 atm or less in all the elements, it can be confirmed that it is in the Ni stable region.

ところで、燃料電池の運転中において、例えば電流集中、燃料リーク、過大電流等予期せぬことが発生すると、燃料出口セルの燃料中の酸素分圧が高くなり、酸素濃度上昇に起因する燃料極を構成する構成材料(例えばNi)の酸化が促進される。この酸化が進行すると、セルの破損等や損傷が発生する可能性があるので、本発明のようにセル監視電圧を計測して、監視を行うことで、これを事前に把握できることとなる。   By the way, when an unexpected event such as current concentration, fuel leak, or excessive current occurs during operation of the fuel cell, the oxygen partial pressure in the fuel at the fuel outlet cell increases, and the fuel electrode caused by the increase in oxygen concentration is removed. Oxidation of the constituent material (for example, Ni) is promoted. As this oxidation progresses, there is a possibility of cell breakage or damage, and this can be grasped in advance by measuring and monitoring the cell monitoring voltage as in the present invention.

すなわち、以下に示すように燃料中の酸素分圧を求め、セルの損傷を回避することができる。
ステップ1:燃料中の酸素濃度が高い燃料出口側の近接又は隣接するセル電圧を計測して、セル監視電圧(E1)を監視する。
ステップ2:酸素濃度計算には温度が必要なので監視するセル外表面に熱電対等の温度計測手段により計測する。
ステップ3:セル監視電圧(E1)を解析して平衡起電力を算出し、燃料中の酸素分圧を求める。
ステップ4:求めた燃料中の酸素分圧からNiが酸化していないか、どうかを判定する。
That is, as shown below, the partial pressure of oxygen in the fuel can be obtained to avoid cell damage.
Step 1: The cell monitoring voltage (E 1 ) is monitored by measuring the cell voltage adjacent or adjacent to the fuel outlet side where the oxygen concentration in the fuel is high.
Step 2: Since the temperature is required for the oxygen concentration calculation, the temperature is measured on the outer surface of the cell to be monitored by a temperature measuring means such as a thermocouple.
Step 3: The cell monitoring voltage (E 1 ) is analyzed to calculate the equilibrium electromotive force, and the oxygen partial pressure in the fuel is obtained.
Step 4: It is determined whether Ni is not oxidized from the obtained oxygen partial pressure in the fuel.

このように、セル監視電圧(E1)から解析により酸素分圧を求めることもできるが、このような条件の下、予めセル監視電圧と酸素分圧との関係を求めておき、セル監視電圧が所定の電圧以下を計測した場合には、酸素分圧が高くなったと判断することができる。酸素分圧が高くなったと判断された場合には、例えば運転負荷を下げ、酸素分圧を低下させるようにする。なお、この対策を講じても酸素分圧が高い場合には、詳細な解析を行う。また、その酸素濃度が上昇したセルスタック部分(カートリッジやモジュールの一部分)の回路を除く処置等の対策を講じる。 As described above, the oxygen partial pressure can be obtained by analysis from the cell monitoring voltage (E 1 ). Under such conditions, the relationship between the cell monitoring voltage and the oxygen partial pressure is obtained in advance. Can be determined that the oxygen partial pressure has increased. When it is determined that the oxygen partial pressure has increased, for example, the operating load is reduced to reduce the oxygen partial pressure. Even if this measure is taken, if the oxygen partial pressure is high, a detailed analysis is performed. Also, measures such as removing the circuit of the cell stack portion (a part of the cartridge or module) where the oxygen concentration has increased are taken.

本実施例によれば、1本のセルチューブの燃料極の燃料出口側の隣接又は近接するセル同士の第1のセル監視電圧を計測することで、燃料中の酸素濃度を監視することができるため、運転状態変化(例えば、電流集中、燃料リーク、過大電流など予期せぬこと)によるセル損傷を回避することができる。   According to this embodiment, the oxygen concentration in the fuel can be monitored by measuring the first cell monitoring voltage between adjacent or adjacent cells on the fuel outlet side of the fuel electrode of one cell tube. Therefore, cell damage due to changes in the operating state (for example, unexpected things such as current concentration, fuel leakage, excessive current, etc.) can be avoided.

