JP2013016356A - Solid oxide fuel cell - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide fuel cell that implements improved energy efficiency while stably maintaining an appropriate temperature in a fuel cell module.SOLUTION: A solid oxide fuel cell (1) includes: a fuel cell module (2); fuel supply means (38); generating oxidant gas supply means (45); a combustion section (18) for combusting residual fuel; a heat storage material (7); demand detection means (126); temperature detection means (142); heat storage estimation means (110a) for integrating temperatures to estimate a heat storage; and control means (110) for executing appropriate temperature control using a heating effect of fuel and a cooling effect of generating oxidant gas. The control means has fuel usage rate adjustment means (110b) for, when the fuel cell module is within an appropriate temperature range, correcting fuel and oxidant gas supplies such that a fuel usage rate increases while substantially keeping the appropriate temperature range.

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池に関し、特に、需要電力に応じた可変の発電電力を生成する固体酸化物型燃料電池に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell, and more particularly to a solid oxide fuel cell that generates variable generated power according to demand power.

固体酸化物型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」とも言う)は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤(空気、酸素等)を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。   A solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as “SOFC”) uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, attaches electrodes on both sides thereof, and supplies fuel gas on one side, The fuel cell operates at a relatively high temperature by supplying an oxidant (air, oxygen, etc.) to the other side.

このSOFCにおいては、酸化物イオン導電性固体電解質を通過した酸素イオンと燃料との反応によって水蒸気又は二酸化炭素を生成し、電気エネルギー及び熱エネルギーが発生する。電気エネルギーは、SOFC外部に取り出されて、各種電気的用途に使用される。一方、熱エネルギーは、燃料、改質器、水及び酸化剤等の温度を上昇させるために使用される。   In this SOFC, water vapor or carbon dioxide is generated by the reaction between oxygen ions that have passed through the oxide ion conductive solid electrolyte and fuel, and electric energy and thermal energy are generated. Electric energy is taken out of the SOFC and used for various electrical applications. On the other hand, thermal energy is used to raise the temperature of fuel, reformer, water, oxidant and the like.

特開2010−92836号公報(特許文献1)には、燃料電池装置が記載されている。この燃料電池装置は、需要電力に応じて発電電力を変化させるタイプの固体酸化物型燃料電池であり、発電電力が少ない低負荷領域においては、発電電力の大きい高負荷領域よりも、燃料利用率を低下させた運転を行うことが開示されている。即ち特許文献1では、発電電力が少ない状態においては、供給される燃料のうちの発電に使用される割合が低下されるが、その一方で、発電に使用されずに燃料電池モジュールの加熱に使用される燃料はあまり低下させずに燃料電池モジュールの加熱に多くの割合の燃料が使用されるように構成することで、燃料電池モジュールを熱的に自立させ、発電可能な温度に維持しているものである。   Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2010-92836 (Patent Document 1) describes a fuel cell device. This fuel cell device is a solid oxide fuel cell of a type that changes generated power according to demand power, and in a low load region where the generated power is low, a fuel utilization rate is higher than in a high load region where the generated power is large. It is disclosed that the operation is performed with reduced pressure. That is, in Patent Document 1, when the generated power is low, the ratio of the supplied fuel used for power generation is reduced, but on the other hand, it is not used for power generation but used for heating the fuel cell module. The fuel cell module is configured so that a large proportion of fuel is used to heat the fuel cell module without causing a significant decrease in the fuel generated, so that the fuel cell module is thermally self-supported and maintained at a temperature capable of generating electricity. Is.

具体的には、発電電力の少ない領域においては、発電に伴い燃料電池セルユニットに発生する発電熱が減少するので、燃料電池モジュール内の温度が低下しやすい傾向にあるため、発電電力の少ない領域においても一定の燃料利用率を維持していると燃料電池モジュール内の温度低下を引き起こし、発電可能な温度を維持することが困難になるため燃料利用率を犠牲にしてでも燃料電池モジュールの加熱用の燃料を多くして熱的自立を可能にしているものである。   Specifically, in the region where the generated power is low, the heat generated in the fuel cell unit decreases with the power generation, so the temperature inside the fuel cell module tends to decrease, so the region where the generated power is low However, if a constant fuel utilization rate is maintained, the temperature inside the fuel cell module will decrease, making it difficult to maintain the temperature at which power can be generated. This makes it possible to increase the amount of fuel used to enable thermal independence.

しかしながら、燃料利用率を低下させることは、熱自立は図れても発電に寄与しない燃料を増加させることであるため、燃料利用率を低下させた運転を行うと、固体酸化物型燃料電池の総合的なエネルギー効率の低下を招くという問題がある。このように、燃料利用率を低下させた状態の運転が長くなるほど総合的なエネルギー効率は低下するので、一般に高分子膜形の燃料電池(PEFC)よりもエネルギー効率が高いとされている固体酸化物型燃料電池(SOFC)の優位性が損なわれることにも繋がる。   However, lowering the fuel utilization rate means increasing the amount of fuel that does not contribute to power generation even if thermal independence can be achieved. Therefore, if the operation with reduced fuel utilization rate is performed, the solid oxide fuel cell There is a problem that it causes a decrease in energy efficiency. Thus, the longer the operation in a state where the fuel utilization rate is lowered, the lower the overall energy efficiency. Therefore, solid oxidation generally considered to be higher in energy efficiency than a polymer membrane fuel cell (PEFC). This leads to the loss of the superiority of the physical fuel cell (SOFC).

特に、固体酸化物型燃料電池を家庭用に使用することを想定すると、家人が就寝中の深夜等、1日のうちの所定の時間は必ず燃料電池は発電電力が少ない状態で使用されることが必ず発生することになり、これが固体酸化物型燃料電池の総合的なエネルギー効率を著しく低下させることになるため、このような発電電力の少ない状態にあっても燃料利用率の高い高効率な運転を実現できる優れた技術が固体酸化物型燃料電池においては望まれていたものである。   In particular, assuming that a solid oxide fuel cell is used for home use, the fuel cell must be used with a small amount of generated power for a predetermined time of the day, such as late at night when a householder is sleeping. This will significantly reduce the overall energy efficiency of the solid oxide fuel cell. Therefore, even in such a low power generation state, the fuel efficiency is high and the efficiency is high. An excellent technology capable of realizing operation has been desired for a solid oxide fuel cell.

一方、燃料電池セル等を収納する筐体の断熱性を高めていくと、燃料電池セルに供給され、発電に利用されずに残った残余の燃料で上昇された筐体内の温度を維持する保温性能が高まるため、投入熱量を減じることができ、燃料効率を高めることができる。しかし、残余燃料が余剰となる状況においては、筐体内の温度が上昇しすぎるという別の問題が発生する。筐体内の温度が過剰に上昇すると、筐体内の燃料電池セルや、改質器等が損傷される場合がある。また、過剰に上昇した温度は、筐体の断熱性が高く、極めて熱容量が大きいため、適正温度まで低下させることが容易ではなく、更なる過昇温を招くと言う課題が生じる。   On the other hand, if the heat insulation of the housing for storing the fuel cells and the like is increased, the heat insulation that maintains the temperature inside the housing raised by the remaining fuel that is supplied to the fuel cells and not used for power generation is maintained. Since the performance is increased, the input heat amount can be reduced and the fuel efficiency can be increased. However, in a situation where the residual fuel becomes excessive, another problem that the temperature inside the casing rises excessively occurs. If the temperature in the casing rises excessively, the fuel cell in the casing, the reformer, etc. may be damaged. In addition, the excessively raised temperature has a high heat insulating property and a very large heat capacity, so that it is not easy to lower the temperature to an appropriate temperature, and there is a problem that further excessive temperature rise is caused.

ここで、特開2010−205670号公報(特許文献2)には、燃料電池システムに蓄積された余熱を利用して燃料利用率を高くする技術が記載されている。燃料電池システムでは発電電力の多い高負荷帯域では高温になり、発電電力が小さくなると若干温度を下げて運転させることが可能である。このため、高負荷から低負荷になった後、しばらくの間は高負荷領域における温度となっており、モジュール内は蓄積された余熱により低負荷領域における運転温度よりも高い温度に維持される。特許文献2記載の発明では、この余熱を利用して燃料利用率を高くし、熱自立するために必要な熱量を余熱を消費することにより補っている。言い換えると熱自立が可能な燃料供給量よりも少ない燃料まで燃料利用率を高めた運転を可能とした優れた技術である。   Here, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2010-205670 (Patent Document 2) describes a technique for increasing the fuel utilization rate by using the residual heat accumulated in the fuel cell system. The fuel cell system can be operated at a high temperature in a high load zone where the generated power is large, and when the generated power is small, the temperature can be lowered slightly. For this reason, after the load changes from a high load to a low load, the temperature in the high load region is maintained for a while, and the inside of the module is maintained at a temperature higher than the operation temperature in the low load region due to the accumulated heat. In the invention described in Patent Document 2, the remaining heat is used to increase the fuel utilization rate, and the amount of heat necessary for heat self-supporting is supplemented by consuming the remaining heat. In other words, it is an excellent technology that enables operation with an increased fuel utilization rate up to fuel that is less than the amount of fuel that can be thermally independent.

特開2010−92836号公報JP 2010-92936 A 特開2010−205670号公報JP 2010-205670 A

しかしながら、特許文献2記載の発明においては、蓄積されている余熱の推定を電気負荷の積分値から求めているため、残余燃料が余剰となることに起因して発生する過昇温という上記の特有の課題に対してはこれを上手く機能させることができなかった。具体的には、特許文献2記載の発明では、発電電力から間接的に燃料供給量を把握し、これに基づいて余熱を推定することになるため、発電に利用されずに残った残余燃料を把握することができず、これに起因する過昇温を防止することはできない。従って、上記の特有の課題を解決するために特許文献2記載の発明を適用することはできない。   However, in the invention described in Patent Document 2, since the accumulated residual heat is estimated from the integrated value of the electric load, the above-described characteristic of excessive temperature rise caused by the surplus fuel remaining It was not possible to make this work well for the problem. Specifically, in the invention described in Patent Document 2, since the amount of fuel supply is indirectly grasped from the generated power and the residual heat is estimated based on this, the residual fuel remaining without being used for power generation is determined. It cannot be grasped, and overheating caused by this cannot be prevented. Therefore, the invention described in Patent Document 2 cannot be applied to solve the above specific problem.

また、余熱を利用して燃料利用率を高めた運転を行い、燃料電池モジュール内の温度が適正温度に安定した状態で運転が継続していたとしても、必ずしもその運転状態におけるエネルギー効率が高いということはできない。即ち、燃料供給量の増大は残余燃料の増加に繋がり、これが燃料電池モジュール内の温度を上昇させる。一方、発電用空気供給量を増大させると、燃料電池モジュールから奪われる熱が増大するため、燃料電池モジュール内の温度を低下させる。従って、発電電力に対して過剰な燃料を供給して燃料電池モジュール内を加熱しながら、過剰な発電用空気を供給して燃料電池モジュール内を冷却している場合には、燃料電池モジュール内温度が適正温度に安定した状態であっても、エネルギー効率は低いものとなる。しかしながら、燃料電池モジュール内温度を単に適正温度に安定させるだけの制御では、このようなエネルギー効率の低い安定状態から脱出し、効率を高めることはできないという問題がある。   In addition, even if the operation is continued with the temperature inside the fuel cell module stabilized at an appropriate temperature, the energy efficiency in the operation state is necessarily high, even if the fuel utilization rate is increased by utilizing the residual heat. It is not possible. That is, an increase in the fuel supply amount leads to an increase in residual fuel, which raises the temperature in the fuel cell module. On the other hand, when the power supply air supply amount is increased, the heat taken from the fuel cell module is increased, so that the temperature in the fuel cell module is lowered. Accordingly, when the fuel cell module is heated by supplying an excessive amount of fuel to the generated power and heating the inside of the fuel cell module, the fuel cell module temperature is decreased. Even in a state where the temperature is stable at an appropriate temperature, the energy efficiency is low. However, there is a problem that control that simply stabilizes the temperature inside the fuel cell module to an appropriate temperature cannot escape from such a stable state with low energy efficiency and increase the efficiency.

従って、本発明は、蓄積された余熱を利用すると共に、燃料電池モジュール内を安定して適正温度に維持しながら、エネルギー効率を高め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している。   SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell that can utilize the accumulated residual heat and increase the energy efficiency while stably maintaining the inside of the fuel cell module at an appropriate temperature. Yes.

上述した課題を解決するために、本発明は、需要電力に応じた可変の発電電力を生成する固体酸化物型燃料電池であって、供給された燃料により発電する燃料電池モジュールと、この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段と、燃料電池モジュールに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、燃料供給手段により供給され、発電に利用されずに残った残余燃料を燃焼させ、燃料電池モジュール内を加熱する燃焼部と、燃料電池モジュールで発生した熱を蓄積する蓄熱材と、需要電力を検出する需要電力検出手段と、燃料電池モジュール内の温度を検出する温度検出手段と、この温度検出手段により検出された温度を積算することにより、蓄熱材に蓄積された蓄熱量を推定する蓄熱量推定手段と、需要電力検出手段により検出された需要電力及び蓄熱量推定手段により推定された蓄熱量に基づいて、推定された蓄熱量が大きい場合には、同一の発電電力に対して燃料利用率が高くなり残存熱量が利用されるように、燃料供給手段及び発電用酸化剤ガス供給手段を制御すると共に、燃料供給量を増加させることによる加熱効果と、発電用酸化剤ガス供給量を増加させることによる冷却効果を利用して、燃料電池モジュール内の温度を所定の適正温度範囲に収束させる適正温度制御を実行する制御手段と、を有し、制御手段は、燃料電池モジュール内の温度が適正温度範囲内にある場合において、温度が適正温度範囲から概ね外れることなく燃料利用率が高くなるように、適正温度制御により設定された燃料供給量及び/又は発電用酸化剤ガス供給量を補正する燃料利用率調整手段を有することを特徴としている。   In order to solve the above-described problems, the present invention provides a solid oxide fuel cell that generates variable generated power according to demand power, a fuel cell module that generates power using supplied fuel, and the fuel cell. Fuel supply means for supplying fuel to the module, oxidant gas supply means for power generation for supplying oxidant gas for power generation to the fuel cell module, and residual fuel supplied by the fuel supply means and not used for power generation A combustion section that heats the inside of the fuel cell module, a heat storage material that accumulates heat generated in the fuel cell module, a demand power detection means that detects demand power, and a temperature that detects the temperature in the fuel cell module A heat storage amount estimating means for estimating the amount of heat stored in the heat storage material by integrating the temperature detected by the temperature detecting means; If the estimated heat storage amount is large based on the demand power detected by the heat storage amount and the heat storage amount estimated by the heat storage amount estimation means, the fuel utilization rate increases for the same generated power and the residual heat amount is used. As described above, the fuel supply means and the power generation oxidant gas supply means are controlled, and the heating effect by increasing the fuel supply amount and the cooling effect by increasing the power generation oxidant gas supply amount are utilized. And a control means for executing an appropriate temperature control for converging the temperature in the fuel cell module to a predetermined appropriate temperature range, and the control means, when the temperature in the fuel cell module is in the appropriate temperature range, Correct the fuel supply amount and / or oxidant gas supply amount for power generation set by the appropriate temperature control so that the fuel utilization rate becomes high without the temperature largely deviating from the appropriate temperature range. It is characterized by having a fuel utilization rate adjusting means that.

このように構成された本発明においては、燃料供給手段及び発電用酸化剤ガス供給手段は、燃料電池モジュールに燃料及び発電用酸化剤ガスを夫々供給する。燃料電池モジュールは供給された燃料及び発電用酸化剤ガスにより発電すると共に、発電に利用されずに残った残余燃料は燃焼部で燃焼され、発生した熱は蓄熱材に蓄積される。制御手段は、需要電力検出手段により検出された需要電力及び蓄熱量推定手段により推定された蓄熱量に基づいて、推定された蓄熱量が大きい場合には、同一の発電電力に対して燃料利用率が高くなり、残存熱量が利用されるように、燃料供給手段及び発電用酸化剤ガス供給手段を制御する。また、制御手段は、燃料供給量を増加させることによる加熱効果と、発電用酸化剤ガス供給量を増加させることによる冷却効果を利用して、燃料電池モジュール内の温度を所定の適正温度範囲に収束させる適正温度制御を実行する。制御手段に内蔵された燃料利用率調整手段は、燃料電池モジュール内の温度が適正温度範囲内にある場合において、温度が適正温度範囲から概ね外れることなく燃料利用率が高くなるように、適正温度制御により設定された燃料供給量及び/又は発電用酸化剤ガス供給量を補正する。   In the present invention configured as described above, the fuel supply unit and the power generation oxidant gas supply unit respectively supply the fuel and the power generation oxidant gas to the fuel cell module. The fuel cell module generates electric power using the supplied fuel and oxidant gas for power generation, and the remaining fuel that is not used for power generation is burned in the combustion section, and the generated heat is accumulated in the heat storage material. When the estimated heat storage amount is large based on the demand power detected by the demand power detection means and the heat storage amount estimated by the heat storage amount estimation means, the control means uses the fuel utilization rate for the same generated power. The fuel supply means and the oxidant gas supply means for power generation are controlled so that the residual heat quantity is utilized. In addition, the control means uses the heating effect by increasing the fuel supply amount and the cooling effect by increasing the oxidant gas supply amount for power generation to bring the temperature in the fuel cell module into a predetermined appropriate temperature range. Execute the appropriate temperature control to converge. The fuel utilization rate adjusting means incorporated in the control means is designed to ensure that when the temperature in the fuel cell module is within the appropriate temperature range, the fuel utilization rate becomes high without the temperature largely deviating from the appropriate temperature range. The fuel supply amount and / or the oxidant gas supply amount for power generation set by the control are corrected.