本発明による実施例に係る燃料電池の運転監視方法について、図面を参照して説明する。
図8−1は、燃料出口側のインターコネクタと固体電解質同士のセル電圧を計測する図である。図8−2は図8−1に対応する回路である。
図1−3は、第2の監視手段を有する固体酸化物形燃料電池のセルチューブの概略図である。図1−3に示すように、第2の監視手段300Bを有する固体酸化物形燃料電池のセルチューブ202Bは、セルチューブ202Bの燃料出口側の前記インターコネクタと前記電解質との第2のセル監視電圧(E2)を計測する第2のセル監視電圧計測手段300Bと、予め求めた所定の温度における第2のセル監視電圧と酸素分圧との関係を用いて、前記計測した第2のセル監視電圧から燃料中の酸素分圧を求める第2の酸素分圧算出手段301と、該酸素分圧と所定の閾値とを比較して、前記燃料電池セルの損傷の可能性の有無を判定する第2の判定手段302Bとを有する。
A fuel cell operation monitoring method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 8-1 is a diagram for measuring the cell voltage between the interconnector on the fuel outlet side and the solid electrolyte. FIG. 8-2 is a circuit corresponding to FIG.
FIG. 1-3 is a schematic view of a cell tube of a solid oxide fuel cell having a second monitoring means. As shown in FIG. 1-3, the cell tube 202B of the solid oxide fuel cell having the second monitoring means 300B is a second cell monitoring of the interconnector and the electrolyte on the fuel outlet side of the cell tube 202B. The second cell monitoring voltage measuring means 300B for measuring the voltage (E 2 ) and the measured second cell using the relationship between the second cell monitoring voltage and the oxygen partial pressure at a predetermined temperature obtained in advance. A second oxygen partial pressure calculating means 301 for obtaining the oxygen partial pressure in the fuel from the monitoring voltage is compared with the predetermined partial threshold value to determine whether or not the fuel cell is likely to be damaged. Second determination means 302B.

図8−1に示すように、本実施例では、燃料出口側のセル(No.33)とセル(No.34)とのセル同士に挟まれるインターコネクタ106と固体電解質104同士の監視電圧E2を第2のセル監視電圧計測手段300Bにより計測している。
具体的には、図8−1に示すように、セル(No.33)のインターコネクタ106に第3の端子111Cを設けると共に、セル(No.34)の固体電解質104に第4の端子111Dを設け、これらの間の第2のセル監視電圧E2を第2のセル監視電圧計測手段300Bにより計測する。そして、予め求めた所定の温度における第2のセル監視電圧と酸素分圧との関係を用いて、前記計測した第2のセル監視電圧から燃料中の酸素分圧を第2の酸素分圧算出手段301Bより求める。
次に、該酸素分圧と所定の閾値とを比較して、前記燃料電池セルの損傷の可能性の有無を第2の判定手段302Bにより判定する。
この時のセルの仕様、発電条件は実施例1の表1と同様である。
As shown in FIG. 8A, in this embodiment, the monitoring voltage E between the interconnector 106 and the solid electrolyte 104 sandwiched between the cells (No. 33) and (No. 34) on the fuel outlet side. 2 is measured by the second cell monitoring voltage measuring means 300B.
Specifically, as shown in FIG. 8A, the third terminal 111C is provided in the interconnector 106 of the cell (No. 33), and the fourth terminal 111D is provided in the solid electrolyte 104 of the cell (No. 34). And the second cell monitoring voltage E 2 between them is measured by the second cell monitoring voltage measuring means 300B. Then, using the relationship between the second cell monitoring voltage and the oxygen partial pressure obtained at a predetermined temperature obtained in advance, the oxygen partial pressure in the fuel is calculated from the measured second cell monitoring voltage by the second oxygen partial pressure. Obtained from means 301B.
Next, the oxygen partial pressure is compared with a predetermined threshold value, and the second determination unit 302B determines whether or not the fuel cell is likely to be damaged.
The cell specifications and power generation conditions at this time are the same as in Table 1 of Example 1.

本実施例では、実施例1と異なり、セル監視電圧を求めるものではなく、下記「数8」に示す式(7)に示すように、第2のセル監視電圧E2は平衡起電力からインターコネクタ抵抗(Ri)と燃料極抵抗(Ra)とを引いたものとなる。
実施例1と異なり、平衡起電力から差し引く項目が少ないので、解析にあたって、簡易でしかも計測精度が向上する。

Figure 2012142191
In the present embodiment, unlike the first embodiment, the cell monitoring voltage is not obtained, and the second cell monitoring voltage E 2 is calculated from the balanced electromotive force as shown in the equation (7) shown in the following “Equation 8”. The connector resistance (Ri) and the fuel electrode resistance (Ra) are subtracted.
Unlike the first embodiment, since there are few items to be subtracted from the balanced electromotive force, the measurement accuracy is simple and improved in the analysis.
Figure 2012142191

具体的には、第2のセル監視電圧E2が0.846Vであるとすると、表2の燃料極(電解質下)R7(=0.006Ω)と燃料極接続部(R8=0.002Ω)を合計した値に電流値(4.68A)を掛けたものを引いて、0.883Vが算出される。
そして、数2に示す式(2)から酸素分極を算出すると1.4×10-16atmとなる。
Specifically, assuming that the second cell monitoring voltage E 2 is 0.846 V, the fuel electrode (under the electrolyte) R7 (= 0.006Ω) and the fuel electrode connection part (R8 = 0.002Ω) in Table 2 0.883V is calculated by subtracting the sum of the current value (4.68A) and the sum of the values.
Then, when the oxygen polarization is calculated from the equation (2) shown in Equation 2, it becomes 1.4 × 10 −16 atm.

図9は900℃での燃料中の酸素分圧対数と平衡起電力の関係を示す。
Niは900℃において酸素分圧が10-12atmよりも高い酸素分圧で酸化されてNiOになり、それよりも低い酸素分圧ではNiで安定である。900℃において酸素分圧が10−12atmの場合の平衡起電力は0.66Vに相当する。
平衡起電力が0.66Vより高い場合は燃料中の酸素分圧は10-12atmよりも低くなりNiで安定であるが、平衡起電力が0.66Vより低い場合は燃料中の酸素分圧は10-12atmよりも高くなりNiOになることから、平衡起電力が0.66Vを閾値としてこの閾値を下回る場合には、燃料中の酸素濃度が高いと判断する監視を行う。
FIG. 9 shows the relationship between the logarithm of oxygen partial pressure in fuel at 900 ° C. and the equilibrium electromotive force.
Ni is oxidized to NiO at an oxygen partial pressure higher than 10 −12 atm at 900 ° C., and Ni is stable at an oxygen partial pressure lower than that. The equilibrium electromotive force when the oxygen partial pressure is 10 −12 atm at 900 ° C. corresponds to 0.66V.
When the equilibrium electromotive force is higher than 0.66 V, the oxygen partial pressure in the fuel is lower than 10 −12 atm and stable with Ni, but when the equilibrium electromotive force is lower than 0.66 V, the oxygen partial pressure in the fuel is Is higher than 10 −12 atm and becomes NiO. Therefore, when the equilibrium electromotive force falls below this threshold with 0.66 V as a threshold, monitoring is performed to determine that the oxygen concentration in the fuel is high.

実施例2では、燃料中の酸素分圧の高い「燃料出口セル(セル(No.33)」のインターコネクタ106に第3の端子111Cを取り付けると共に、固体電解質104に第4の端子111Dを取り付ける。
詳細には、インターコネクタ106と固体電解質104との監視電圧を監視するために、インターコネクタ106表面および固体電解質104表面に白金ペーストを塗布して、電圧監視用の白金線をインターコネクタ106表面および固体電解質104表面に接触させる。
次に、第3の端子111Cと第4の端子111Dの第2のセル監視電圧E2から、「燃料中の酸素濃度」を計算で求める。
計測した監視電圧E2から計算で「酸素濃度」を求め、セル温度環境でNiが酸化する酸素濃度と比較して監視する。
In Example 2, the third terminal 111C is attached to the interconnector 106 of the “fuel outlet cell (cell (No. 33))” having a high oxygen partial pressure in the fuel, and the fourth terminal 111D is attached to the solid electrolyte 104. .
Specifically, in order to monitor the monitoring voltage between the interconnector 106 and the solid electrolyte 104, a platinum paste is applied to the surface of the interconnector 106 and the surface of the solid electrolyte 104, and a platinum wire for voltage monitoring is attached to the surface of the interconnector 106 and the surface of the interconnector 106. Contact the surface of the solid electrolyte 104.
Next, the “oxygen concentration in the fuel” is obtained by calculation from the second cell monitoring voltage E 2 at the third terminal 111C and the fourth terminal 111D.
The “oxygen concentration” is obtained by calculation from the measured monitoring voltage E 2 and is compared with the oxygen concentration at which Ni is oxidized in the cell temperature environment.