このように構成された本発明によれば、推定された蓄熱量が大きい場合には、同一の発電電力に対して燃料利用率が高くされるので、蓄積された熱量を利用して、固体酸化物型燃料電池のエネルギー効率を向上させることができる。また、このように構成された本発明によれば、蓄熱量が大きい場合には蓄熱が利用されるので、エネルギー効率を低下させることなく、燃料電池モジュール内の温度を適正温度範囲に維持する適正温度制御を実行することができる。しかしながら、適正温度制御により、燃料電池モジュールが適正温度に維持され、安定した運転が行われていても、その状態におけるエネルギー効率が低い場合もある。例えば、燃料供給量を増加させた加熱と、発電用酸化剤ガス供給量を増加させた冷却が共存する状態で熱的に安定している場合には、供給された燃料が浪費され、エネルギー効率は低いものとなる。本発明の固体酸化物型燃料電池によれば、温度が適正温度範囲内にある状態において、燃料利用率調整手段が、適正温度範囲から概ね外れることなく燃料利用率が高くなるように、適正温度制御により設定された燃料供給量及び/又は発電用酸化剤ガス供給量を補正するので、適正温度とエネルギー効率の向上を両立させることができる。   According to the present invention configured as described above, when the estimated heat storage amount is large, the fuel utilization rate is increased for the same generated power. The energy efficiency of the fuel cell can be improved. Further, according to the present invention configured as above, since the heat storage is used when the amount of heat storage is large, it is possible to maintain the temperature in the fuel cell module within an appropriate temperature range without reducing the energy efficiency. Temperature control can be performed. However, even if the fuel cell module is maintained at an appropriate temperature and is operated stably by appropriate temperature control, the energy efficiency in that state may be low. For example, if the heating with increased fuel supply and the cooling with increased oxidant gas supply for power generation coexist and are thermally stable, the supplied fuel is wasted and energy efficiency Is low. According to the solid oxide fuel cell of the present invention, in a state where the temperature is within the appropriate temperature range, the fuel utilization rate adjusting means is adjusted so as to increase the fuel utilization rate without substantially deviating from the appropriate temperature range. Since the fuel supply amount and / or the oxidant gas supply amount for power generation set by the control are corrected, it is possible to achieve both improvement of the appropriate temperature and energy efficiency.

本発明において、好ましくは、燃料利用率調整手段は、燃料電池モジュール内の温度の変化率が所定の補正禁止変化率以上である場合には、補正を実行しない。
一般に、燃料電池モジュールは熱容量が大きいため、現時点で燃料電池モジュールが適正温度範囲にあるとしても、温度がそのまま適正温度範囲内に収束されず、適正温度範囲を通り越してしまう場合がある。このような、熱的に不安定な状態において燃料利用率調整制御を実行すると、燃料電池モジュールの熱的バランスが大きく崩れ、急激な温度降下や過昇温に至る場合がある。上記のように構成された本発明によれば、燃料電池モジュールが適正温度範囲にあっても、温度の変化率が大きい場合には補正が実行されないため、燃料利用率調整制御により、急激な温度降下や過昇温が生じるのを防止することができる。
In the present invention, preferably, the fuel utilization rate adjusting means does not perform the correction when the rate of change in temperature in the fuel cell module is equal to or greater than a predetermined correction prohibition change rate.
In general, since the fuel cell module has a large heat capacity, even if the fuel cell module is currently in the proper temperature range, the temperature may not be converged within the proper temperature range as it is, and may pass the proper temperature range. When the fuel utilization rate adjustment control is executed in such a thermally unstable state, the thermal balance of the fuel cell module may be greatly broken, leading to a rapid temperature drop or excessive temperature rise. According to the present invention configured as described above, even when the fuel cell module is in the proper temperature range, the correction is not executed when the temperature change rate is large. It is possible to prevent the descent and overheating.

本発明において、好ましくは、燃料利用率調整手段による補正の結果、燃料供給量及び発電用酸化剤ガス供給量が共に変化する。
このように構成された本発明によれば、燃料供給量低下による温度低下と、発電用酸化剤ガス供給量低下による温度上昇が相殺され、燃料供給量を低下させながら、熱的なバランスを維持することができる。
In the present invention, preferably, the fuel supply amount and the oxidant gas supply amount for power generation both change as a result of the correction by the fuel utilization rate adjusting means.
According to the present invention configured as described above, the temperature decrease due to the fuel supply amount decrease and the temperature increase due to the power generation oxidant gas supply amount decrease are offset, and the thermal balance is maintained while the fuel supply amount is decreased. can do.

本発明において、好ましくは、燃料利用率調整手段は、燃料供給量及び発電用酸化剤ガス供給量が減少されるように補正を実行すると共に、補正による発電用酸化剤ガス供給量の変化率が、燃料供給量の変化率よりも大きくなるように、燃料供給手段及び発電用酸化剤ガス供給手段を制御する。   In the present invention, preferably, the fuel utilization rate adjusting means performs correction so that the fuel supply amount and the power generation oxidant gas supply amount are decreased, and the change rate of the power generation oxidant gas supply amount due to the correction is increased. Then, the fuel supply means and the power generating oxidant gas supply means are controlled so as to be larger than the change rate of the fuel supply amount.

このように構成された本発明によれば、燃料利用率調整手段により燃料供給量及び発電用酸化剤ガス供給量が減少された場合でも、発電用酸化剤ガス供給量の変化率が大きくなるように補正されるので、燃料供給量の急激な補正により、燃料電池モジュールが適正温度範囲から逸脱するリスクを抑制することができる。   According to the present invention configured as described above, even when the fuel supply amount and the power generation oxidant gas supply amount are reduced by the fuel utilization rate adjusting means, the rate of change of the power generation oxidant gas supply amount is increased. Therefore, the risk of the fuel cell module deviating from the appropriate temperature range can be suppressed by the rapid correction of the fuel supply amount.

本発明において、好ましくは、燃料利用率調整手段は、発電用酸化剤ガス供給手段のみを制御して発電用酸化剤ガス供給量を減じると共に、発電用酸化剤ガス供給量の減少に伴う燃料電池モジュール内の温度上昇に対応した適正温度制御により燃料供給量が減少される。   In the present invention, preferably, the fuel utilization rate adjusting means controls only the oxidant gas supply means for power generation to reduce the supply amount of oxidant gas for power generation, and a fuel cell accompanying a decrease in the supply amount of oxidant gas for power generation. The fuel supply amount is reduced by appropriate temperature control corresponding to the temperature rise in the module.

このように構成された本発明によれば、燃料利用率調整制御においては、発電用酸化剤ガス供給量のみを減じるので、燃料供給量が燃料利用率調整制御により直接補正されることがない。このため、燃料供給量を補正して急激に変化させることにより、熱的なバランスが大きく崩れるのを防止することができる。   According to the present invention configured as described above, in the fuel utilization rate adjustment control, only the power generation oxidant gas supply amount is reduced, so that the fuel supply amount is not directly corrected by the fuel utilization rate adjustment control. For this reason, it is possible to prevent the thermal balance from being largely lost by correcting the fuel supply amount and changing it rapidly.

本発明において、好ましくは、燃料利用率調整手段は、蓄熱量推定手段による温度の積算値を増減させることにより、この積算値に基づいて決定される燃料供給量を減少させ、及び/又は積算値に基づいて決定される発電用酸化剤ガス供給量を減少させる。   In the present invention, preferably, the fuel utilization rate adjusting means decreases the fuel supply amount determined based on the integrated value by increasing / decreasing the integrated value of the temperature by the heat storage amount estimating means, and / or the integrated value. The oxidant gas supply amount for power generation determined based on the above is reduced.

このように構成された本発明によれば、温度の積算値を増減させることにより、燃料供給量及び/又は発電用酸化剤ガス供給量を減少させるので、供給量を直接補正する場合に比べ、緩やかに燃料利用率を高くすることができ、燃料電池モジュール内の温度が適正温度範囲から外れるリスクをより少なくすることができる。   According to the present invention configured as described above, the fuel supply amount and / or the oxidant gas supply amount for power generation is decreased by increasing or decreasing the integrated value of the temperature. Therefore, compared with the case of directly correcting the supply amount, The fuel utilization rate can be increased gradually, and the risk that the temperature in the fuel cell module deviates from the appropriate temperature range can be further reduced.

本発明において、好ましくは、燃料利用率調整手段は、発電用酸化剤ガス供給量を決定するために使用される積算値のみを減少させることにより、発電用酸化剤ガス供給量を減少させる。   In the present invention, preferably, the fuel utilization rate adjusting means reduces the power generation oxidant gas supply amount by reducing only the integrated value used for determining the power generation oxidant gas supply amount.

このように構成された本発明によれば、積算値を減少させることにより、発電用酸化剤ガス供給量のみを減少させるので、燃料供給量を決定するための積算値を変更する場合に比べ、燃料供給量は緩やかに変化するので、より確実に燃料電池モジュール内の温度を適正温度範囲に維持することができる。   According to the present invention configured as described above, since only the power generation oxidant gas supply amount is decreased by reducing the integrated value, compared to the case where the integrated value for determining the fuel supply amount is changed, Since the fuel supply amount changes gradually, the temperature in the fuel cell module can be more reliably maintained within the appropriate temperature range.

本発明の固体酸化物型燃料電池によれば、蓄積された余熱を利用することによりエネルギー効率を向上させながら、排気中に含まれる有害なガスを減じることができる。   According to the solid oxide fuel cell of the present invention, harmful gas contained in exhaust gas can be reduced while improving energy efficiency by utilizing the accumulated residual heat.

本発明の一実施形態による燃料電池装置を示す全体構成図である。1 is an overall configuration diagram showing a fuel cell device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。It is front sectional drawing which shows the fuel cell module of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention. 図2のIII-III線に沿った断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 2. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing a fuel cell unit of a fuel cell device by one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the fuel cell stack of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による燃料電池装置を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a fuel cell device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の起動時の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation | movement at the time of starting of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の停止時の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation | movement at the time of the stop of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態の固体酸化物型燃料電池における出力電流と燃料供給量の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the output electric current and fuel supply amount in the solid oxide fuel cell of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態の固体酸化物型燃料電池における出力電流と、供給された燃料により発生する熱量の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the output electric current in the solid oxide fuel cell of 1st Embodiment of this invention, and the calorie | heat amount which generate | occur | produces with the supplied fuel. 需要電力の変化と、燃料供給量、及び燃料電池モジュールから実際に取り出される電流の関係を模式的に示したグラフである。It is the graph which showed typically the relation of the change of demand electric power, the amount of fuel supply, and the current actually taken out from a fuel cell module. 発電用空気供給量、水供給量、燃料供給量、及び燃料電池モジュールから実際に取り出される電流の関係の一例を示したグラフである。It is the graph which showed an example of the relationship of the electric current actually taken out from the air supply amount for power generation, the water supply amount, the fuel supply amount, and the fuel cell module. 検出温度Tdに基づいて発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量を決定する手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure which determines the air supply amount for electric power generation, the water supply amount, and the fuel supply amount based on detection temperature Td. 発電電流に対する適正な燃料電池セルスタックの温度を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature of the appropriate fuel cell stack with respect to a generated electric current. 積算値に応じて決定される燃料利用率を示すグラフである。It is a graph which shows the fuel usage rate determined according to an integrated value. 各発電電流に対して決定され得る燃料利用率の値の範囲を示すグラフである。It is a graph which shows the range of the value of the fuel utilization factor which can be determined with respect to each generated current. 積算値に応じて決定される空気利用率を示すグラフである。It is a graph which shows the air utilization factor determined according to an integrated value. 各発電電流に対して決定され得る空気利用率の値の範囲を示すグラフである。It is a graph which shows the range of the value of the air utilization factor which can be determined with respect to each generated electric current. 決定された空気利用率に対して水供給量を決定するためのグラフである。It is a graph for determining water supply with respect to the determined air utilization rate. 発電電流に対する適正な燃料電池モジュールの発電電圧を示すグラフである。It is a graph which shows the electric power generation voltage of the fuel cell module appropriate with respect to electric power generation current. 図13のフローチャートから呼び出される、燃料利用率調整制御を行うためのサブルーチンのフローチャートである。It is a flowchart of the subroutine for performing fuel utilization rate adjustment control called from the flowchart of FIG. 燃料利用率調整制御による制御の一例を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows an example of the control by fuel utilization rate adjustment control.

次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)を説明する。
図1は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)を示す全体構成図である。この図1に示すように、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)1は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。
Next, a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a solid oxide fuel cell (SOFC) 1 according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell module 2 and an auxiliary unit 4.

燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備え、このハウジング6内部には、断熱材7を介して密封空間8が形成されている。この密閉空間8の下方部分である発電室10には、燃料ガスと酸化剤(空気)とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体12が配置されている。この燃料電池セル集合体12は、10個の燃料電池セルスタック14(図5参照)を備え、この燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16(図4参照)から構成されている。このように、燃料電池セル集合体12は、160本の燃料電池セルユニット16を有し、これらの燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されている。   The fuel cell module 2 includes a housing 6, and a sealed space 8 is formed inside the housing 6 via a heat insulating material 7. A fuel cell assembly 12 that performs a power generation reaction with fuel gas and an oxidant (air) is disposed in a power generation chamber 10 that is a lower portion of the sealed space 8. The fuel cell assembly 12 includes ten fuel cell stacks 14 (see FIG. 5), and the fuel cell stack 14 includes 16 fuel cell unit 16 (see FIG. 4). Yes. Thus, the fuel cell assembly 12 has 160 fuel cell units 16, and all of these fuel cell units 16 are connected in series.

燃料電池モジュール2の密封空間8の上述した発電室10の上方には、燃焼室18が形成され、この燃焼室18で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤(空気)とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。
また、この燃焼室18の上方には、燃料ガスを改質する改質器20が配置され、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器20を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器20の上方には、改質器20の熱を受けて空気を加熱し、改質器20の温度低下を抑制するための空気用熱交換器22が配置されている。
A combustion chamber 18 is formed above the above-described power generation chamber 10 in the sealed space 8 of the fuel cell module 2. In this combustion chamber 18, the remaining fuel gas that has not been used for the power generation reaction and the remaining oxidant (air) ) And combusted to generate exhaust gas.
Further, a reformer 20 for reforming the fuel gas is disposed above the combustion chamber 18, and the reformer 20 is heated to a temperature at which a reforming reaction can be performed by the combustion heat of the residual gas. ing. Further, an air heat exchanger 22 is disposed above the reformer 20 to heat the air by receiving heat from the reformer 20 and suppress a temperature drop of the reformer 20.

次に、補機ユニット4は、水道等の水供給源24からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク26と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット28(モータで駆動される「水ポンプ」等)を備えている。また、補機ユニット4は、都市ガス等の燃料供給源30から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁32と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器36と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット38(モータで駆動される「燃料ポンプ」等)を備えている。さらに、補機ユニット4は、空気供給源40から供給される酸化剤である空気を遮断する電磁弁42と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット44及び発電用空気流量調整ユニット45(モータで駆動される「空気ブロア」等)と、改質器20に供給される改質用空気を加熱する第1ヒータ46と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第2ヒータ48とを備えている。これらの第1ヒータ46と第2ヒータ48は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。   Next, the auxiliary unit 4 stores a pure water tank 26 that stores water from a water supply source 24 such as tap water and uses the filter to obtain pure water, and a water flow rate that adjusts the flow rate of the water supplied from the water storage tank. An adjustment unit 28 (such as a “water pump” driven by a motor) is provided. The auxiliary unit 4 also includes a gas shut-off valve 32 that shuts off the fuel gas supplied from a fuel supply source 30 such as city gas, a desulfurizer 36 for removing sulfur from the fuel gas, and a flow rate of the fuel gas. A fuel flow rate adjusting unit 38 (such as a “fuel pump” driven by a motor) is provided. Further, the auxiliary unit 4 includes an electromagnetic valve 42 that shuts off air that is an oxidant supplied from the air supply source 40, a reforming air flow rate adjusting unit 44 that adjusts the flow rate of air, and a power generation air flow rate adjusting unit. 45 (such as an “air blower” driven by a motor), a first heater 46 for heating the reforming air supplied to the reformer 20, and a second for heating the power generating air supplied to the power generation chamber And a heater 48. The first heater 46 and the second heater 48 are provided in order to efficiently raise the temperature at startup, but may be omitted.

次に、燃料電池モジュール2には、排気ガスが供給される温水製造装置50が接続されている。この温水製造装置50には、水供給源24から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
また、燃料電池モジュール2には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス52が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール2には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54が接続されている。
Next, a hot water production apparatus 50 to which exhaust gas is supplied is connected to the fuel cell module 2. The hot water production apparatus 50 is supplied with tap water from the water supply source 24, and the tap water is heated by the heat of the exhaust gas and supplied to a hot water storage tank of an external hot water heater (not shown).
The fuel cell module 2 is provided with a control box 52 for controlling the amount of fuel gas supplied and the like.
Furthermore, the fuel cell module 2 is connected to an inverter 54 that is a power extraction unit (power conversion unit) for supplying the power generated by the fuel cell module to the outside.

次に、図2及び図3により、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)の燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図2は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図3は、図2のIII-III線に沿って断面図である。
図2及び図3に示すように、燃料電池モジュール2のハウジング6内の密閉空間8には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体12、改質器20、空気用熱交換器22が配置されている。
Next, the internal structure of a solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell module according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a side sectional view showing a solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell module according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. .
As shown in FIGS. 2 and 3, in the sealed space 8 in the housing 6 of the fuel cell module 2, as described above, the fuel cell assembly 12, the reformer 20, and the air heat exchange are sequentially performed from below. A vessel 22 is arranged.

改質器20は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管60と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管62が取り付けられ、また、改質器20の内部には、上流側から順に、蒸発部20aと改質部20bを形成され、これらの蒸発部20aと改質部20bには改質触媒が充填されている。この改質器20に導入された水蒸気(純水)が混合された燃料ガス及び空気は、改質器20内に充填された改質触媒により改質される。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。   The reformer 20 is provided with a pure water introduction pipe 60 for introducing pure water and a reformed gas introduction pipe 62 for introducing reformed fuel gas and reforming air to the upstream end side thereof. In the reformer 20, an evaporator 20a and a reformer 20b are formed in this order from the upstream side, and the evaporator 20a and the reformer 20b are filled with a reforming catalyst. The fuel gas and air mixed with the steam (pure water) introduced into the reformer 20 are reformed by the reforming catalyst filled in the reformer 20. As the reforming catalyst, a catalyst obtained by imparting nickel to the alumina sphere surface or a catalyst obtained by imparting ruthenium to the alumina sphere surface is appropriately used.