本実施例によれば、1本のセルチューブの燃料極の燃料出口側の隣接又は近接するセル同士に挟まれるインターコネクタと電解質との監視電圧を監視することで、燃料中の酸素濃度を監視することができるため、運転状態変化(例えば、電流集中、燃料リーク、過大電流など予期せぬこと)によるセル損傷を回避することができる。   According to the present embodiment, the oxygen concentration in the fuel is monitored by monitoring the monitoring voltage between the interconnector and electrolyte sandwiched between adjacent or adjacent cells on the fuel outlet side of the fuel electrode of one cell tube. Therefore, it is possible to avoid cell damage due to changes in operating conditions (for example, unexpected current concentration, fuel leak, excessive current, etc.).

本発明による実施例に係る燃料電池の運転監視方法について、図面を参照して説明する。
実施例1では、燃料極側の燃料中の酸素濃度について求めるようにしたが、本実施例では空気極側の空気中の酸素濃度について求める。
空気極の構成材料である例えばLaMnO3の場合には、酸素分圧が低くなり、還元分解すると、セルが損傷するおそれがあるので、実施例1と同様の手法により、空気中の酸素分圧を監視するようにしている。
ここで、空気中の酸素分圧は空気入口側よりも空気出口側において、酸素が消費され低くなる。
A fuel cell operation monitoring method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
In the first embodiment, the oxygen concentration in the fuel on the fuel electrode side is obtained, but in this embodiment, the oxygen concentration in the air on the air electrode side is obtained.
For example, in the case of LaMnO 3 which is a constituent material of the air electrode, the oxygen partial pressure becomes low, and the cell may be damaged by reductive decomposition. Therefore, the oxygen partial pressure in the air is obtained in the same manner as in Example 1. To monitor.
Here, the oxygen partial pressure in the air becomes lower as oxygen is consumed on the air outlet side than on the air inlet side.

そこで、本実施例では空気1本のセルチューブの空気極の空気出口側の隣接又は近接するセル同士の第3のセル監視電圧E3を計測し、予め求めた第3のセル監視電圧E3と酸素濃度との関係より、空気中の酸素濃度の減少の有無を判断するようにしている。 Therefore, in this embodiment, the third cell monitoring voltage E 3 between adjacent or adjacent cells on the air outlet side of the air electrode of one air cell tube is measured, and the third cell monitoring voltage E 3 obtained in advance is measured. Whether or not there is a decrease in the oxygen concentration in the air is determined from the relationship between the oxygen concentration and the oxygen concentration.

図1−4は、第3の監視手段を有する固体酸化物形燃料電池のセルチューブ202Cの概略図である。図1−3に示すように、第3の監視手段300Cを有する固体酸化物形燃料電池のセルチューブ202Cは、セルチューブ202Cの空気出口側の隣接又は近接する前記燃料電池セル同士の第3のセル監視電圧(E3)を計測する第3のセル監視電圧計測手段300Cと、予め求めた所定の温度における第3のセル監視電圧と酸素分圧との関係を用いて、前記計測した第3のセル監視電圧から燃料中の酸素分圧を求める第3の酸素分圧算出手段301Cと、該酸素分圧と所定の閾値とを比較して、前記燃料電池セルの損傷の可能性の有無を判定する第3の判定手段301Cとを有する。 1-4 is a schematic view of a cell tube 202C of a solid oxide fuel cell having a third monitoring means. As shown in FIG. 1-3, the cell tube 202C of the solid oxide fuel cell having the third monitoring means 300C is the third of the fuel cells adjacent to or adjacent to the air outlet side of the cell tube 202C. Using the third cell monitoring voltage measuring means 300C for measuring the cell monitoring voltage (E 3 ) and the relationship between the third cell monitoring voltage and the oxygen partial pressure at a predetermined temperature obtained in advance, the measured third The third partial pressure calculation means 301C for determining the partial pressure of oxygen in the fuel from the cell monitoring voltage is compared with the predetermined partial threshold value to determine whether or not the fuel cell is likely to be damaged. And third determination means 301C for determination.

図10−1は、空気出口側のセル(No.1)とセル(No.2)とのセル電圧を計測する図である。
図10−1に示すように、セル(No.1)の空気極105に第5の端子111Eを設けると共に、セル(No.2)の空気極105に第6の端子111Fを設ける。そして、この隣接するセル同士の第3のセル監視電圧E3を第3のセル監視電圧計測手段300Cにより計測する。そして、予め求めた所定の温度における第1のセル監視電圧と酸素分圧との関係を用いて、前記計測した第3のセル監視電圧から燃料中の酸素分圧を第3の酸素分圧算出手段301Cより求める。
次に、該酸素分圧と所定の閾値とを比較して、前記燃料電池セルの損傷の可能性の有無を第3の判定手段302Cにより判定する。
ここで、空気出口側セルの隣接するセルとは、セル(No.1)とセル(No.2)のセル同士をいい、近接するセルとは、セル(No1)とセル(No3)のセル同士のように、セル(No.2)を少なくとも一つ飛ばしたセル同士の関係をいう。
FIG. 10A is a diagram of measuring cell voltages of the cell (No. 1) and the cell (No. 2) on the air outlet side.
As shown in FIG. 10A, the fifth terminal 111E is provided on the air electrode 105 of the cell (No. 1), and the sixth terminal 111F is provided on the air electrode 105 of the cell (No. 2). Then, to measure the third cell monitoring voltage E 3 between cells of the adjacent by the third cell monitoring voltage measuring unit 300C. Then, using the relationship between the first cell monitoring voltage and the oxygen partial pressure obtained at a predetermined temperature obtained in advance, the oxygen partial pressure in the fuel is calculated from the measured third cell monitoring voltage by the third oxygen partial pressure. Obtained from means 301C.
Next, the oxygen partial pressure is compared with a predetermined threshold value, and the third determination unit 302C determines whether or not the fuel cell is likely to be damaged.
Here, the cell adjacent to the air outlet side cell refers to the cell (No. 1) and the cell (No. 2), and the adjacent cell refers to the cell (No 1) and the cell (No 3). Like each other, it means a relationship between cells in which at least one cell (No. 2) is skipped.

図10−2は、図10−1に対応する回路である。
ここで、第3のセル監視電圧(E3)は、前記「数1」に示す式(1)より求められる。
平衡起電力(Erev)は、燃料と空気の酸素濃度に依存するので、式(1)より、平衡起電力(Erev)を求めれば、前記「数2」に示す式(2)により空気中の酸素分圧が求められる。なお、燃料中の酸素分圧は燃料入口濃度から計算により求める。
FIG. 10B is a circuit corresponding to FIG.
Here, the third cell monitoring voltage (E 3 ) is obtained from the equation (1) shown in the “Equation 1”.
Since the equilibrium electromotive force (Erev) depends on the oxygen concentration of the fuel and the air, if the equilibrium electromotive force (Erev) is obtained from the equation (1), the equation (2) shown in the “Equation 2” can be used. An oxygen partial pressure is required. The oxygen partial pressure in the fuel is calculated from the fuel inlet concentration.

本実施例では、先ず、空気の出口近傍において第3のセル監視電圧E3を計測する。
次に、第2のセル監視電圧E3を、実施例1と同様に解析して、平衡起電力を算出し、空気中の酸素分圧を求める。
求めた空気中の酸素分圧が任意の値(例えば空気極(LaMnO3系等)の劣化に起因する管理酸素濃度を決めておく)に近づくと運転警報を出す制御を行う。
In the present embodiment, first, the third cell monitoring voltage E 3 is measured in the vicinity of the air outlet.
Next, the second cell monitoring voltage E 3 is analyzed in the same manner as in Example 1, the equilibrium electromotive force is calculated, and the oxygen partial pressure in the air is obtained.
When the obtained oxygen partial pressure in the air approaches an arbitrary value (for example, a management oxygen concentration due to deterioration of the air electrode (LaMnO 3 system or the like) is approached), control is performed to issue an operation alarm.