この改質器20の下流端側には、燃料ガス供給管64が接続され、この燃料ガス供給管64は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体12の下方に形成されたマニホールド66内で水平に延びている。燃料ガス供給管64の水平部64aの下方面には、複数の燃料供給孔64bが形成されており、この燃料供給孔64bから、改質された燃料ガスがマニホールド66内に供給される。   A fuel gas supply pipe 64 is connected to the downstream end side of the reformer 20, and the fuel gas supply pipe 64 extends downward and further in an manifold 66 formed below the fuel cell assembly 12. It extends horizontally. A plurality of fuel supply holes 64 b are formed in the lower surface of the horizontal portion 64 a of the fuel gas supply pipe 64, and the reformed fuel gas is supplied into the manifold 66 from the fuel supply holes 64 b.

このマニホールド66の上方には、上述した燃料電池セルスタック14を支持するための貫通孔を備えた下支持板68が取り付けられており、マニホールド66内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット16内に供給される。   A lower support plate 68 having a through hole for supporting the fuel cell stack 14 described above is attached above the manifold 66, and the fuel gas in the manifold 66 flows into the fuel cell unit 16. Supplied.

次に、改質器20の上方には、空気用熱交換器22が設けられている。この空気用熱交換器22は、上流側に空気集約室70、下流側に2つの空気分配室72を備え、これらの空気集約室70と空気分配室72は、6個の空気流路管74により接続されている。ここで、図3に示すように、3個の空気流路管74が一組(74a,74b,74c,74d,74e,74f)となっており、空気集約室70内の空気が各組の空気流路管74からそれぞれの空気分配室72へ流入する。   Next, an air heat exchanger 22 is provided above the reformer 20. The air heat exchanger 22 includes an air aggregation chamber 70 on the upstream side and two air distribution chambers 72 on the downstream side. The air aggregation chamber 70 and the air distribution chamber 72 include six air flow path tubes 74. Connected by. Here, as shown in FIG. 3, three air flow path pipes 74 form a set (74a, 74b, 74c, 74d, 74e, 74f), and the air in the air collecting chamber 70 is in each set. It flows into each air distribution chamber 72 from the air flow path pipe 74.

空気用熱交換器22の6個の空気流路管74内を流れる空気は、燃焼室18で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。
空気分配室72のそれぞれには、空気導入管76が接続され、この空気導入管76は、下方に延び、その下端側が、発電室10の下方空間に連通し、発電室10に余熱された空気を導入する。
The air flowing through the six air flow path pipes 74 of the air heat exchanger 22 is preheated by exhaust gas that burns and rises in the combustion chamber 18.
An air introduction pipe 76 is connected to each of the air distribution chambers 72, the air introduction pipe 76 extends downward, and the lower end side communicates with the lower space of the power generation chamber 10, and the air that has been preheated in the power generation chamber 10. Is introduced.

次に、マニホールド66の下方には、排気ガス室78が形成されている。また、図3に示すように、ハウジング6の長手方向に沿った面である前面6aと後面6bの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路80が形成され、この排気ガス室通路80の上端側は、空気用熱交換器22が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室78と連通している。また、排気ガス室78の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管82が接続され、この排気ガス排出管82の下流端は、図1に示す上述した温水製造装置50に接続されている。
図2に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置83が、燃焼室18に設けられている。
Next, an exhaust gas chamber 78 is formed below the manifold 66. Further, as shown in FIG. 3, an exhaust gas passage 80 extending in the vertical direction is formed inside the front surface 6 a and the rear surface 6 b which are surfaces along the longitudinal direction of the housing 6, and the upper end of the exhaust gas chamber passage 80 is formed. The side communicates with the space in which the air heat exchanger 22 is disposed, and the lower end side communicates with the exhaust gas chamber 78. Further, an exhaust gas discharge pipe 82 is connected to substantially the center of the lower surface of the exhaust gas chamber 78, and the downstream end of the exhaust gas discharge pipe 82 is connected to the above-described hot water producing apparatus 50 shown in FIG.
As shown in FIG. 2, an ignition device 83 for starting combustion of fuel gas and air is provided in the combustion chamber 18.

次に図4により燃料電池セルユニット16について説明する。図4は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図4に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子86とを備えている。
燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の内側電極層90と、円筒形の外側電極層92と、内側電極層90と外側電極層92との間にある電解質層94とを備えている。この内側電極層90は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極層92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。
Next, the fuel cell unit 16 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a partial sectional view showing a fuel cell unit of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 4, the fuel cell unit 16 includes a fuel cell 84 and inner electrode terminals 86 respectively connected to the vertical ends of the fuel cell 84.
The fuel cell 84 is a tubular structure extending in the vertical direction, and includes a cylindrical inner electrode layer 90 that forms a fuel gas flow path 88 therein, a cylindrical outer electrode layer 92, an inner electrode layer 90, and an outer side. An electrolyte layer 94 is provided between the electrode layer 92 and the electrode layer 92. The inner electrode layer 90 is a fuel electrode through which fuel gas passes and becomes a (−) electrode, while the outer electrode layer 92 is an air electrode in contact with air and becomes a (+) electrode.

燃料電池セル16の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子86は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子86について具体的に説明する。内側電極層90の上部90aは、電解質層94と外側電極層92に対して露出された外周面90bと上端面90cとを備えている。内側電極端子86は、導電性のシール材96を介して内側電極層90の外周面90bと接続され、さらに、内側電極層90の上端面90cとは直接接触することにより、内側電極層90と電気的に接続されている。内側電極端子86の中心部には、内側電極層90の燃料ガス流路88と連通する燃料ガス流路98が形成されている。   Since the inner electrode terminal 86 attached to the upper end side and the lower end side of the fuel cell 16 has the same structure, the inner electrode terminal 86 attached to the upper end side will be specifically described here. The upper portion 90 a of the inner electrode layer 90 includes an outer peripheral surface 90 b and an upper end surface 90 c exposed to the electrolyte layer 94 and the outer electrode layer 92. The inner electrode terminal 86 is connected to the outer peripheral surface 90b of the inner electrode layer 90 through a conductive sealing material 96, and is further in direct contact with the upper end surface 90c of the inner electrode layer 90, thereby Electrically connected. A fuel gas passage 98 communicating with the fuel gas passage 88 of the inner electrode layer 90 is formed at the center of the inner electrode terminal 86.

内側電極層90は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。   The inner electrode layer 90 includes, for example, a mixture of Ni and zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y, and Sc, and Ni and ceria doped with at least one selected from rare earth elements. The mixture is formed of at least one of Ni and a mixture of lanthanum garade doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe, and Cu.

電解質層94は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。   The electrolyte layer 94 is, for example, zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Y and Sc, ceria doped with at least one selected from rare earth elements, lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr and Mg, Formed from at least one of the following.

外側電極層92は、例えば、Sr、Caから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。   The outer electrode layer 92 includes, for example, lanthanum manganite doped with at least one selected from Sr and Ca, lanthanum ferrite doped with at least one selected from Sr, Co, Ni and Cu, Sr, Fe, Ni and Cu. It is formed from at least one of lanthanum cobaltite doped with at least one selected from the group consisting of silver and silver.

次に図5により燃料電池セルスタック14について説明する。図5は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図5に示すように、燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16を備え、これらの燃料電池セルユニット16の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の下支持板68及び上支持板100により支持されている。これらの下支持板68及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴68a及び100aがそれぞれ形成されている。
Next, the fuel cell stack 14 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a perspective view showing a fuel cell stack of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 5, the fuel cell stack 14 includes 16 fuel cell units 16, and the lower end side and the upper end side of these fuel cell units 16 are a ceramic lower support plate 68 and an upper side, respectively. It is supported by the support plate 100. The lower support plate 68 and the upper support plate 100 are formed with through holes 68a and 100a through which the inner electrode terminal 86 can pass.

さらに、燃料電池セルユニット16には、集電体102及び外部端子104が取り付けられている。この集電体102は、燃料極である内側電極層90に取り付けられた内側電極端子86と電気的に接続される燃料極用接続部102aと、空気極である外側電極層92の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部102bとにより一体的に形成されている。空気極用接続部102bは、外側電極層92の表面を上下方向に延びる鉛直部102cと、この鉛直部102cから外側電極層92の表面に沿って水平方向に延びる多数の水平部102dとから形成されている。また、燃料極用接続部102aは、空気極用接続部102bの鉛直部102cから燃料電池セルユニット16の上下方向に位置する内側電極端子86に向って斜め上方又は斜め下方に向って直線的に延びている。   Furthermore, a current collector 102 and an external terminal 104 are attached to the fuel cell unit 16. The current collector 102 includes a fuel electrode connection portion 102a that is electrically connected to an inner electrode terminal 86 attached to the inner electrode layer 90 that is a fuel electrode, and an entire outer peripheral surface of the outer electrode layer 92 that is an air electrode. And an air electrode connecting portion 102b electrically connected to each other. The air electrode connecting portion 102b is formed of a vertical portion 102c extending in the vertical direction on the surface of the outer electrode layer 92 and a plurality of horizontal portions 102d extending in a horizontal direction along the surface of the outer electrode layer 92 from the vertical portion 102c. Has been. The fuel electrode connection portion 102a is linearly directed obliquely upward or obliquely downward from the vertical portion 102c of the air electrode connection portion 102b toward the inner electrode terminal 86 positioned in the vertical direction of the fuel cell unit 16. It extends.

さらに、燃料電池セルスタック14の端(図5では左端の奥側及び手前側)に位置する2個の燃料電池セルユニット16の上側端及び下側端の内側電極端子86には、それぞれ外部端子104が接続されている。これらの外部端子104は、隣接する燃料電池セルスタック14の端にある燃料電池セルユニット16の外部端子104(図示せず)に接続され、上述したように、160本の燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されるようになっている。   Further, the inner electrode terminals 86 at the upper end and the lower end of the two fuel cell units 16 located at the ends of the fuel cell stack 14 (the far left side and the near side in FIG. 5) are external terminals, respectively. 104 is connected. These external terminals 104 are connected to the external terminals 104 (not shown) of the fuel cell unit 16 at the end of the adjacent fuel cell stack 14, and as described above, the 160 fuel cell units 16 Everything is connected in series.

次に図6により本実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)に取り付けられたセンサ類等について説明する。図6は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)を示すブロック図である。
図6に示すように、固体酸化物型燃料電池1は、制御部110を備え、この制御部110には、使用者が操作するための「ON」や「OFF」等の操作ボタンを備えた操作装置112、発電出力値(ワット数)等の種々のデータを表示するための表示装置114、及び、異常状態のとき等に警報(ワーニング)を発する報知装置116が接続されている。なお、この報知装置116は、遠隔地にある管理センタに接続され、この管理センタに異常状態を通知するようなものであっても良い。
Next, sensors and the like attached to the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a block diagram illustrating a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 6, the solid oxide fuel cell 1 includes a control unit 110, and the control unit 110 includes operation buttons such as “ON” and “OFF” for operation by the user. An operation device 112, a display device 114 for displaying various data such as a power generation output value (wattage), and a notification device 116 for issuing a warning (warning) in an abnormal state are connected. The notification device 116 may be connected to a remote management center and notify the management center of an abnormal state.

次に、制御部110には、以下に説明する種々のセンサからの信号が入力されるようになっている。
先ず、可燃ガス検出センサ120は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュール2及び補機ユニット4に取り付けられている。
CO検出センサ122は、本来排気ガス通路80等を経て外部に排出される排気ガス中のCOが、燃料電池モジュール2及び補機ユニット4を覆う外部ハウジング(図示せず)へ漏れたかどうかを検知するためのものである。
貯湯状態検出センサ124は、図示しない給湯器におけるお湯の温度や水量を検知するためのものである。
Next, signals from various sensors described below are input to the control unit 110.
First, the combustible gas detection sensor 120 is for detecting a gas leak, and is attached to the fuel cell module 2 and the auxiliary unit 4.
The CO detection sensor 122 detects whether or not CO in the exhaust gas originally discharged to the outside through the exhaust gas passage 80 or the like leaks to an external housing (not shown) that covers the fuel cell module 2 and the auxiliary unit 4. Is to do.
The hot water storage state detection sensor 124 is for detecting the temperature and amount of hot water in a water heater (not shown).

電力状態検出センサ126は、インバータ54及び分電盤(図示せず)の電流及び電圧等を検知するためのものである。
発電用空気流量検出センサ128は、発電室10に供給される発電用空気の流量を検出するためのものである。
改質用空気流量センサ130は、改質器20に供給される改質用空気の流量を検出するためのものである。
燃料流量センサ132は、改質器20に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものである。
The power state detection sensor 126 is for detecting the current and voltage of the inverter 54 and the distribution board (not shown).
The power generation air flow rate detection sensor 128 is for detecting the flow rate of power generation air supplied to the power generation chamber 10.
The reforming air flow sensor 130 is for detecting the flow rate of the reforming air supplied to the reformer 20.
The fuel flow sensor 132 is for detecting the flow rate of the fuel gas supplied to the reformer 20.

水流量センサ134は、改質器20に供給される純水の流量を検出するためのものである。
水位センサ136は、純水タンク26の水位を検出するためのものである。
圧力センサ138は、改質器20の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。
排気温度センサ140は、温水製造装置50に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。
The water flow rate sensor 134 is for detecting the flow rate of pure water supplied to the reformer 20.
The water level sensor 136 is for detecting the water level of the pure water tank 26.
The pressure sensor 138 is for detecting the pressure on the upstream side outside the reformer 20.
The exhaust temperature sensor 140 is for detecting the temperature of the exhaust gas flowing into the hot water production apparatus 50.

発電室温度センサ142は、図3に示すように、燃料電池セル集合体12の近傍の前面側と背面側に設けられ、燃料電池セルスタック14の近傍の温度を検出して、燃料電池セルスタック14(即ち燃料電池セル84自体)の温度を推定するためのものである。
燃焼室温度センサ144は、燃焼室18の温度を検出するためのものである。
排気ガス室温度センサ146は、排気ガス室78の排気ガスの温度を検出するためのものである。
改質器温度センサ148は、改質器20の温度を検出するためのものであり、改質器20の入口温度と出口温度から改質器20の温度を算出する。
外気温度センサ150は、固体酸化物型燃料電池(SOFC)が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。
As shown in FIG. 3, the power generation chamber temperature sensor 142 is provided on the front side and the back side in the vicinity of the fuel cell assembly 12, and detects the temperature in the vicinity of the fuel cell stack 14 to thereby detect the fuel cell stack. 14 (ie, the fuel cell 84 itself) is estimated.
The combustion chamber temperature sensor 144 is for detecting the temperature of the combustion chamber 18.
The exhaust gas chamber temperature sensor 146 is for detecting the temperature of the exhaust gas in the exhaust gas chamber 78.
The reformer temperature sensor 148 is for detecting the temperature of the reformer 20, and calculates the temperature of the reformer 20 from the inlet temperature and the outlet temperature of the reformer 20.
The outside air temperature sensor 150 is for detecting the temperature of the outside air when the solid oxide fuel cell (SOFC) is disposed outdoors. Further, a sensor for measuring the humidity or the like of the outside air may be provided.

これらのセンサ類からの信号は、制御部110に送られ、制御部110は、これらの信号によるデータに基づき、水流量調整ユニット28、燃料流量調整ユニット38、改質用空気流量調整ユニット44、発電用空気流量調整ユニット45に、制御信号を送り、これらのユニットにおける各流量を制御するようになっている。   Signals from these sensors are sent to the control unit 110, and the control unit 110, based on data based on these signals, the water flow rate adjustment unit 28, the fuel flow rate adjustment unit 38, the reforming air flow rate adjustment unit 44, A control signal is sent to the power generation air flow rate adjusting unit 45 to control each flow rate in these units.

次に図7により本実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)による起動時の動作を説明する。図7は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)の起動時の動作を示すタイムチャートである。
最初は、燃料電池モジュール2を温めるために、無負荷状態で、即ち、燃料電池モジュール2を含む回路を開いた状態で、運転を開始する。このとき、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュール2は発電を行わない。
Next, the operation at the time of start-up by the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a time chart showing the operation at the start-up of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the embodiment of the present invention.
Initially, in order to warm the fuel cell module 2, the operation is started in a no-load state, that is, in a state where a circuit including the fuel cell module 2 is opened. At this time, since no current flows through the circuit, the fuel cell module 2 does not generate power.

先ず、改質用空気流量調整ユニット44から改質用空気を第1ヒータ46を経由して燃料電池モジュール2の改質器20へ供給する。また、同時に、発電用空気流量調整ユニット45から発電用空気を第2ヒータ48を経由して燃料電池モジュール2の空気用熱交換器22へ供給し、この発電用空気が、発電室10及び燃焼室18に到達する。
この直ぐ後、燃料流量調整ユニット38からも燃料ガスが供給され、改質用空気が混合された燃料ガスが、改質器20及び燃料電池セルスタック14、燃料電池セルユニット16を通過して、燃焼室18に到達する。
First, reforming air is supplied from the reforming air flow rate adjustment unit 44 to the reformer 20 of the fuel cell module 2 via the first heater 46. At the same time, the power generation air is supplied from the power generation air flow rate adjustment unit 45 to the air heat exchanger 22 of the fuel cell module 2 via the second heater 48, and this power generation air is supplied to the power generation chamber 10 and the combustion chamber. Reach chamber 18.
Immediately after this, the fuel gas is also supplied from the fuel flow rate adjustment unit 38, and the fuel gas mixed with the reforming air passes through the reformer 20, the fuel cell stack 14, and the fuel cell unit 16, and It reaches the combustion chamber 18.

次に、点火装置83により着火して、燃焼室18にある燃料ガスと空気(改質用空気及び発電用空気)とを燃焼させる。この燃料ガスと空気との燃焼により排気ガスが生じ、この排気ガスにより、発電室10が暖められ、また、排気ガスが燃料電池モジュール2の密封空間8内を上昇する際、改質器20内の改質用空気を含む燃料ガスを暖めると共に、空気熱交換器22内の発電用空気も暖める。   Next, the ignition device 83 is ignited to burn the fuel gas and air (reforming air and power generation air) in the combustion chamber 18. Exhaust gas is generated by the combustion of the fuel gas and air, and the power generation chamber 10 is warmed by the exhaust gas, and when the exhaust gas rises in the sealed space 8 of the fuel cell module 2, The fuel gas containing the reforming air is warmed, and the power generation air in the air heat exchanger 22 is also warmed.