本実施例によれば、空気出口セルの電圧を監視することで、空気中の酸素濃度を監視することができるため、運転状態変化(例えば、電流集中、燃料リーク、過大電流など予期せぬこと)によるセル損傷を回避することができる。
また、固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視するに際して、実施例1の監視方法と実施例3の監視方法とを併せて実施するようにしてもよい。
これにより、燃料側及び空気側の酸素濃度を監視し、運転状態の変化を適正に監視することができる。
According to this embodiment, since the oxygen concentration in the air can be monitored by monitoring the voltage of the air outlet cell, unexpected changes such as changes in operating conditions (eg current concentration, fuel leak, excessive current) ) Can be avoided.
Further, when monitoring the operating state of the solid oxide fuel cell, the monitoring method of the first embodiment and the monitoring method of the third embodiment may be performed together.
Thereby, the oxygen concentration on the fuel side and the air side can be monitored, and the change in the operating state can be properly monitored.

101 基体管
103 燃料極
104 固体電解質
105 空気極
106 インターコネクタ
200 燃料電池モジュール
202、202A〜202C セルチューブ(燃料電池)
210 燃料電池セル(発電素子)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Base tube 103 Fuel electrode 104 Solid electrolyte 105 Air electrode 106 Interconnector 200 Fuel cell module 202, 202A-202C Cell tube (fuel cell)
210 Fuel cell (power generation element)

Claims (12)