このとき、燃料流量調整ユニット38及び改質用空気流量調整ユニット44により、改質用空気が混合された燃料ガスが改質器20に供給されているので、改質器20において、式(1)に示す部分酸化改質反応POXが進行する。この部分酸化改質反応POXは、発熱反応であるので、起動性が良好となる。また、この昇温した燃料ガスが燃料ガス供給管64により燃料電池セルスタック14の下方に供給され、これにより、燃料電池セルスタック14が下方から加熱され、また、燃焼室18も燃料ガスと空気が燃焼して昇温されているので、燃料電池セルスタック14は、上方からも加熱され、この結果、燃料電池セルスタック14は、上下方向において、ほぼ均等に昇温可能となっている。この部分酸化改質反応POXが進行しても、燃焼室18では継続して燃料ガスと空気との燃焼反応が持続される。   At this time, the fuel gas mixed with the reforming air is supplied to the reformer 20 by the fuel flow rate adjusting unit 38 and the reforming air flow rate adjusting unit 44. The partial oxidation reforming reaction POX shown in FIG. Since the partial oxidation reforming reaction POX is an exothermic reaction, the startability is good. Further, the heated fuel gas is supplied to the lower side of the fuel cell stack 14 through the fuel gas supply pipe 64, whereby the fuel cell stack 14 is heated from below, and the combustion chamber 18 also has the fuel gas and air. The fuel cell stack 14 is also heated from above, and as a result, the fuel cell stack 14 can be heated substantially uniformly in the vertical direction. Even if the partial oxidation reforming reaction POX proceeds, the combustion reaction between the fuel gas and air continues in the combustion chamber 18.

mn+xO2 → aCO2+bCO+cH2 (1) C m H n + xO 2 → aCO 2 + bCO + cH 2 (1)

部分酸化改質反応POXの開始後、改質器温度センサ148により改質器20が所定温度(例えば、600℃)になったことを検知したとき、水流量調整ユニット28、燃料流量調整ユニット38及び改質用空気流量調整ユニット44により、燃料ガスと改質用空気と水蒸気とを予め混合したガスを改質器20に供給する。このとき、改質器20においては、上述した部分酸化改質反応POXと後述する水蒸気改質反応SRとが併用されたオートサーマル改質反応ATRが進行する。このオートサーマル改質反応ATRは、熱的に内部バランスが取れるので、改質器20内では熱的に自立した状態で反応が進行する。即ち、酸素(空気)が多い場合には部分酸化改質反応POXによる発熱が支配的となり、水蒸気が多い場合には水蒸気改質反応SRによる吸熱反応が支配的となる。この段階では、既に起動の初期段階は過ぎており、発電室10内がある程度の温度まで昇温されているので、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を引き起こすことはない。また、オートサーマル改質反応ATRが進行中も、燃焼室18では燃焼反応が継続して行われている。   When the reformer temperature sensor 148 detects that the reformer 20 has reached a predetermined temperature (for example, 600 ° C.) after the partial oxidation reforming reaction POX is started, the water flow rate adjustment unit 28 and the fuel flow rate adjustment unit 38 are detected. In addition, the reforming air flow rate adjusting unit 44 supplies a gas in which fuel gas, reforming air, and water vapor are mixed in advance to the reformer 20. At this time, in the reformer 20, an autothermal reforming reaction ATR in which the partial oxidation reforming reaction POX described above and a steam reforming reaction SR described later are used proceeds. Since the autothermal reforming reaction ATR is thermally balanced internally, the reaction proceeds in the reformer 20 in a thermally independent state. That is, when oxygen (air) is large, heat generation by the partial oxidation reforming reaction POX is dominant, and when there is much steam, an endothermic reaction by the steam reforming reaction SR is dominant. At this stage, the initial stage of startup has already passed, and the temperature inside the power generation chamber 10 has been raised to a certain temperature. Therefore, even if the endothermic reaction is dominant, no significant temperature drop is caused. Further, the combustion reaction continues in the combustion chamber 18 even while the autothermal reforming reaction ATR is in progress.

式(2)に示すオートサーマル改質反応ATRの開始後、改質器温度センサ146により改質器20が所定温度(例えば、700℃)になったことを検知したとき、改質用空気流量調整ユニット44による改質用空気の供給を停止すると共に、水流量調整ユニット28による水蒸気の供給を増加させる。これにより、改質器20には、空気を含まず燃料ガスと水蒸気のみを含むガスが供給され、改質器20において、式(3)の水蒸気改質反応SRが進行する。   When the reformer temperature sensor 146 detects that the reformer 20 has reached a predetermined temperature (for example, 700 ° C.) after the start of the autothermal reforming reaction ATR shown in Formula (2), the reforming air flow rate The supply of reforming air by the adjustment unit 44 is stopped, and the supply of water vapor by the water flow rate adjustment unit 28 is increased. As a result, the reformer 20 is supplied with a gas that does not contain air and contains only fuel gas and water vapor, and the steam reforming reaction SR of formula (3) proceeds in the reformer 20.

mn+xO2+yH2O → aCO2+bCO+cH2 (2)
mn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (3)
C m H n + xO 2 + yH 2 O → aCO 2 + bCO + cH 2 (2)
C m H n + xH 2 O → aCO 2 + bCO + cH 2 (3)

この水蒸気改質反応SRは吸熱反応であるので、燃焼室18からの燃焼熱と熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、燃料電池モジュール2の起動の最終段階であるため、発電室10内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応が進行しても、発電室10が大幅な温度低下を招くこともない。また、水蒸気改質反応SRが進行しても、燃焼室18では継続して燃焼反応が進行する。   Since the steam reforming reaction SR is an endothermic reaction, the reaction proceeds while maintaining a heat balance with the combustion heat from the combustion chamber 18. At this stage, since the fuel cell module 2 is in the final stage of start-up, the power generation chamber 10 is heated to a sufficiently high temperature. Therefore, even if the endothermic reaction proceeds, the power generation chamber 10 is greatly reduced in temperature. There is nothing. Even if the steam reforming reaction SR proceeds, the combustion reaction continues in the combustion chamber 18.

このようにして、燃料電池モジュール2は、点火装置83により点火した後、部分酸化改質反応POX、オートサーマル改質反応ATR、水蒸気改質反応SRが、順次進行することにより、発電室10内の温度が徐々に上昇する。次に、発電室10内及び燃料電池セル84の温度が燃料電池モジュール2を安定的に作動させる定格温度よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュール2を含む回路を閉じ、燃料電池モジュール2による発電を開始し、それにより、回路に電流が流れる。燃料電池モジュール2の発電により、燃料電池セル84自体も発熱し、燃料電池セル84の温度も上昇する。この結果、燃料電池モジュール2を作動させる定格温度、例えば、600℃〜800℃になる。   In this way, after the fuel cell module 2 is ignited by the ignition device 83, the partial oxidation reforming reaction POX, the autothermal reforming reaction ATR, and the steam reforming reaction SR proceed in sequence, so that the inside of the power generation chamber 10 The temperature gradually increases. Next, when the temperature in the power generation chamber 10 and the fuel cell 84 reaches a predetermined power generation temperature lower than the rated temperature at which the fuel cell module 2 is stably operated, the circuit including the fuel cell module 2 is closed, and the fuel cell Power generation by the module 2 is started, so that a current flows in the circuit. Due to the power generation of the fuel cell module 2, the fuel cell 84 itself also generates heat, and the temperature of the fuel cell 84 also rises. As a result, the rated temperature at which the fuel cell module 2 is operated becomes, for example, 600 ° C. to 800 ° C.

この後、定格温度を維持するために、燃料電池セル84で消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い燃料ガス及び空気を供給し、燃焼室18での燃焼を継続させる。なお、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応SRで発電が進行する。   Thereafter, in order to maintain the rated temperature, more fuel gas and air than the amount of fuel gas and air consumed in the fuel cell 84 are supplied, and combustion in the combustion chamber 18 is continued. During power generation, power generation proceeds in a steam reforming reaction SR with high reforming efficiency.

次に、図8により本実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)の運転停止時の動作を説明する。図8は、本実施形態により固体酸化物型燃料電池(SOFC)の運転停止時の動作を示すタイムチャートである。
図8に示すように、燃料電池モジュール2の運転停止を行う場合には、先ず、燃料流量調整ユニット38及び水流量調整ユニット28を操作して、燃料ガス及び水蒸気の改質器20への供給量を減少させる。
Next, the operation when the operation of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment is stopped will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a time chart showing the operation when the solid oxide fuel cell (SOFC) is stopped according to this embodiment.
As shown in FIG. 8, when the operation of the fuel cell module 2 is stopped, first, the fuel flow rate adjustment unit 38 and the water flow rate adjustment unit 28 are operated to supply fuel gas and water vapor to the reformer 20. Reduce the amount.

また、燃料電池モジュール2の運転停止を行う場合には、燃料ガス及び水蒸気の改質器20への供給量を減少させると同時に、改質用空気流量調整ユニット44による発電用空気の燃料電池モジュール2内への供給量を増大させて、燃料電池セル集合体12及び改質器20を空気により冷却し、これらの温度を低下させる。その後、改質器20の温度が所定温度、例えば、400℃まで低下したとき、燃料ガス及び水蒸気の改質器20への供給を停止し、改質器20の水蒸気改質反応SRを終了する。この発電用空気の供給は、改質器20の温度が所定温度、例えば、200℃まで低下するまで、継続し、この所定温度となったとき、発電用空気流量調整ユニット45からの発電用空気の供給を停止する。   Further, when the operation of the fuel cell module 2 is stopped, the amount of fuel gas and water vapor supplied to the reformer 20 is reduced, and at the same time, the fuel cell module for generating air by the reforming air flow rate adjusting unit 44 The supply amount into 2 is increased, the fuel cell assembly 12 and the reformer 20 are cooled by air, and these temperatures are lowered. Thereafter, when the temperature of the reformer 20 decreases to a predetermined temperature, for example, 400 ° C., the supply of fuel gas and steam to the reformer 20 is stopped, and the steam reforming reaction SR of the reformer 20 is ended. . This supply of power generation air continues until the temperature of the reformer 20 decreases to a predetermined temperature, for example, 200 ° C., and when this temperature is reached, the power generation air from the power generation air flow rate adjustment unit 45 is supplied. Stop supplying.

このように、本実施形態においては、燃料電池モジュール2の運転停止を行うとき、改質器20による水蒸気改質反応SRと発電用空気による冷却とを併用しているので、比較的短時間に、燃料電池モジュールの運転を停止させることができる。   As described above, in the present embodiment, when the operation of the fuel cell module 2 is stopped, the steam reforming reaction SR by the reformer 20 and the cooling by the power generation air are used in combination. The operation of the fuel cell module can be stopped.

次に、図9乃至図23を参照して、本発明の第1実施形態による固体酸化物型燃料電池1の制御を説明する。
図9は、本実施形態の固体酸化物型燃料電池1における出力電流と燃料供給量の関係を示すグラフである。図10は、固体酸化物型燃料電池1における出力電流と、供給された燃料により発生する熱量の関係を示すグラフである。
Next, control of the solid oxide fuel cell 1 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 9 to 23.
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the output current and the fuel supply amount in the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment. FIG. 10 is a graph showing the relationship between the output current in the solid oxide fuel cell 1 and the amount of heat generated by the supplied fuel.

まず、図9の実線に示すように、本実施形態の固体酸化物型燃料電池1は、需要電力に応じて、出力を定格出力電力である700W(出力電流7A)以下で可変できるように構成されている。所要の電力を出力するために必要とされる燃料供給量(L/min)は、図9に実線で示すように設定されている。なお、図9に示す燃料供給量は、後述する、断熱材7に蓄積された熱量の利用を行わない場合のものである。制御手段である制御部110は、需要電力検出手段である電力状態検出センサ126によって検出された需要電力と、推定された蓄熱量に応じて燃料供給量を決定し、これに基づいて燃料供給手段である燃料流量調整ユニット38を制御するように構成されている。   First, as shown by the solid line in FIG. 9, the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment is configured such that the output can be varied within 700 W (output current 7 A), which is the rated output power, according to the demand power. Has been. The fuel supply amount (L / min) required to output the required power is set as shown by the solid line in FIG. Note that the fuel supply amount shown in FIG. 9 is for the case where the heat amount accumulated in the heat insulating material 7 described later is not used. The control unit 110 as the control means determines the fuel supply amount according to the demand power detected by the power state detection sensor 126 as the demand power detection means and the estimated heat storage amount, and based on this, the fuel supply means The fuel flow rate adjustment unit 38 is controlled.

発電に必要な燃料の量は出力電力(出力電流)に比例するが、図9に実線で示すように、設定されている燃料供給量は、出力電流に比例していない。これは、出力電力に比例して燃料供給量を低下させてしまうと、燃料電池モジュール2内の燃料電池セルユニット16を発電可能な温度に維持することができなくなるためである。このため、図9に示す例では、出力電流7A付近の大発電電力時には燃料利用率約70%に設定され、出力電流2A程度の小発電電力時には燃料利用率約50%に設定されている。このように、小発電電力領域における燃料利用率を低下させ、発電に利用されずに残った燃料を燃焼させて改質器20等の加熱に使用することにより、燃料電池セルユニット16の温度低下を抑制し、燃料電池モジュール2内を発電可能な温度に維持している。   The amount of fuel required for power generation is proportional to the output power (output current), but as shown by the solid line in FIG. 9, the set fuel supply amount is not proportional to the output current. This is because if the fuel supply amount is reduced in proportion to the output power, the fuel cell unit 16 in the fuel cell module 2 cannot be maintained at a temperature at which power can be generated. For this reason, in the example shown in FIG. 9, the fuel utilization rate is set to about 70% when the generated power is near the output current 7A, and the fuel utilization rate is set to about 50% when the generated power is about 2A. In this way, the fuel utilization rate in the small power generation region is reduced, the remaining fuel that is not used for power generation is burned and used for heating the reformer 20 and the like, thereby reducing the temperature of the fuel cell unit 16. And the temperature inside the fuel cell module 2 is maintained at a temperature at which power generation is possible.

しかしながら、燃料利用率を低下させることにより、発電に寄与しない燃料を増加させることになるので、小発電電力領域における固体酸化物型燃料電池1のエネルギー効率が低下する。本実施形態の固体酸化物型燃料電池1においては、制御部110に内蔵された蓄熱量推定手段110a(図6)により蓄熱量を推定し、推定された蓄熱量が大きい場合には、燃料利用率を高くした残存熱量利用制御を実行する。残存熱量利用制御により、図9に実線で示す燃料供給量が変更・補正され、図9の破線に一例を示すように減少される。これにより、小発電電力領域における燃料利用率が上昇され、固体酸化物型燃料電池1のエネルギー効率が向上される。   However, since the fuel that does not contribute to power generation is increased by reducing the fuel utilization rate, the energy efficiency of the solid oxide fuel cell 1 in the small power generation region is reduced. In the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment, the heat storage amount is estimated by the heat storage amount estimation means 110a (FIG. 6) built in the control unit 110. If the estimated heat storage amount is large, the fuel is used. Residual heat utilization control with a higher rate is executed. By the residual heat amount utilization control, the fuel supply amount indicated by the solid line in FIG. 9 is changed / corrected, and is decreased as shown by an example in the broken line in FIG. Thereby, the fuel utilization rate in the small power generation region is increased, and the energy efficiency of the solid oxide fuel cell 1 is improved.

図10は、本実施形態の固体酸化物型燃料電池1において、残存熱量の利用を行わずに燃料を供給した場合における出力電流と、供給された燃料の熱量との関係を模式的に示すグラフである。図10に一点鎖線で示すように、燃料電池モジュール2を熱的に自立させ、安定に運転するために必要な熱量は、出力電流の増加と共に単調に増加する。図10に実線で示すグラフは、残存熱量の利用を行わずに燃料が供給された場合における熱量を示している。本実施形態では、中発電電力に相当する出力電流5Aよりも低い領域では、一点鎖線で示す必要な熱量と、実線で示す基本的な燃料供給量の熱量がほぼ一致している。   FIG. 10 is a graph schematically showing the relationship between the output current when the fuel is supplied without using the remaining heat amount and the heat amount of the supplied fuel in the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment. It is. As shown by the one-dot chain line in FIG. 10, the amount of heat necessary to make the fuel cell module 2 thermally independent and operate stably increases monotonically with an increase in output current. The graph shown by the solid line in FIG. 10 shows the amount of heat when the fuel is supplied without using the remaining amount of heat. In the present embodiment, in a region lower than the output current 5A corresponding to the medium power generation, the required amount of heat indicated by the alternate long and short dash line and the amount of heat of the basic fuel supply amount indicated by the solid line substantially coincide.

さらに、出力電流5Aよりも高い領域では、実線で示す基本的な燃料供給量の熱量は、熱自立するために最低限必要な一点鎖線で示す熱量を上回っている。この実線と破線の間の余剰熱量は、燃料電池モジュール2に設けられた蓄熱材である断熱材7に蓄積される。また、固体酸化物型燃料電池1からの出力電流と、この電流を定常的に出力している場合における燃料電池モジュール2内の燃料電池セルユニット16の温度とは相関があり、出力電流を大きくするためには燃料電池セルユニット16の温度を高くする必要があることから、出力電流が大きい状態では燃料電池セルユニット16の温度は高い状態にある。本実施形態の固体酸化物型燃料電池1では、出力電流5A以上の場合において、より多くの熱量が断熱材7に蓄積される。   Further, in a region higher than the output current 5A, the heat amount of the basic fuel supply amount indicated by the solid line exceeds the heat amount indicated by the one-dot chain line that is at least necessary for heat self-sustainment. The surplus heat amount between the solid line and the broken line is accumulated in the heat insulating material 7 that is a heat storage material provided in the fuel cell module 2. Further, the output current from the solid oxide fuel cell 1 is correlated with the temperature of the fuel cell unit 16 in the fuel cell module 2 when this current is constantly output, and the output current is increased. In order to do so, it is necessary to increase the temperature of the fuel cell unit 16, and therefore the temperature of the fuel cell unit 16 is high when the output current is large. In the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment, a larger amount of heat is accumulated in the heat insulating material 7 when the output current is 5 A or more.

本実施形態においては、後述するように、断熱材7に利用可能な熱量が蓄積されている場合には、燃料供給量を減少させるように補正して、燃料利用率を向上させる。一方、燃料供給量を減少させたことにより不足する熱量は、燃料電池モジュール2の断熱材7に蓄積された熱量を利用して補充している。なお、本実施形態においては、断熱材7の熱容量が非常に大きいため、燃料電池モジュール2が大発電電力で所定時間運転された後、発電電力が小さい領域で運転される場合には、断熱材7に蓄積された熱量を2時間以上に亘って利用することができ、この間の燃料供給量を減じる補正を行うことにより燃料利用率が向上される。   In the present embodiment, as will be described later, when the amount of heat that can be used in the heat insulating material 7 is accumulated, correction is made so as to decrease the fuel supply amount to improve the fuel utilization rate. On the other hand, the heat quantity deficient due to the reduction in the fuel supply quantity is supplemented by using the heat quantity accumulated in the heat insulating material 7 of the fuel cell module 2. In this embodiment, since the heat capacity of the heat insulating material 7 is very large, the heat insulating material is operated when the fuel cell module 2 is operated in a region where the generated power is small after being operated for a predetermined time with large generated power. The amount of heat stored in 7 can be used for 2 hours or more, and the fuel utilization rate is improved by performing correction to reduce the fuel supply amount during this period.

次に、図11及び図12を参照して、負荷追従に伴う断熱材7への熱量の蓄積を説明する。
図11は、需要電力の変化と、燃料供給量、及び燃料電池モジュール2から実際に取り出される電流の関係を模式的に示したグラフである。図12は、発電用空気供給量、水供給量、燃料供給量、及び燃料電池モジュール2から実際に取り出される電流の関係の一例を示したグラフである。
Next, with reference to FIG.11 and FIG.12, accumulation | storage of the calorie | heat amount to the heat insulating material 7 accompanying a load following is demonstrated.
FIG. 11 is a graph schematically showing the relationship between the change in demand power, the fuel supply amount, and the current actually taken out from the fuel cell module 2. FIG. 12 is a graph showing an example of the relationship between the power generation air supply amount, the water supply amount, the fuel supply amount, and the current actually extracted from the fuel cell module 2.

図11に示すように、燃料電池モジュール2は、図11の最上段に示す需要電力に応じた電力を生成できるように制御される。制御部110は、需要電力に基づいて、燃料電池モジュール2が生成すべき目標の電流である燃料供給電流値Ifを、図11の2段目のグラフに示すように設定する。燃料供給電流値Ifは、概ね需要電力の変化に追従するように設定されるが、燃料電池モジュール2の応答速度は需要電力の変化に対して極めて緩慢であるため、需要電力の短周期の急激な変化には追従せず、需要電力に緩やかに追従するように設定される。また、需要電力が固体酸化物型燃料電池の最大定格電力を超えた場合には、燃料供給電流値Ifは最大定格電力に対応する電流値まで追従し、それ以上の電流値に設定されることはない。   As shown in FIG. 11, the fuel cell module 2 is controlled so as to be able to generate power corresponding to the demand power shown in the uppermost stage of FIG. 11. The control unit 110 sets the fuel supply current value If, which is a target current to be generated by the fuel cell module 2, based on the demand power as shown in the second graph of FIG. Although the fuel supply current value If is set so as to substantially follow the change in demand power, the response speed of the fuel cell module 2 is extremely slow with respect to the change in demand power. It is set so as to follow the demand power gently without following the change. In addition, when the demand power exceeds the maximum rated power of the solid oxide fuel cell, the fuel supply current value If follows the current value corresponding to the maximum rated power and is set to a current value higher than that. There is no.

制御部110は、図11の3段目のグラフに示すように、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット38を制御して、燃料供給電流値Ifに対応する電力が生成できる流量の燃料供給量Frを燃料電池モジュール2に供給する。なお、燃料供給量に対する実際に発電に使用される燃料の割合である燃料利用率が一定であるとすれば、燃料供給電流値Ifと燃料供給量Frは比例する。図11のグラフは、燃料供給電流値Ifと燃料供給量Frが比例するものとして描かれているが、後述するように、実際には本実施形態においても燃料利用率は一定ではない。   As shown in the third graph of FIG. 11, the control unit 110 controls the fuel flow rate adjustment unit 38 that is a fuel supply unit to generate a fuel supply amount at a flow rate that can generate power corresponding to the fuel supply current value If. Fr is supplied to the fuel cell module 2. If the fuel utilization rate, which is the ratio of the fuel actually used for power generation with respect to the fuel supply amount, is constant, the fuel supply current value If and the fuel supply amount Fr are proportional. The graph of FIG. 11 is drawn on the assumption that the fuel supply current value If and the fuel supply amount Fr are proportional, but as will be described later, the fuel utilization rate is actually not constant in this embodiment as well.

さらに、図11の最下段のグラフに示すように、制御部110は、燃料電池モジュール2から取り出すことができる電流値である取出可能電流Iinvをインバータ54に対して指示する信号を出力する。インバータ54は、時々刻々急激に変化する需要電力に応じ、取出可能電流Iinvの範囲内で燃料電池モジュール2から電流(電力)を取り出す。需要電力が取出可能電流Iinvを上回る部分については、系統電力から供給される。ここで、図11に示すように、制御部110がインバータ54に指示する取出可能電流Iinvは、電流が増加傾向にある場合、燃料供給量Frの変化に対して所定時間遅れて変化するように設定される。例えば、図11の時刻t10においては、燃料供給電流値If及び燃料供給量Frが上昇を始めた後、遅れて、取出可能電流Iinvの増加が開始される。また、時刻t12においても、燃料供給電流値If及び燃料供給量Frの増加の後、遅れて、取出可能電流Iinvの増加が開始される。このように、燃料供給量Frを増加させた後、実際に燃料電池モジュール2から取り出す電力を増加させるタイミングを遅らせることにより、燃料電池モジュール2に供給された燃料が改質器20等を通って燃料電池セルスタック14に到達するまでの時間遅れや、燃料が電池セルスタック14に到達した後、実際の発電反応が可能になるまでの時間遅れに対処している。これにより、各燃料電池セルユニット16において燃料枯れが発生し、燃料電池セルユニット16が損傷されるのを確実に防止している。   Further, as shown in the lowermost graph of FIG. 11, the control unit 110 outputs a signal that instructs the inverter 54 about the extractable current Iinv that is a current value that can be extracted from the fuel cell module 2. The inverter 54 extracts current (electric power) from the fuel cell module 2 within the range of the extractable current Iinv according to the demand power that changes suddenly every moment. The portion where the demand power exceeds the extractable current Iinv is supplied from the grid power. Here, as shown in FIG. 11, when the current tends to increase, the extractable current Iinv instructed by the control unit 110 to the inverter 54 changes so as to be delayed by a predetermined time with respect to the change in the fuel supply amount Fr. Is set. For example, at time t10 in FIG. 11, after the fuel supply current value If and the fuel supply amount Fr start to increase, the increase of the extractable current Iinv is started with a delay. Also at time t12, after the fuel supply current value If and the fuel supply amount Fr increase, the increase of the extractable current Iinv is started with a delay. As described above, after the fuel supply amount Fr is increased, the timing at which the electric power actually extracted from the fuel cell module 2 is increased is delayed so that the fuel supplied to the fuel cell module 2 passes through the reformer 20 and the like. A time delay until the fuel cell stack 14 is reached and a time delay until the actual power generation reaction becomes possible after the fuel reaches the battery cell stack 14 are dealt with. This reliably prevents the fuel battery cell unit 16 from being depleted of fuel and damaging the fuel battery cell unit 16.

図12は、発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量の変化と、取出可能電流Iinvの関係をより詳細に示したものである。なお、図12に示されている発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量のグラフは、何れも、各供給量に対応する電流値に換算されている。即ち、供給された発電用空気、水、及び燃料が余ることなく全て発電に使用される供給量に設定されているとすれば、各供給量のグラフが取出可能電流Iinvのグラフと重なるように換算されている。従って、各供給量のグラフの、取出可能電流Iinvに対するずれ量は、各供給量の余剰分に対応する。発電に使用されずに残った残余燃料は、燃料電池セルスタック14上方の燃焼部である燃焼室18において燃焼され、燃料電池モジュール2内の加熱に利用される。   FIG. 12 shows in more detail the relationship between the power supply air supply amount, the water supply amount, and the fuel supply amount, and the extractable current Iinv. Note that the graphs of the power supply air supply amount, the water supply amount, and the fuel supply amount shown in FIG. 12 are all converted into current values corresponding to the respective supply amounts. That is, if the supplied power generation air, water, and fuel are all set to supply amounts that are used for power generation, the graphs of the respective supply amounts overlap the graph of the extractable current Iinv. It has been converted. Therefore, the amount of deviation of each supply amount graph with respect to the extractable current Iinv corresponds to the surplus of each supply amount. The remaining fuel that is not used for power generation is burned in the combustion chamber 18 that is a combustion section above the fuel cell stack 14 and is used for heating in the fuel cell module 2.

図12に示すように、発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量は、常に、取出可能電流Iinvを上回っており、各供給量によって生成可能な電流を上回る電流が燃料電池モジュール2から取り出され、燃料枯れ、空気枯れ等によって燃料電池セルユニット16が損傷されるのを防止している。また、取出可能電流Iinvを上回って供給されている燃料供給量に対し、水供給量は、供給された燃料の全てを水蒸気改質可能な供給量に設定されている。即ち、供給された燃料の全てが水蒸気改質されるように、水供給量は、水蒸気改質に必要な水蒸気の量と、燃料中に含まれる炭素の量との比であるS/Cを考慮して設定されている。これにより、改質器内における炭素析出を防止している。また、需要電力の増加に伴って取出可能電流Iinvも増加傾向にある、図12の領域A、領域Cにおいては、取出可能電流Iinvが横這いである領域Bよりも、燃料供給量等の余裕量が大きく(燃料利用率が低く)設定されている。また、発電電力を増加させる場合には、制御部110に内蔵された電力取出遅延手段(図示せず)により、燃料電池モジュール2に供給する燃料供給量を増加させた後、遅れて、燃料電池モジュール2から出力させる発電電力が増加される。即ち、需要電力の変化に応じて燃料供給量が変化された後、遅れて、燃料電池モジュール2から実際に出力させる電力が変化される。さらに、需要電力の低下に応じて取出可能電流Iinvを急激に低下させた場合(領域C、領域Dの初期)には、各供給量は、取出可能電流Iinvの低下よりも所定時間遅れて低下される。従って、取出可能電流Iinvが急激に低下した後の所定時間の間には、非常に多くの残余燃料が発生する。このような取出可能電流Iinvの急激な低下は、需要電力が急激に低下した場合において、電流の逆潮流を防止するために行われる。このように、発電電力を増加させる際、及び発電電力を低下させる際には、発電電力が一定である場合よりも多くの残余燃料が発生し、この残余燃料が燃料電池モジュール2の加熱に使用されることになる。このため、燃料電池モジュール2を高発電電力で長時間運転した場合ばかりでなく、発電電力を頻繁に増減させた場合にも燃料電池モジュール2は強く加熱され、断熱材7に多くの熱量が蓄積される。   As shown in FIG. 12, the air supply amount for power generation, the water supply amount, and the fuel supply amount always exceed the extractable current Iinv, and the current exceeding the current that can be generated by each supply amount is greater than the fuel cell module 2. The fuel cell unit 16 is prevented from being damaged by fuel exhaustion, air exhaustion, and the like. Further, the water supply amount is set to a supply amount capable of steam reforming all of the supplied fuel with respect to the fuel supply amount supplied exceeding the extractable current Iinv. That is, the amount of water supplied is the ratio of the amount of water vapor necessary for steam reforming and the amount of carbon contained in the fuel, so that all of the supplied fuel is steam reformed. It is set in consideration. This prevents carbon deposition in the reformer. Further, in the region A and region C of FIG. 12 where the extractable current Iinv tends to increase with the increase in demand power, the margin of fuel supply amount and the like is greater than the region B where the extractable current Iinv is flat. Is set large (low fuel utilization). In addition, when the generated power is increased, the fuel supply amount supplied to the fuel cell module 2 is increased by a power extraction delay means (not shown) built in the control unit 110, and then the fuel cell is delayed. The generated power output from the module 2 is increased. That is, after the fuel supply amount is changed according to the change in demand power, the power actually output from the fuel cell module 2 is changed with a delay. Furthermore, when the extractable current Iinv is suddenly reduced according to the reduction in demand power (the initial period of the region C and the region D), each supply amount decreases with a predetermined time delay from the decrease of the extractable current Iinv. Is done. Therefore, a very large amount of residual fuel is generated during a predetermined time after the extractable current Iinv suddenly decreases. Such a rapid decrease in the extractable current Iinv is performed in order to prevent a reverse current flow when the demand power rapidly decreases. Thus, when the generated power is increased and when the generated power is decreased, more residual fuel is generated than when the generated power is constant, and this residual fuel is used for heating the fuel cell module 2. Will be. For this reason, the fuel cell module 2 is strongly heated not only when the fuel cell module 2 is operated for a long time with high generated power but also when the generated power is frequently increased or decreased, and a large amount of heat is accumulated in the heat insulating material 7. Is done.

本実施形態の固体酸化物型燃料電池においては、高発電電力で長時間運転した後、発電電力が少なくなった場合に蓄熱を利用するばかりでなく、発電電力の増減等によって蓄積されつつある熱量が、状況に応じて逐次利用される。   In the solid oxide fuel cell of this embodiment, after operating for a long time with high generated power, not only the heat storage is used when the generated power decreases, but also the amount of heat that is being accumulated due to the increase or decrease of the generated power, etc. Are used sequentially depending on the situation.

次に、図13乃至20を参照して、検出温度Tdに基づいて発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量を決定する手順を説明する。
図13は、検出温度Tdに基づいて発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量を決定する手順を示すフローチャートである。図14は発電電流に対する適正な燃料電池セルスタック14の温度を示すグラフである。図15は積算値に応じて決定される燃料利用率を示すグラフである。図16は、各発電電流に対して決定され得る燃料利用率の値の範囲を示すグラフである。図17は積算値に応じて決定される空気利用率を示すグラフである。図18は、各発電電流に対して決定され得る空気利用率の値の範囲を示すグラフである。図19は、決定された空気利用率に対して水供給量を決定するためのグラフである。図20は、発電電流に対する適正な燃料電池モジュール2の発電電圧を示すグラフである。
Next, a procedure for determining the power generation air supply amount, the water supply amount, and the fuel supply amount based on the detected temperature Td will be described with reference to FIGS.
FIG. 13 is a flowchart showing a procedure for determining the power generation air supply amount, the water supply amount, and the fuel supply amount based on the detected temperature Td. FIG. 14 is a graph showing the proper temperature of the fuel cell stack 14 with respect to the generated current. FIG. 15 is a graph showing the fuel utilization rate determined according to the integrated value. FIG. 16 is a graph showing a range of fuel utilization rate values that can be determined for each generated current. FIG. 17 is a graph showing the air utilization rate determined according to the integrated value. FIG. 18 is a graph showing a range of air utilization rate values that can be determined for each generated current. FIG. 19 is a graph for determining the water supply amount with respect to the determined air utilization rate. FIG. 20 is a graph showing an appropriate generated voltage of the fuel cell module 2 with respect to the generated current.

図14に一点鎖線で示すように、本実施形態においては、燃料電池モジュール2によって生成すべき電流に対して、適正な燃料電池セルスタック14の温度Ts(I)が規定されている。制御部110は、燃料電池セルスタック14の温度が、適正な温度Ts(I)に近づくように、燃料供給量等を制御する。即ち、制御部110は、概略的には、発電電流に対して燃料電池セルスタック14の温度が高い場合(燃料電池セルスタック14の温度が図14の一点鎖線よりも上にある場合)には、燃料利用率を高め、断熱材7等に蓄積されている熱量を積極的に消費して、燃料電池モジュール2内の温度を低下させる。逆に、発電電流に対して燃料電池セルスタック14の温度が低い場合には、燃料利用率を低下させ、燃料電池モジュール2内の温度が低下しないようにする。具体的には、燃料利用率は単純な検出温度Tdのみに基づいて決定されるのではなく、検出温度Td等に基づいて決定される加減算値を積算することにより蓄熱を反映した量を計算し、この量に基づいて燃料利用率等が決定される。この加減算値を積算することによる蓄熱量の推定値は、制御部に内蔵された蓄熱量推定手段110aにより計算される。   As indicated by a one-dot chain line in FIG. 14, in the present embodiment, an appropriate temperature Ts (I) of the fuel cell stack 14 is defined for the current to be generated by the fuel cell module 2. The control unit 110 controls the fuel supply amount and the like so that the temperature of the fuel cell stack 14 approaches the appropriate temperature Ts (I). In other words, the control unit 110 roughly indicates that when the temperature of the fuel cell stack 14 is higher than the generated current (when the temperature of the fuel cell stack 14 is above the one-dot chain line in FIG. 14). The fuel utilization rate is increased, the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7 and the like is actively consumed, and the temperature in the fuel cell module 2 is lowered. On the other hand, when the temperature of the fuel cell stack 14 is lower than the generated current, the fuel utilization rate is reduced so that the temperature in the fuel cell module 2 does not decrease. Specifically, the fuel utilization rate is not determined based on the simple detected temperature Td, but is calculated by adding the addition / subtraction values determined based on the detected temperature Td and the like to reflect the heat storage. The fuel utilization rate and the like are determined based on this amount. The estimated value of the heat storage amount by integrating the addition / subtraction values is calculated by the heat storage amount estimation means 110a built in the control unit.

図13に示すフローチャートは、温度検出手段である発電室温度センサ142によって検出された検出温度Td等に基づいて発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量を決定するものであり、所定の時間間隔で実行される。   The flowchart shown in FIG. 13 determines the power generation air supply amount, the water supply amount, and the fuel supply amount based on the detected temperature Td and the like detected by the power generation chamber temperature sensor 142 serving as the temperature detection means. It is executed at the time interval.