筒形状をなす基体管と、燃料極と電解質と空気極とが積層されて成ると共に前記基体管の外表面軸方向に沿って複数配置される燃料電池セルと、隣り合う該燃料電池セルを直列に接続するインターコネクタとを備えるセルチューブを有する固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法において、
前記セルチューブの燃料出口側の隣接又は近接する前記燃料電池セル同士の第1のセル監視電圧を計測する工程と、
該第1のセル監視電圧から燃料中の酸素分圧を求める工程と、
求められた該酸素分圧と所定の閾値とを比較する工程とを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法。
A cylindrical base tube, a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode are stacked, and a plurality of fuel cells arranged along the outer surface axial direction of the base tube, and the adjacent fuel cells are connected in series. In a method for monitoring the operating state of a solid oxide fuel cell having a cell tube with an interconnector connected to
Measuring the first cell monitoring voltage between the fuel cells adjacent to or adjacent to the fuel outlet of the cell tube;
Obtaining a partial pressure of oxygen in the fuel from the first cell monitoring voltage;
A method for monitoring the operating state of a solid oxide fuel cell, comprising: comparing the determined oxygen partial pressure with a predetermined threshold value.
請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法において、
予め求めた所定の温度における第1のセル監視電圧と酸素分圧との関係を用いて、前記燃料中の酸素分圧を求める工程を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法。
In the monitoring method of the operating state of the solid oxide fuel cell according to claim 1,
An operation state of the solid oxide fuel cell, comprising a step of obtaining an oxygen partial pressure in the fuel using a relationship between the first cell monitoring voltage and the oxygen partial pressure at a predetermined temperature obtained in advance. Monitoring method.
請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法において、
前記第1のセル監視電圧を計測すると共に、前記燃料電池セル外表面の温度を計測する工程と、
前記第1のセル監視電圧から平衡起電力を算出し、前記燃料中の酸素分圧を求める工程とを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法。
In the monitoring method of the operating state of the solid oxide fuel cell according to claim 1,
Measuring the first cell monitoring voltage and measuring the temperature of the outer surface of the fuel cell; and
And a step of calculating an equilibrium electromotive force from the first cell monitoring voltage and obtaining an oxygen partial pressure in the fuel.
筒形状をなす基体管と、燃料極と電解質と空気極とが積層されて成ると共に前記基体管の外表面軸方向に沿って複数配置される燃料電池セルと、隣り合う該燃料電池セルを直列に接続するインターコネクタとを備えるセルチューブを有する固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法において、
前記セルチューブの燃料出口側の前記インターコネクタと前記電解質との第2のセル監視電圧を計測する工程と、
該第2のセル監視電圧から燃料中の酸素分圧を求める工程と、
求められた該酸素分圧と所定の閾値とを比較する工程とを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法。
A cylindrical base tube, a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode are stacked, and a plurality of fuel cells arranged along the outer surface axial direction of the base tube, and the adjacent fuel cells are connected in series. In a method for monitoring the operating state of a solid oxide fuel cell having a cell tube with an interconnector connected to
Measuring a second cell monitoring voltage between the interconnector on the fuel outlet side of the cell tube and the electrolyte;
Obtaining an oxygen partial pressure in the fuel from the second cell monitoring voltage;
A method for monitoring the operating state of a solid oxide fuel cell, comprising: comparing the determined oxygen partial pressure with a predetermined threshold value.
請求項4に記載の固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法において、
予め求めた所定の温度における第2のセル監視電圧と酸素分圧との関係を用いて、前記燃料中の酸素分圧を求める工程を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法。
In the monitoring method of the operating state of the solid oxide fuel cell according to claim 4,
An operating state of the solid oxide fuel cell comprising a step of obtaining an oxygen partial pressure in the fuel by using a relationship between a second cell monitoring voltage and an oxygen partial pressure at a predetermined temperature obtained in advance. Monitoring method.
請求項5に記載の固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法において、
前記第2のセル監視電圧を計測すると共に、前記燃料電池セル外表面の温度を計測する工程と、
前記第2のセル監視電圧から平衡起電力を算出し、前記燃料中の酸素分圧を求める工程とを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法。
In the monitoring method of the operating state of the solid oxide fuel cell according to claim 5,
Measuring the second cell monitoring voltage and measuring the temperature of the outer surface of the fuel cell;
And a step of calculating an equilibrium electromotive force from the second cell monitoring voltage and obtaining an oxygen partial pressure in the fuel.
筒形状をなす基体管と、燃料極と電解質と空気極とが積層されて成ると共に前記基体管の外表面軸方向に沿って複数配置される燃料電池セルと、隣り合う該燃料電池セルを直列に接続するインターコネクタとを備えるセルチューブを有する固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法において、
前記セルチューブの空気出口側の隣接又は近接する前記燃料電池セル同士の第3のセル監視電圧を計測する工程と、
該第3のセル監視電圧から空気中の酸素分圧を求める工程と、
求められた該酸素分圧と所定の閾値とを比較する工程とを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法。
A cylindrical base tube, a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode are stacked, and a plurality of fuel cells arranged along the outer surface axial direction of the base tube, and the adjacent fuel cells are connected in series. In a method for monitoring the operating state of a solid oxide fuel cell having a cell tube with an interconnector connected to
Measuring a third cell monitoring voltage between the fuel cells adjacent to or adjacent to the air outlet side of the cell tube;
Obtaining a partial pressure of oxygen in the air from the third cell monitoring voltage;