まず、図13のステップS31においては、検出温度Td及び図14に基づいて、第1加減算値M1が計算される。まず、検出温度Tdが、燃料電池セルスタック14の適正温度Ts(I)に対して、所定の温度範囲内(図14の2本の実線の間)にある場合には、第1加減算値M1は0にされる。
即ち、検出温度Tdが、
Ts(I)−Te≦Td≦Ts(I)+Te
の範囲内にある場合には、第1加減算値M1=0にされる。ここで、Teは第1加減算値閾値温度である。なお、本実施形態においては、第1加減算値閾値温度Teは3℃である。
First, in step S31 of FIG. 13, the first addition / subtraction value M1 is calculated based on the detected temperature Td and FIG. First, when the detected temperature Td is within a predetermined temperature range (between the two solid lines in FIG. 14) with respect to the appropriate temperature Ts (I) of the fuel cell stack 14, the first addition / subtraction value M1. Is set to zero.
That is, the detected temperature Td is
Ts (I) −Te ≦ Td ≦ Ts (I) + Te
Is within the range, the first addition / subtraction value M1 = 0. Here, Te is the first addition / subtraction value threshold temperature. In the present embodiment, the first addition / subtraction value threshold temperature Te is 3 ° C.

また、検出温度Tdが、適正温度Ts(I)よりも低く、
Td<Ts(I)−Te (4)
の範囲内(図14における下側の実線よりも下)にある場合には、第1加減算値M1は、
M1=Ki×(Td−(Ts(I)−Te)) (5)
によって計算される。この際、第1加減算値M1は、負の値(減算値)となる。なお、Kiは、所定の比例定数である。
Further, the detected temperature Td is lower than the appropriate temperature Ts (I),
Td <Ts (I) −Te (4)
Is within the range (below the lower solid line in FIG. 14), the first addition / subtraction value M1 is
M1 = Ki × (Td− (Ts (I) −Te)) (5)
Calculated by At this time, the first addition / subtraction value M1 is a negative value (subtraction value). Ki is a predetermined proportionality constant.

また、検出温度Tdが、適正温度Ts(I)よりも高く、
Td>Ts(I)+Te (6)
の範囲内(図14における上側の実線よりも上)にある場合には、第1加減算値M1は、
M1=Ki×(Td−(Ts(I)+Te)) (7)
によって計算される。この際、第1加減算値M1は、正の値(加算値)となる。このように、第1加減算値M1は、検出温度Tdの他、発電電流に基づいて決定され、これを積算することにより蓄熱量が推定される。即ち、適正温度Ts(I)は、発電電流(電力)に応じて異なるように設定され、この適正温度Ts(I)に基づいて決定される(Ts(I)+Te)の値、及び(Ts(I)−Te)の値に基づいて、第1加減算値M1が正又は負の値に決定される。
Further, the detected temperature Td is higher than the appropriate temperature Ts (I),
Td> Ts (I) + Te (6)
Is within the range (above the upper solid line in FIG. 14), the first addition / subtraction value M1 is
M1 = Ki × (Td− (Ts (I) + Te)) (7)
Calculated by At this time, the first addition / subtraction value M1 is a positive value (addition value). As described above, the first addition / subtraction value M1 is determined based on the generated current in addition to the detected temperature Td, and the heat storage amount is estimated by integrating the value. That is, the appropriate temperature Ts (I) is set to be different depending on the generated current (electric power), and the value of (Ts (I) + Te) determined based on the appropriate temperature Ts (I) and (Ts Based on the value of (I) −Te), the first addition / subtraction value M1 is determined as a positive or negative value.

なお、検出温度Tdが(Ts(I)+Te)を超えると、第1加減算値M1は正の値となり、後述するように燃料利用率を高くする燃料供給量の変更が行われるので、本明細書においては、各発電電力に対する温度(Ts(I)+Te)を燃料利用率変更温度と称する。また、燃料利用率変更温度(Ts(I)+Te)を超えることにより、燃料利用率を高くした高効率制御に移行した後、高効率制御から蓄積されている熱量の消費を行わない目標温度域制御に復帰するタイミングは、後述するように、第1加減算値M1等の積算値N1idが0まで低下した時点となる。このため、検出温度Tdが燃料利用率変更温度(Ts(I)+Te)よりも低下した後も、暫時、積算値N1idは0よりも大きい値に維持され、高効率制御が行われる。   If the detected temperature Td exceeds (Ts (I) + Te), the first addition / subtraction value M1 becomes a positive value, and the fuel supply amount is changed to increase the fuel utilization rate as will be described later. In the document, the temperature (Ts (I) + Te) for each generated power is referred to as the fuel utilization rate change temperature. Moreover, after the fuel utilization rate change temperature (Ts (I) + Te) is exceeded, after shifting to the high efficiency control in which the fuel utilization rate is increased, the target temperature range in which the amount of heat accumulated from the high efficiency control is not consumed. As will be described later, the timing for returning to control is when the integrated value N1id such as the first addition / subtraction value M1 has decreased to zero. For this reason, even after the detected temperature Td falls below the fuel utilization rate changing temperature (Ts (I) + Te), the integrated value N1id is maintained at a value larger than 0 for a while, and high efficiency control is performed.

次に、図13のステップS32においては、最新の検出温度Td、及び1分前に検出された検出温度Tdbに基づいて、第2加減算値M2が計算される。まず、最新の検出温度Tdと1分前の検出温度Tdbの差の絶対値が所定の第2加減算値閾値温度未満である場合には、第2加減算値M2は0にされる。なお、本実施形態においては、第2加減算値閾値温度は1℃である。   Next, in step S32 of FIG. 13, the second addition / subtraction value M2 is calculated based on the latest detected temperature Td and the detected temperature Tdb detected one minute ago. First, when the absolute value of the difference between the latest detected temperature Td and the detected temperature Tdb one minute ago is less than a predetermined second addition / subtraction value threshold temperature, the second addition / subtraction value M2 is set to zero. In the present embodiment, the second addition / subtraction value threshold temperature is 1 ° C.

また、最新の検出温度Tdと1分前の検出温度Tdbの差である変化温度差が所定の第2加減算値閾値温度以上の場合には、第2加減算値M2は、
M2=Kd×(Td−Tdb) (8)
によって計算される。この第2加減算値M2は、検出温度Tdが上昇傾向にある場合には正の値(加算値)となり、検出温度Tdが低下傾向にある場合には負の値(減算値)となる。なお、Kdは、所定の比例定数である。従って、検出温度Tdが上昇している場合において、変化温度差(Td−Tdb)が大きい領域においては、変化温度差が小さい領域よりも、速応推定値である第2加減算値M2が大きく増加される。逆に、検出温度が低下している場合において、変化温度差(Td−Tdb)の絶対値が大きい領域においては、変化温度差の絶対値が小さい領域よりも、第2加減算値M2は大きく減少される。
When the change temperature difference that is the difference between the latest detected temperature Td and the detected temperature Tdb one minute ago is equal to or higher than a predetermined second addition / subtraction value threshold temperature, the second addition / subtraction value M2 is:
M2 = Kd × (Td−Tdb) (8)
Calculated by The second addition / subtraction value M2 becomes a positive value (addition value) when the detected temperature Td tends to increase, and becomes a negative value (subtraction value) when the detected temperature Td tends to decrease. Kd is a predetermined proportional constant. Therefore, when the detected temperature Td is increasing, the second addition / subtraction value M2, which is the quick response estimated value, is greatly increased in the region where the change temperature difference (Td−Tdb) is large compared to the region where the change temperature difference is small. Is done. On the other hand, when the detected temperature is low, the second addition / subtraction value M2 is greatly reduced in the region where the absolute value of the change temperature difference (Td−Tdb) is large than in the region where the absolute value of the change temperature difference is small. Is done.

なお、本実施形態においては、比例定数Kdは一定値であるが、変形例として、変化温度差が正の場合と負の場合で、異なる比例定数Kdを使用することもできる。例えば、変化温度差が負である場合に比例定数Kdを大きく設定することもできる。これにより、検出温度が低下している場合には、検出温度が上昇している場合よりも、変化温度差に対して急激に速応推定値が変化される。或いは、変形例として、変化温度差の絶対値が大きい領域において、小さい領域よりも比例定数Kdを大きく設定することもできる。これにより、変化温度差の絶対値が大きい領域においては、変化温度差の絶対値が小さい領域よりも、変化温度差の変化に対して急激に速応推定値が変化される。また、変化温度差の正負に基づく比例定数Kdの変更と、変化温度差の絶対値の大小に基づく比例定数Kdの変更を組み合わせることもできる。   In the present embodiment, the proportionality constant Kd is a constant value, but as a modification, different proportionality constants Kd can be used depending on whether the change temperature difference is positive or negative. For example, the proportionality constant Kd can be set large when the change temperature difference is negative. As a result, when the detected temperature is lowered, the estimated quick response value is changed more rapidly with respect to the change temperature difference than when the detected temperature is increased. Alternatively, as a modification, the proportionality constant Kd can be set larger in the region where the absolute value of the change temperature difference is large than in the small region. As a result, in the region where the absolute value of the change temperature difference is large, the estimated quick response value is changed more rapidly than the region where the absolute value of the change temperature difference is small. Further, the change of the proportional constant Kd based on the sign of the change temperature difference and the change of the proportional constant Kd based on the magnitude of the absolute value of the change temperature difference can be combined.

次いで、図13のステップS33においては、ステップS31で計算された第1加減算値M1、及びステップS32で計算された第2加減算値M2を、第1積算値N1idに積算する。第1積算値N1idには、第1加減算値M1により、断熱材7等に蓄積された利用可能な蓄熱量が反映され、第2加減算値M2により、直近の検出温度Tdの変化が反映される。即ち、第1積算値N1idは、断熱材7等に蓄積された利用可能な蓄熱量の推定値として利用することができる。また、積算は、固体酸化物型燃料電池の運転開始後継続的に、図13のフローチャートが実行される毎に行われ、前回計算された第1積算値N1idに、第1加減算値M1及び第2加減算値M2が加算又は減算され、新たな第1積算値N1idに更新される。第1積算値N1idは、0〜4の間の値をとるように制限されており、第1積算値N1idが4に到達した場合には、値は次に減算が行われるまで4に保持され、第1積算値N1idが0まで減少した場合には、値は次に加算が行われるまで0に保持される。   Next, in step S33 of FIG. 13, the first addition / subtraction value M1 calculated in step S31 and the second addition / subtraction value M2 calculated in step S32 are integrated into the first integration value N1id. In the first integrated value N1id, the available heat storage amount accumulated in the heat insulating material 7 and the like is reflected by the first addition / subtraction value M1, and the latest change in the detected temperature Td is reflected by the second addition / subtraction value M2. . That is, the first integrated value N1id can be used as an estimated value of the available heat storage amount accumulated in the heat insulating material 7 or the like. Further, the integration is performed every time the flowchart of FIG. 13 is executed continuously after the operation of the solid oxide fuel cell is started. The first addition value N1id and the first addition / subtraction value M1 are added to the previously calculated first integration value N1id. The 2 addition / subtraction value M2 is added or subtracted and updated to a new first integrated value N1id. The first integrated value N1id is limited to take a value between 0 and 4, and when the first integrated value N1id reaches 4, the value is held at 4 until the next subtraction is performed. When the first integrated value N1id decreases to 0, the value is held at 0 until the next addition is performed.

なお、ステップS33においては、第1積算値N1idに加え、第2積算値N2idの値も計算する。第2積算値N2idは、燃料電池モジュール2に電圧降下が発生していない場合には、第1積算値N1idと全く同様に計算され、第1積算値N1idと同一の値を取る。また、燃料電池モジュール2に電圧降下が発生した場合には、第1積算値N1idの積算が停止され、第1積算値N1idと第2積算値N2idは異なる値を取るようになる。第1、第2積算値については後述する。   In step S33, in addition to the first integrated value N1id, the value of the second integrated value N2id is also calculated. The second integrated value N2id is calculated in the same manner as the first integrated value N1id when no voltage drop occurs in the fuel cell module 2, and takes the same value as the first integrated value N1id. Further, when a voltage drop occurs in the fuel cell module 2, the integration of the first integrated value N1id is stopped, and the first integrated value N1id and the second integrated value N2id take different values. The first and second integrated values will be described later.

なお、上記のように、本実施形態においては、第1加減算値M1と第2加減算値M2の和を第1積算値N1idに積算することにより、積算値を計算している。即ち、
N1id=N1id+M1+M2 (9)
により、第1積算値N1idを計算している。ここで、変形例として、第1加減算値M1と第2加減算値M2の積を積算することにより、積算値を計算しても良い。即ち、この変形例では、第1積算値N1idは、
N1id=N1id+Km×M1×M2 (10)
により計算される。ここで、Kmは、所定の条件に応じて変更される可変の係数である。また、この変形例においては、最新の検出温度Tdと1分前の検出温度Tdbの差の絶対値が所定の第2加減算値閾値温度未満である場合には、第2加減算値M2は1にされる。
As described above, in the present embodiment, the integrated value is calculated by integrating the sum of the first addition / subtraction value M1 and the second addition / subtraction value M2 to the first integration value N1id. That is,
N1id = N1id + M1 + M2 (9)
Thus, the first integrated value N1id is calculated. Here, as a modification, the integrated value may be calculated by integrating the product of the first addition / subtraction value M1 and the second addition / subtraction value M2. That is, in this modification, the first integrated value N1id is
N1id = N1id + Km × M1 × M2 (10)
Is calculated by Here, Km is a variable coefficient that is changed according to a predetermined condition. In this modified example, when the absolute value of the difference between the latest detected temperature Td and the detected temperature Tdb one minute ago is less than a predetermined second addition / subtraction value threshold temperature, the second addition / subtraction value M2 is 1. Is done.

次いで、ステップS34において、燃料利用率を最適に調整し、燃料供給量を減少させるための燃料利用率調整サブルーチン(図21)を実行する。後述するように、図21に示すサブルーチンでは、検出温度Tdが図14に示す適正温度範囲内にある場合において、所定の条件の下に第2積算値N2idの値を操作して、結果的に燃料利用率を向上させて燃料供給量を減少させる。なお、図21のサブルーチンは、図13のフローチャートの実行毎に毎回呼び出されるのではなく、所定回数の実行毎に1回呼び出される。本実施形態においては、約20秒に1回、図21のサブルーチンが実行される。   Next, in step S34, a fuel usage rate adjustment subroutine (FIG. 21) for optimally adjusting the fuel usage rate and reducing the fuel supply amount is executed. As will be described later, in the subroutine shown in FIG. 21, when the detected temperature Td is within the appropriate temperature range shown in FIG. 14, the value of the second integrated value N2id is manipulated under a predetermined condition. Increase fuel utilization and reduce fuel supply. The subroutine shown in FIG. 21 is not called every time the flowchart shown in FIG. 13 is executed, but is called once every predetermined number of times. In the present embodiment, the subroutine of FIG. 21 is executed about once every 20 seconds.

さらに、図13のステップS35においては、計算された第1積算値N1idに基づいて、図15及び図16のグラフを使用して、燃料利用率が決定される。
図15は、計算された第1積算値N1idに対する燃料利用率Ufの設定値を示すグラフである。図15に示すように、第1積算値N1idが0である場合には、燃料利用率Ufは最小値である最小燃料利用率Ufminに設定される。また、第1積算値N1idの増加と共に燃料利用率Ufも増加し、第1積算値N1id=1において最大値である最大燃料利用率Ufmaxとなる。この間、燃料利用率Ufは、第1積算値N1idが小さい領域では傾きが小さく、第1積算値N1idが1に近づくほど傾きが大きくなる。即ち、推定蓄熱量が大きい領域においては、推定蓄熱量が小さい領域よりも、推定蓄熱量の変化に対して大幅に燃料利用率Ufが変化される。換言すれば、推定された蓄熱量が大きいほど大幅に燃料利用率Ufを高めるように燃料供給量が減少される。さらに、第1積算値N1idが1よりも大きい場合には、燃料利用率Ufは最大燃料利用率Ufmaxに固定される。これらの最小燃料利用率Ufmin及び最大燃料利用率Ufmaxの具体的な値は、発電電流に基づいて、図16に示すグラフにより決定される。このように、断熱材7等に利用可能な熱量が蓄積されていることが推定された場合には、利用可能な熱量が蓄積されていない場合よりも同一の発電電力に対して燃料利用率が高くなるように、燃料供給量が減少される。
Further, in step S35 of FIG. 13, the fuel utilization rate is determined using the graphs of FIGS. 15 and 16 based on the calculated first integrated value N1id.
FIG. 15 is a graph showing a set value of the fuel utilization rate Uf with respect to the calculated first integrated value N1id. As shown in FIG. 15, when the first integrated value N1id is 0, the fuel utilization rate Uf is set to the minimum fuel utilization rate Ufmin, which is the minimum value. Further, as the first integrated value N1id increases, the fuel utilization rate Uf also increases, and becomes the maximum fuel utilization rate Ufmax that is the maximum value at the first integrated value N1id = 1. During this time, the fuel utilization rate Uf has a small slope in the region where the first integrated value N1id is small, and the slope increases as the first integrated value N1id approaches 1. That is, in the region where the estimated heat storage amount is large, the fuel utilization rate Uf is significantly changed with respect to the change in the estimated heat storage amount, compared to the region where the estimated heat storage amount is small. In other words, the fuel supply amount is decreased so that the fuel utilization rate Uf is significantly increased as the estimated heat storage amount is larger. Further, when the first integrated value N1id is larger than 1, the fuel usage rate Uf is fixed to the maximum fuel usage rate Ufmax. Specific values of the minimum fuel utilization rate Ufmin and the maximum fuel utilization rate Ufmax are determined by the graph shown in FIG. 16 based on the generated current. Thus, when it is estimated that the amount of heat that can be used is accumulated in the heat insulating material 7 and the like, the fuel utilization rate is higher for the same generated power than in the case where the amount of available heat is not accumulated. The fuel supply is reduced to be higher.

図16は、各発電電流に対し、燃料利用率Ufがとり得る値の範囲を示すグラフであり、各発電電流について燃料利用率Ufの最大値及び最小値が示されている。図16に示すように、各発電電流に対する最小燃料利用率Ufminは、発電電流の増加と共に大きくなるように設定されている。即ち、発電電力が大きいときは燃料利用率が高く、発電電力が小さいときには燃料利用率が低くなるように設定されている。この最小燃料利用率Ufminの直線は、図9における実線に対応するものであり、この直線上の燃料利用率に設定された場合には、断熱材7等に蓄積された熱量を利用することなく、燃料電池モジュール2は熱的に自立することができる。   FIG. 16 is a graph showing a range of values that the fuel utilization rate Uf can take for each generated current, and shows the maximum value and the minimum value of the fuel utilization rate Uf for each generated current. As shown in FIG. 16, the minimum fuel utilization rate Ufmin for each generated current is set so as to increase as the generated current increases. That is, the fuel utilization rate is set high when the generated power is large, and the fuel utilization rate is set low when the generated power is small. The straight line of the minimum fuel utilization rate Ufmin corresponds to the solid line in FIG. 9, and when set to the fuel utilization rate on this straight line, the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7 or the like is not used. The fuel cell module 2 can be thermally independent.

一方、最大燃料利用率Ufmaxは、各発電電流に対して折れ線状に変化するように設定されている。ここで、各発電電流に対して燃料利用率Ufがとり得る値の範囲(最大燃料利用率Ufmaxと最小燃料利用率Ufminの差)は、最大の発電電流で最も狭く、発電電流が減少するにつれて広くなる。これは、最大の発電電流付近では、熱的に自立可能な最小燃料利用率Ufminが高く、蓄熱を利用しても燃料利用率Ufを高める(燃料供給量を減じる)余地が少ないためである。さらに、発電電流が減少するにつれて熱的に自立可能な最小燃料利用率Ufminは低くなるため、蓄熱を利用することにより燃料供給量を減じる余地が大きくなり、蓄熱量が多い場合には、燃料利用率Ufを大幅に高めることが可能である。このため、発電電力が小さい領域においては、発電電力が大きい領域よりも、広い範囲で燃料利用率が変更される。   On the other hand, the maximum fuel utilization rate Ufmax is set so as to change in a polygonal line with respect to each generated current. Here, the range of values that the fuel utilization rate Uf can take for each generated current (the difference between the maximum fuel utilization rate Ufmax and the minimum fuel utilization rate Ufmin) is the narrowest at the maximum generated current, and as the generated current decreases. Become wider. This is because, in the vicinity of the maximum generated current, the minimum fuel utilization rate Ufmin that can be thermally independent is high, and there is little room for increasing the fuel utilization rate Uf (reducing the fuel supply amount) even when using heat storage. Furthermore, since the minimum fuel utilization rate Ufmin that can be thermally self-sustained decreases as the generated current decreases, there is room for reducing the amount of fuel supplied by using heat storage, and when there is a large amount of heat storage, fuel use The rate Uf can be significantly increased. For this reason, in the region where the generated power is small, the fuel utilization rate is changed in a wider range than in the region where the generated power is large.

また、発電電流が非常に小さい、所定の利用率抑制発電量IU以下の領域においては、発電電力が小さくなるほど燃料利用率Ufがとり得る値の範囲が狭くなるように設定されている。これは、発電電流が小さい領域では、熱的に自立可能な最小燃料利用率Ufminが低く、これを改善する余地は大きい。しかしながら、発電電流が小さい領域では、燃料電池モジュール2内の温度が低いため、この状態で大幅に燃料利用率Ufを改善し、断熱材7等に蓄積されている熱量を急激に消費すると、燃料電池モジュール2内の過剰な温度低下を招くリスクがある。このため、発電電流が非常に小さい利用率抑制発電量IU以下の領域においては、発電電力が小さくなるほど燃料利用率Ufを高める変更量が大幅に抑制される。即ち、燃料供給量を減少させる変更量は燃料電池モジュール2の発電量が少ないほど少なくなる。これにより、急激な温度低下のリスクを回避すると共に、蓄積された熱量を長時間に亘って利用することを可能にしている。   Further, in a region where the generated current is very small and is less than or equal to the predetermined utilization rate suppressed power generation amount IU, the range of possible values of the fuel utilization rate Uf is set to be narrower as the generated power is reduced. This is because in the region where the generated current is small, the minimum fuel utilization rate Ufmin that can be thermally independent is low, and there is much room for improvement. However, in the region where the generated current is small, the temperature in the fuel cell module 2 is low. Therefore, if the fuel utilization rate Uf is significantly improved in this state and the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7 or the like is consumed rapidly, There is a risk of causing an excessive temperature drop in the battery module 2. For this reason, in the area | region below the utilization factor suppression electric power generation amount IU in which an electric power generation current is very small, the change amount which raises the fuel utilization factor Uf is significantly suppressed, so that generated electric power becomes small. That is, the amount of change to decrease the fuel supply amount decreases as the power generation amount of the fuel cell module 2 decreases. This avoids the risk of a sudden temperature drop and makes it possible to use the accumulated heat for a long time.

本実施形態においては、制御部110に内蔵された燃料供給量変更手段(図示せず)により、最小燃料利用率Ufminに対して燃料利用率Ufが高くなるように燃料供給量が減少される。この燃料供給量変更手段(図示せず)は、ベースとなる燃料供給量を変更して燃料利用率を高めるように作用する。   In the present embodiment, the fuel supply amount is reduced by the fuel supply amount changing means (not shown) built in the control unit 110 so that the fuel usage rate Uf is higher than the minimum fuel usage rate Ufmin. This fuel supply amount changing means (not shown) acts to increase the fuel utilization rate by changing the base fuel supply amount.

図13のステップS35においては、発電電流に基づいて、最小燃料利用率Ufmin及び最大燃料利用率Ufmaxの具体値を、図16のグラフを使用して決定する。次に、決定された最小燃料利用率Ufmin及び最大燃料利用率Ufmaxを図15のグラフに適用し、ステップS33において計算された第1積算値N1idに基づいて、燃料利用率Ufを決定する。   In step S35 of FIG. 13, specific values of the minimum fuel utilization rate Ufmin and the maximum fuel utilization rate Ufmax are determined based on the generated current, using the graph of FIG. Next, the determined minimum fuel utilization rate Ufmin and maximum fuel utilization rate Ufmax are applied to the graph of FIG. 15, and the fuel utilization rate Uf is determined based on the first integrated value N1id calculated in step S33.

次に、図13のステップS36においては、第2積算値N2idに基づいて、図17及び図18のグラフを使用して、空気利用率が決定される。
図17は、計算された第2積算値N2idに対する空気利用率Uaの設定値を示すグラフである。図17に示すように、第2積算値N2idが0乃至1である場合には、空気利用率Uaは最大値である最大空気利用率Uamaxに設定される。さらに、第2積算値N2idが1を超えて増加すると共に空気利用率Uaは低下し、第2積算値N2id=4において最小値である最小空気利用率Uaminとなる。このように、空気利用率Uaを低下させることによる増加分の空気は冷却用の流体として作用するので、図17に示す空気利用率Uaの設定は、強制冷却手段として作用する。これらの最小空気利用率Uamin及び最大空気利用率Uamaxの具体的な値は、発電電流に基づいて、図18に示すグラフにより決定される。
Next, in step S36 of FIG. 13, the air utilization rate is determined using the graphs of FIGS. 17 and 18 based on the second integrated value N2id.
FIG. 17 is a graph showing a set value of the air utilization rate Ua with respect to the calculated second integrated value N2id. As shown in FIG. 17, when the second integrated value N2id is 0 to 1, the air utilization rate Ua is set to the maximum air utilization rate Uamax that is the maximum value. Further, as the second integrated value N2id increases beyond 1, the air utilization rate Ua decreases, and becomes the minimum air utilization rate Uamin that is the minimum value at the second integrated value N2id = 4. Thus, since the increased amount of air due to the reduction in the air utilization rate Ua acts as a cooling fluid, the setting of the air utilization rate Ua shown in FIG. 17 acts as a forced cooling means. Specific values of the minimum air utilization rate Uamin and the maximum air utilization rate Uamax are determined by the graph shown in FIG. 18 based on the generated current.

図18は、各発電電流に対し、空気利用率Uaがとり得る値の範囲を示すグラフであり、各発電電流について燃料利用率Uaの最大値及び最小値が示されている。図18に示すように、各発電電流に対する最大空気利用率Uamaxは、発電電流の増加と共に僅かに大きくなるように設定されている。一方、最小空気利用率Uaminは、発電電流の増加と共に低下する。空気利用率Uaを、最大空気利用率Uamaxよりも低下させる(空気供給量を増大させる)ことは、発電に必要な空気よりも多い空気を燃料電池モジュール2内に導入することになり、これにより、燃料電池モジュール2内の温度は低下される。従って、燃料電池モジュール2内の温度が過剰に上昇し、温度を低下させる必要がある場合には、空気利用率Uaを低下させる。本実施形態においては、発電電流の増加と共に最小空気利用率Uaminを低下(空気供給量を増加)させていくと、所定の発電電流において、最小空気利用率Uaminに対応する空気供給量が発電用空気流量調整ユニット45の最大空気供給量を超えてしまう。このため、最小空気利用率Uaminが図18において破線で示されている所定の発電電流以上の領域では、図17のグラフによって設定された空気利用率Uaを実現することができない場合がある。この場合には、実際に供給される空気供給量は、設定された空気利用率Uaに関わらず、発電用空気流量調整ユニット45の最大空気供給量に固定される。これに伴い、所定の発電電流以上では、実際に実現される最小の空気利用率Uaは増大する。また、最大空気供給量が大きい発電用空気流量調整ユニットを使用した場合には、図18に破線で示された部分の最小空気利用率Uaminを実現することもできる。なお、発電用空気流量調整ユニット45の最大空気供給量に達することにより規定された空気利用率Uaを、限界最小空気利用率ULaminと記載する。   FIG. 18 is a graph showing a range of values that the air utilization rate Ua can take for each generated current, and shows the maximum value and the minimum value of the fuel utilization rate Ua for each generated current. As shown in FIG. 18, the maximum air utilization rate Uamax for each generated current is set to be slightly increased with an increase in the generated current. On the other hand, the minimum air utilization rate Uamin decreases as the generated current increases. Reducing the air utilization rate Ua below the maximum air utilization rate Uamax (increasing the air supply amount) introduces more air into the fuel cell module 2 than is necessary for power generation. The temperature in the fuel cell module 2 is lowered. Therefore, when the temperature in the fuel cell module 2 rises excessively and the temperature needs to be lowered, the air utilization rate Ua is lowered. In this embodiment, when the minimum air utilization rate Uamin is decreased (the air supply amount is increased) as the generation current is increased, the air supply amount corresponding to the minimum air utilization rate Uamin is generated for power generation at a predetermined generation current. The maximum air supply amount of the air flow rate adjustment unit 45 will be exceeded. For this reason, the air utilization rate Ua set by the graph of FIG. 17 may not be realized in a region where the minimum air utilization rate Uamin is equal to or greater than a predetermined generated current indicated by a broken line in FIG. In this case, the actually supplied air supply amount is fixed to the maximum air supply amount of the power generation air flow rate adjustment unit 45 regardless of the set air utilization rate Ua. Along with this, the minimum air utilization rate Ua actually realized increases above a predetermined generated current. Further, when a power generation air flow rate adjustment unit having a large maximum air supply amount is used, the minimum air utilization rate Uamin of the portion indicated by the broken line in FIG. 18 can be realized. The air utilization rate Ua defined by reaching the maximum air supply amount of the power generation air flow rate adjustment unit 45 is referred to as a limit minimum air utilization rate ULamin.

図13のステップS36においては、発電電流に基づいて、最小空気利用率Uamin及び最大空気利用率Uamaxの具体値を、図18のグラフを使用して決定する。次に、決定された最小空気利用率Uamin及び最大空気利用率Uamaxを図17のグラフに適用し、ステップS33において計算された第2積算値N2idに基づいて、空気利用率Uaを決定する。なお、ステップS34において呼び出されるサブルーチンにより第2積算値N2idの値が変更されている場合には、その値が使用される。   In step S36 of FIG. 13, specific values of the minimum air utilization rate Uamin and the maximum air utilization rate Uamax are determined based on the generated current using the graph of FIG. Next, the determined minimum air utilization rate Uamin and maximum air utilization rate Uamax are applied to the graph of FIG. 17, and the air utilization rate Ua is determined based on the second integrated value N2id calculated in step S33. If the value of the second integrated value N2id has been changed by the subroutine called in step S34, that value is used.

次に、図13のステップS37においては、ステップS36において決定された空気利用率Uaに基づき、図19を使用して水蒸気量と炭素量の比であるS/Cを決定する。
図19は、横軸を空気利用率Ua、縦軸を、供給された水蒸気量と、燃料に含まれる炭素量との比S/Cとしたグラフである。
Next, in step S37 of FIG. 13, based on the air utilization rate Ua determined in step S36, S / C which is the ratio of the water vapor amount and the carbon amount is determined using FIG.
FIG. 19 is a graph in which the horizontal axis represents the air utilization rate Ua, and the vertical axis represents the ratio S / C between the amount of supplied water vapor and the amount of carbon contained in the fuel.

まず、ステップS36において設定された空気利用率Uaが、発電用空気流量調整ユニット45の最大空気供給量によって規定されていない発電電流の領域(図19におけるUamax〜ULamin間)では、水蒸気量と炭素量の比S/Cの値は、2.5に固定される。なお、水蒸気量と炭素量の比S/C=1とは、供給された燃料に含まれる炭素の全量が、供給された水(水蒸気)により化学的に過不足なく水蒸気改質される状態を意味する。従って、水蒸気量と炭素量の比S/C=2.5とは、燃料を水蒸気改質するために化学的に必要最小限の水蒸気量の2.5倍の水蒸気(水)が供給されている状態を意味する。実際には、S/C=1となる水蒸気量では改質器20内において炭素析出が発生してしまうため、S/C=2.5程度となる水蒸気量が燃料を水蒸気改質するための適量である。   First, in the region of generated current where the air utilization rate Ua set in step S36 is not defined by the maximum air supply amount of the power generation air flow rate adjustment unit 45 (between Uamax and ULamin in FIG. 19), the amount of water vapor and carbon The value of the quantity ratio S / C is fixed at 2.5. The ratio of the amount of water vapor to the amount of carbon S / C = 1 means that the total amount of carbon contained in the supplied fuel is chemically steam-reformed by the supplied water (steam). means. Therefore, the ratio S / C = 2.5 of the amount of steam and the amount of carbon is 2.5 times the amount of steam (water) that is 2.5 times the minimum amount of steam that is chemically necessary for steam reforming the fuel. Means the state. Actually, carbon precipitation occurs in the reformer 20 at the amount of steam at which S / C = 1, so that the amount of steam at which S / C = 2.5 is for steam reforming the fuel. Appropriate amount.

次に、ステップS36において設定される空気利用率Uaが、発電用空気流量調整ユニット45の最大空気供給量によって制限される発電電流の領域では、図19のグラフを使用して水蒸気量と炭素量の比S/Cが決定される。図19において、横軸は空気利用率Uaであり、空気利用率Uaが大きく、最大空気利用率Uamaxに近いほど空気供給量は少なくなる。一方、空気利用率Uaを低下させ、最小空気利用率Uamin(図18における破線)に近づくと、空気供給量が限界に達し、空気利用率Uaは限界最小空気利用率ULaminになる。図19に示すように、空気利用率Uaが限界最小空気利用率ULaminよりも大きい(空気供給量が少ない)場合には、水蒸気量と炭素量の比S/C=2.5に設定される。さらに、ステップS36において決定された空気利用率Uaが、限界最小空気利用率ULaminよりも小さい(空気供給量が多い)場合(図19におけるUamin〜ULamin間)には、空気利用率Uaの減少と共に水蒸気量と炭素量の比S/Cは増大され、最小空気利用率Uaminにおいて、S/C=3.5に設定される。即ち、ステップS36において決定された空気利用率Uaが、限界最小空気利用率ULaminにより実現できない場合(空気利用率Uaが図18の斜線の範囲内に決定された場合)には、水蒸気量と炭素量の比S/Cを増大させ、水供給量を増大させる。これにより、改質器20から流出する改質された燃料ガスの温度を低下させ、燃料電池モジュール2内の温度を低下傾向にする。このように、空気利用率Uaを低下させて空気供給量を増加させた後、水供給量を増大させると、増加分の水(水蒸気)は、冷却用の流体として作用するので、図19に示す水供給量の設定は強制冷却手段として作用する。   Next, in the region of the generated current in which the air utilization rate Ua set in step S36 is limited by the maximum air supply amount of the power generation air flow rate adjustment unit 45, the water vapor amount and the carbon amount using the graph of FIG. The ratio S / C is determined. In FIG. 19, the horizontal axis is the air utilization rate Ua, the air utilization rate Ua is larger, and the closer to the maximum air utilization rate Uamax, the smaller the air supply amount. On the other hand, when the air utilization rate Ua is lowered and approaches the minimum air utilization rate Uamin (broken line in FIG. 18), the air supply amount reaches the limit, and the air utilization rate Ua becomes the limit minimum air utilization rate ULamin. As shown in FIG. 19, when the air utilization rate Ua is larger than the limit minimum air utilization rate ULamin (the air supply amount is small), the ratio S / C = 2.5 of the water vapor amount and the carbon amount is set. . Furthermore, when the air utilization rate Ua determined in step S36 is smaller than the limit minimum air utilization rate ULamin (the air supply amount is large) (between Uamin and ULamin in FIG. 19), the air utilization rate Ua decreases. The ratio S / C between the water vapor amount and the carbon amount is increased, and S / C = 3.5 is set at the minimum air utilization rate Uamin. That is, when the air utilization rate Ua determined in step S36 cannot be realized by the limit minimum air utilization rate ULamin (when the air utilization rate Ua is determined within the hatched range in FIG. 18), the water vapor amount and carbon Increase the quantity ratio S / C and increase the water supply. Thereby, the temperature of the reformed fuel gas flowing out from the reformer 20 is lowered, and the temperature in the fuel cell module 2 tends to be lowered. As described above, when the water supply amount is increased after decreasing the air utilization rate Ua and increasing the air supply amount, the increased amount of water (water vapor) acts as a cooling fluid. The water supply setting shown acts as a forced cooling means.