A method for monitoring the operating state of a solid oxide fuel cell, comprising: comparing the determined oxygen partial pressure with a predetermined threshold value.
請求項7に記載の固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法において、
予め求めた所定の温度における第3のセル監視電圧と酸素分圧との関係を用いて、前記燃料中の酸素分圧を求める工程を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法。
In the monitoring method of the operating state of the solid oxide fuel cell according to claim 7,
An operating state of the solid oxide fuel cell comprising a step of obtaining an oxygen partial pressure in the fuel using a relationship between a third cell monitoring voltage and an oxygen partial pressure at a predetermined temperature obtained in advance. Monitoring method.
請求項8に記載の固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法において、
前記第3のセル監視電圧を計測すると共に、前記燃料電池セル外表面の温度を計測する工程と、
前記第3のセル監視電圧から平衡起電力を算出し、前記空気中の酸素分圧を求める工程とを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の運転状態の監視方法。
In the monitoring method of the operating state of the solid oxide fuel cell according to claim 8,
Measuring the third cell monitoring voltage and measuring the temperature of the outer surface of the fuel cell;
And a step of calculating an equilibrium electromotive force from the third cell monitoring voltage and obtaining an oxygen partial pressure in the air.
筒形状をなす基体管と、燃料極と電解質と空気極とが積層されて成ると共に前記基体管の外表面軸方向に沿って複数配置される燃料電池セルと、隣り合う該燃料電池セルを直列に接続するインターコネクタとを備えるセルチューブを有する固体酸化物形燃料電池において、
前記セルチューブの燃料出口側の隣接又は近接する前記燃料電池セル同士の第1のセル監視電圧を計測するセル監視電圧計測手段と、
予め求めた所定の温度における第1のセル監視電圧と酸素分圧との関係を用いて、前記計測した第1のセル監視電圧から燃料中の酸素分圧を求める酸素分圧算出手段と、
該酸素分圧と所定の閾値とを比較して、前記燃料電池セルの損傷の可能性の有無を判定する判定手段とを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
A cylindrical base tube, a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode are stacked, and a plurality of fuel cells arranged along the outer surface axial direction of the base tube, and the adjacent fuel cells are connected in series. A solid oxide fuel cell having a cell tube with an interconnector connected to
Cell monitoring voltage measuring means for measuring a first cell monitoring voltage between the fuel cells adjacent to or adjacent to each other on the fuel outlet side of the cell tube;
An oxygen partial pressure calculating means for obtaining an oxygen partial pressure in the fuel from the measured first cell monitoring voltage using a relationship between the first cell monitoring voltage and the oxygen partial pressure at a predetermined temperature obtained in advance;
A solid oxide fuel cell comprising: determination means for comparing the partial pressure of oxygen with a predetermined threshold value to determine whether or not the fuel cell is likely to be damaged.
筒形状をなす基体管と、燃料極と電解質と空気極とが積層されて成ると共に前記基体管の外表面軸方向に沿って複数配置される燃料電池セルと、隣り合う該燃料電池セルを直列に接続するインターコネクタとを備えるセルチューブを有する固体酸化物形燃料電池において、
前記セルチューブの燃料出口側の前記インターコネクタと前記電解質との第2のセル監視電圧を計測するセル監視電圧計測手段と、
予め求めた所定の温度における第2のセル監視電圧と酸素分圧との関係を用いて、前記計測した第2のセル監視電圧から燃料中の酸素分圧を求める酸素分圧算出手段と、
該酸素分圧と所定の閾値とを比較して、前記燃料電池セルの損傷の可能性の有無を判定する判定手段とを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
A cylindrical base tube, a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode are stacked, and a plurality of fuel cells arranged along the outer surface axial direction of the base tube, and the adjacent fuel cells are connected in series. A solid oxide fuel cell having a cell tube with an interconnector connected to
Cell monitoring voltage measuring means for measuring a second cell monitoring voltage between the interconnector on the fuel outlet side of the cell tube and the electrolyte;
An oxygen partial pressure calculating means for obtaining an oxygen partial pressure in the fuel from the measured second cell monitoring voltage using a relationship between the second cell monitoring voltage and the oxygen partial pressure at a predetermined temperature obtained in advance;
A solid oxide fuel cell comprising: determination means for comparing the partial pressure of oxygen with a predetermined threshold value to determine whether or not the fuel cell is likely to be damaged.
筒形状をなす基体管と、燃料極と電解質と空気極とが積層されて成ると共に前記基体管の外表面軸方向に沿って複数配置される燃料電池セルと、隣り合う該燃料電池セルを直列に接続するインターコネクタとを備えるセルチューブを有する固体酸化物形燃料電池において、
前記セルチューブの空気出口側の隣接又は近接する前記燃料電池セル同士の第3のセル監視電圧を計測するセル監視電圧計測手段と、
予め求めた所定の温度における第3のセル監視電圧と酸素分圧との関係を用いて、前記計測した第3のセル監視電圧から燃料中の酸素分圧を求める酸素分圧算出手段と、
該酸素分圧と所定の閾値とを比較して、前記燃料電池セルの損傷の可能性の有無を判定する判定手段とを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
A cylindrical base tube, a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode are stacked, and a plurality of fuel cells arranged along the outer surface axial direction of the base tube, and the adjacent fuel cells are connected in series. A solid oxide fuel cell having a cell tube with an interconnector connected to
Cell monitoring voltage measuring means for measuring a third cell monitoring voltage between the fuel cells adjacent to or adjacent to the air outlet side of the cell tube;
An oxygen partial pressure calculating means for determining an oxygen partial pressure in the fuel from the measured third cell monitoring voltage using a relationship between the third cell monitoring voltage and the oxygen partial pressure at a predetermined temperature determined in advance;
A solid oxide fuel cell comprising: determination means for comparing the partial pressure of oxygen with a predetermined threshold value to determine whether or not the fuel cell is likely to be damaged.
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