ステップS38においては、ステップS35、S36、及びS37において決定された燃料利用率Uf、空気利用率Ua、及び水蒸気量と炭素量の比S/Cと、発電電流に基づいて、具体的な燃料供給量、空気供給量、水供給量を決定する。即ち、全量が発電に使用されるとした場合の燃料供給量を、決定された燃料利用率Ufで除することにより実際の燃料供給量を計算し、全量が発電に使用されるとした場合の空気供給量を決定された空気利用率Uaで除することにより実際の空気供給量を計算する。また、計算された燃料供給量及びステップS37において決定された水蒸気量と炭素量の比S/Cに基づいて、水供給量を計算する。   In step S38, specific fuel supply is performed based on the fuel utilization rate Uf, air utilization rate Ua, the ratio S / C of the water vapor amount and the carbon amount determined in steps S35, S36, and S37, and the generated current. Determine the volume, air supply, and water supply. That is, the actual fuel supply amount is calculated by dividing the fuel supply amount when the total amount is used for power generation by the determined fuel utilization rate Uf, and the total amount is used for power generation. The actual air supply amount is calculated by dividing the air supply amount by the determined air utilization rate Ua. Further, the water supply amount is calculated based on the calculated fuel supply amount and the ratio S / C of the water vapor amount and the carbon amount determined in step S37.

次いで、ステップS39において、制御部110は、燃料流量調整ユニット38、発電用空気流量調整ユニット45、及び水供給手段である水流量調整ユニット28に信号を送り、ステップS38において計算された量の燃料、空気、及び水を供給し、図13のフローチャートの1回の処理を終了する。   Next, in step S39, the control unit 110 sends a signal to the fuel flow rate adjustment unit 38, the power generation air flow rate adjustment unit 45, and the water flow rate adjustment unit 28 that is the water supply means, and the amount of fuel calculated in step S38. , Air and water are supplied, and one process of the flowchart of FIG. 13 is completed.

次に、図13のフローチャートを実行する時間間隔を説明する。本実施形態において、図13のフローチャートは、出力電流が大きい場合には、0.5秒毎に実行され、出力電流が低下するにつれて、その2倍の1秒、4倍の2秒、8倍の4秒毎に実行される。これにより、第1及び第2加減算値が一定値である場合には、時間当たりの第1又は第2積算値の変化は、出力電流が少ないほど緩やかになる。即ち、蓄熱量推定手段110aは、出力電流(発電電力)が大きいほど蓄熱量の推定値を時間に対して急激に変化させる。これにより、積算値による蓄熱量の推定が、実際の蓄熱量を良く反映したものとなる。   Next, the time interval for executing the flowchart of FIG. 13 will be described. In the present embodiment, when the output current is large, the flowchart of FIG. 13 is executed every 0.5 seconds. As the output current decreases, it is doubled for 1 second, 4 times for 2 seconds, and 8 times. It is executed every 4 seconds. Thus, when the first and second addition / subtraction values are constant values, the change in the first or second integrated value per time becomes gentler as the output current is smaller. That is, the heat storage amount estimation means 110a changes the estimated value of the heat storage amount rapidly with respect to time as the output current (generated power) increases. Thereby, the estimation of the heat storage amount by the integrated value well reflects the actual heat storage amount.

次に、図20を参照して、燃料電池セルスタック14の出力電圧が低下した場合における、燃料供給量、空気供給量、及び水供給量の決定手順を説明する。図20は、燃料電池モジュール2による発電電流に対する発電電圧を示す図である。一般に、燃料電池セルスタック14には、内部抵抗が存在するため、図20に示すように、燃料電池モジュール2から出力される電流が増大すると、電圧は低下する。図20に示す一点鎖線は、燃料電池モジュール2が適正に運転されている場合における発電電流と発電電圧の関係を示している。また、燃料電池モジュール2の運転状態によっては、一時的に、一点鎖線に示されている発電電流と発電電圧の関係よりも発電電圧が低下する。或いは、燃料電池モジュール2に劣化が生じている場合には、燃料電池セルスタック14の内部抵抗が増大するため、同一の発電電流に対する発電電圧が恒常的に低下する。   Next, a procedure for determining the fuel supply amount, the air supply amount, and the water supply amount when the output voltage of the fuel cell stack 14 decreases will be described with reference to FIG. FIG. 20 is a diagram illustrating a generated voltage with respect to a generated current by the fuel cell module 2. In general, since an internal resistance exists in the fuel cell stack 14, as shown in FIG. 20, when the current output from the fuel cell module 2 increases, the voltage decreases. The dashed-dotted line shown in FIG. 20 has shown the relationship between the electric power generation electric current and electric power generation voltage in case the fuel cell module 2 is drive | operating appropriately. In addition, depending on the operating state of the fuel cell module 2, the power generation voltage is temporarily lower than the relationship between the power generation current and the power generation voltage indicated by the one-dot chain line. Or when degradation has arisen in the fuel cell module 2, since the internal resistance of the fuel cell stack 14 increases, the generated voltage for the same generated current constantly decreases.

本実施形態の固体酸化物型燃料電池においては、初期の発電電圧に対して、発電電圧が10%以上低下し、発電電圧が図20の実線よりも下の領域に入ると、この発電電圧の低下に対応した処理により燃料供給量、空気供給量、及び水供給量を決定している。   In the solid oxide fuel cell of the present embodiment, when the generated voltage decreases by 10% or more with respect to the initial generated voltage, and the generated voltage enters a region below the solid line in FIG. The fuel supply amount, the air supply amount, and the water supply amount are determined by processing corresponding to the decrease.

即ち、発電電圧が図20の実線よりも下の領域にある場合には、図13のステップS33において、第1積算値N1idの積算を停止させ、第2積算値N2idの積算のみが継続される。これにより、燃料利用率Ufを決定するための図15のグラフを参照する際に使用される第1積算値N1idの値は、一定値に固定される。これにより、燃料利用率Ufは、発電電圧が図20の実線よりも下の領域から脱するまで固定される。このように、燃料電池モジュール2の発電電圧に大きな電圧降下が発生している場合には、燃料利用率Ufを高める変更が少なくされる。一方、空気利用率Uaを決定するための図17のグラフを参照する際に使用される第2積算値N2idの値は、従前の通り増減され、空気利用率Uaの増減は継続される。このように、燃料利用率Ufは、推定蓄熱量に対応した第1、第2積算値、需要電力の他に、燃料電池モジュール2の出力電圧に基づいて変更される。   That is, when the generated voltage is in a region below the solid line in FIG. 20, in step S33 in FIG. 13, the integration of the first integrated value N1id is stopped and only the integration of the second integrated value N2id is continued. . Accordingly, the value of the first integrated value N1id used when referring to the graph of FIG. 15 for determining the fuel utilization rate Uf is fixed to a constant value. As a result, the fuel utilization rate Uf is fixed until the generated voltage deviates from the region below the solid line in FIG. As described above, when a large voltage drop is generated in the power generation voltage of the fuel cell module 2, changes to increase the fuel utilization rate Uf are reduced. On the other hand, the value of the second integrated value N2id used when referring to the graph of FIG. 17 for determining the air utilization rate Ua is increased or decreased as before, and the increase or decrease in the air utilization rate Ua is continued. Thus, the fuel utilization rate Uf is changed based on the output voltage of the fuel cell module 2 in addition to the first and second integrated values corresponding to the estimated heat storage amount and the demand power.

次に、図21を参照して、燃料利用率調整制御を説明する。
図21は、図13のステップS34において呼び出される、燃料利用率調整制御を行うためのサブルーチンのフローチャートである。
Next, fuel utilization rate adjustment control will be described with reference to FIG.
FIG. 21 is a flowchart of a subroutine for performing fuel utilization rate adjustment control, which is called in step S34 of FIG.

上述したように、図13に示したフローチャートでは、検出温度Tdに基づいて第1加減算値M1、第2加減算値M2を決定し、これらを積算することにより、蓄熱量の推定値である第1、第2積算値N1id、N2idを計算した(図13、ステップS33)。さらに、これらの第1、第2積算値N1id、N2idに基づいて燃料利用率Uf、空気利用率Ua等が計算され、燃料及び発電用空気が供給された。このようにして燃料供給量及び発電用空気供給量を決定することにより、燃料電池モジュール2内の断熱材7に利用可能な熱量が蓄積されている場合にはこれが利用され、燃料利用率を高めながら燃料電池モジュール2内の温度が適正温度の範囲(図14)内に維持される。燃料電池モジュール2が適正温度に安定している状態では、燃料電池セルスタック14の発電熱、及び発電に利用されずに残った残余燃料の燃焼熱による加熱効果と、発電用空気による冷却効果がバランスしている。   As described above, in the flowchart shown in FIG. 13, the first addition / subtraction value M1 and the second addition / subtraction value M2 are determined based on the detected temperature Td, and the first addition value is an estimated value of the heat storage amount by integrating these values. The second integrated values N1id and N2id were calculated (FIG. 13, step S33). Further, based on the first and second integrated values N1id and N2id, the fuel usage rate Uf, the air usage rate Ua, and the like were calculated, and fuel and power generation air were supplied. By determining the fuel supply amount and the power generation air supply amount in this way, when the heat quantity available in the heat insulating material 7 in the fuel cell module 2 is accumulated, this is utilized, and the fuel utilization rate is increased. However, the temperature in the fuel cell module 2 is maintained within the appropriate temperature range (FIG. 14). In a state where the fuel cell module 2 is stable at an appropriate temperature, the heating effect by the heat generated by the fuel cell stack 14 and the combustion heat of the remaining fuel not used for power generation, and the cooling effect by the power generation air are obtained. Balanced.

この状態では、検出温度Tdが適正温度範囲(Ts(I)−Te≦Td≦Ts(I)+Te)から外れるまで、第1、第2積算値N1id、N2idの値は変化せず(ただし、第2加減算値M2は0とする)、燃料利用率Uf及び空気利用率Uaは従前の値が維持される。ここで、第1積算値N1idと第2積算値N2idの値が同一である場合には、燃料利用率Ufが最大燃料利用率でない場合(N1id=0〜1)には、空気利用率Uaは最大空気利用率(空気供給量最小、N2id=0〜1)となる。   In this state, the values of the first and second integrated values N1id and N2id do not change until the detected temperature Td deviates from the appropriate temperature range (Ts (I) −Te ≦ Td ≦ Ts (I) + Te) (however, The second addition / subtraction value M2 is 0), and the fuel utilization rate Uf and the air utilization rate Ua are maintained at the previous values. Here, when the values of the first integrated value N1id and the second integrated value N2id are the same, and the fuel usage rate Uf is not the maximum fuel usage rate (N1id = 0 to 1), the air usage rate Ua is The maximum air utilization rate (minimum air supply amount, N2id = 0 to 1).

一方、発電電圧の低下(図20)が発生した場合には、第1積算値N1idと第2積算値N2idの値は異なるものとなる。例えば、第1積算値N1id=0.5であり、第2積算値N2id=2.0の場合には、燃料利用率Uf、空気利用率Uaとも、最大値を取らない状態になる。このような状態においては、燃料利用率Ufが低下されることにより残余燃料が増加され、加熱が行われていると同時に、空気利用率Uaが低下されているため、発電用空気も増量されており、燃料電池モジュール2内は冷却されている。即ち、このような状態においては、燃料供給量を増加させることによる加熱と、発電用空気供給量を増加させることによる冷却が同時に行われて、熱的にバランスしていることになる。従って、この状態は、図13に示す適正温度制御の結果、適正温度範囲内で熱的にバランスし、安定した運転状態ではあっても、エネルギー効率の低いものとなる。また、この状態では、燃料電池モジュール2は適正温度の範囲内にあるため、第1、第2積算値N1id、N2idの値は変化せず、発電電力の大幅な変更等により運転状態が大きく変更されるまで、比較的長時間、効率の悪い安定状態が継続してしまう。制御部110に内蔵された燃料利用率調整手段110b(図6)は燃料利用率調整制御を実行し、熱的なバランスを維持しながら、このような効率の悪い安定状態から早期に脱出させるように作用する。この燃料利用率調整制御は、図21に示すフローチャートにより実行される。   On the other hand, when the power generation voltage decreases (FIG. 20), the first integrated value N1id and the second integrated value N2id are different. For example, when the first integrated value N1id = 0.5 and the second integrated value N2id = 2.0, neither the fuel utilization rate Uf nor the air utilization rate Ua takes a maximum value. In such a state, the remaining fuel is increased by reducing the fuel utilization rate Uf, and heating is performed. At the same time, the air utilization rate Ua is decreased, so the amount of power generation air is also increased. The inside of the fuel cell module 2 is cooled. That is, in such a state, the heating by increasing the fuel supply amount and the cooling by increasing the power generation air supply amount are performed at the same time, and the heat balance is achieved. Therefore, as a result of the appropriate temperature control shown in FIG. 13, this state is thermally balanced within the appropriate temperature range and has low energy efficiency even in a stable operation state. Further, in this state, since the fuel cell module 2 is within the appropriate temperature range, the values of the first and second integrated values N1id and N2id do not change, and the operation state changes greatly due to a large change in generated power. Until then, the inefficient stable state will continue for a relatively long time. The fuel utilization rate adjusting means 110b (FIG. 6) incorporated in the control unit 110 executes the fuel utilization rate adjustment control so as to escape from such an inefficient stable state at an early stage while maintaining a thermal balance. Act on. This fuel utilization rate adjustment control is executed according to the flowchart shown in FIG.

まず、図21のステップS41においては、検出温度Tdが、適正温度範囲(Ts(I)−Te≦Td≦Ts(I)+Te)内にあるか否かが判断される。検出温度Tdが適正温度範囲内にある場合にはステップS42に進み、適正温度範囲内にない場合にはステップS46に進む。ステップS46においては、燃料利用率調整制御を実行しないことが決定され、図21のフローチャートの1回の処理を終了する。即ち、検出温度Tdが、適正温度範囲内にない場合には、燃料電池モジュール2内の温度を適正温度範囲内に収束させる適正温度制御(図13)が優先され、燃料利用率調整制御は実行されない。これにより、熱的にバランスがとれていない燃料電池モジュール2に燃料利用率調整制御を適用し、急激な温度降下や、過昇温が発生するリスクが回避される。   First, in step S41 of FIG. 21, it is determined whether or not the detected temperature Td is within an appropriate temperature range (Ts (I) −Te ≦ Td ≦ Ts (I) + Te). When the detected temperature Td is within the appropriate temperature range, the process proceeds to step S42, and when it is not within the appropriate temperature range, the process proceeds to step S46. In step S46, it is determined not to execute the fuel utilization rate adjustment control, and one process of the flowchart of FIG. 21 is terminated. That is, when the detected temperature Td is not within the proper temperature range, priority is given to the proper temperature control (FIG. 13) for converging the temperature in the fuel cell module 2 within the proper temperature range, and the fuel utilization rate adjustment control is executed. Not. As a result, the fuel utilization rate adjustment control is applied to the fuel cell module 2 that is not thermally balanced, and the risk of sudden temperature drop and excessive temperature rise is avoided.

一方、ステップS42においては、最新の検出温度Tdと1分前の検出温度Tdbの差である変化温度差の絶対値が所定の第2加減算値閾値温度未満であるか否かが判断される。変化温度差の絶対値が第2加減算値閾値温度未満である場合にはステップS43に進み、第2加減算値閾値温度以上である場合にはステップS46に進みフローチャートの1回の処理を終了する。このように、検出温度Tdが適正温度範囲内にある場合でも、その変化温度差が大きく、温度の変化率が所定の補正禁止変化率以上である場合には、急激な温度降下や過昇温のリスクがあるため、燃料利用率調整制御は実行されない。また、上述したように、本実施形態においては、第2加減算値閾値温度は1℃である。   On the other hand, in step S42, it is determined whether or not the absolute value of the change temperature difference, which is the difference between the latest detected temperature Td and the detected temperature Tdb one minute ago, is less than a predetermined second addition / subtraction value threshold temperature. If the absolute value of the change temperature difference is less than the second addition / subtraction value threshold temperature, the process proceeds to step S43. If the absolute value of the change temperature difference is greater than or equal to the second addition / subtraction value threshold temperature, the process proceeds to step S46, and one process of the flowchart is terminated. Thus, even when the detected temperature Td is within the appropriate temperature range, if the change temperature difference is large and the temperature change rate is equal to or greater than the predetermined correction prohibition change rate, a sudden temperature drop or excessive temperature rise Therefore, the fuel utilization rate adjustment control is not executed. Further, as described above, in the present embodiment, the second addition / subtraction value threshold temperature is 1 ° C.

次に、ステップS43においては、変化温度差の絶対値が第2加減算値閾値温度未満である状態が、所定の燃料利用率調整制御待機時間以上継続しているか否かが判断される。燃料利用率調整制御待機時間以上継続している場合にはステップS44に進み、継続していない場合にはステップS46に進みフローチャートの1回の処理を終了する。このように、変化温度差の絶対値が第2加減算値閾値温度未満であっても、近時に第2加減算値閾値温度を超えていた場合には、燃料電池モジュール2内の温度は、まだ十分に安定していないと判断して、燃料利用率調整制御の実行は保留される。好ましくは、燃料利用率調整制御待機時間は、例えば0.5分から20分の燃料電池モジュール2の熱応答性能に適した時間を選択する。   Next, in step S43, it is determined whether or not the state where the absolute value of the change temperature difference is less than the second addition / subtraction value threshold temperature continues for a predetermined fuel utilization rate adjustment control standby time. If the fuel usage rate adjustment control standby time has continued for more than the time, the process proceeds to step S44, and if not, the process proceeds to step S46, and one process of the flowchart is terminated. As described above, even if the absolute value of the change temperature difference is less than the second addition / subtraction value threshold temperature, if the second addition / subtraction value threshold temperature is recently exceeded, the temperature in the fuel cell module 2 is still sufficient. Therefore, the execution of the fuel utilization rate adjustment control is suspended. Preferably, as the fuel utilization rate adjustment control standby time, for example, a time suitable for the thermal response performance of the fuel cell module 2 is selected from 0.5 minutes to 20 minutes.

一方、ステップS44においては、第1積算値N1idの値が、0以上、1.0未満であるか否かが判断される。第1積算値N1idの値が0以上、1.0未満である場合には、ステップS45に進み、第1積算値N1idの値が1.0以上である場合にはステップS46に進みフローチャートの1回の処理を終了する。即ち、第1積算値N1idの値が1.0以上である場合には、燃料利用率Ufは既に最大値で運転されている(図15)ため、燃料利用率Ufを改善する(燃料供給量を減少させる)余地はなく、燃料利用率調整制御は実行されない。   On the other hand, in step S44, it is determined whether or not the value of the first integrated value N1id is not less than 0 and less than 1.0. If the value of the first integrated value N1id is not less than 0 and less than 1.0, the process proceeds to step S45, and if the value of the first integrated value N1id is not less than 1.0, the process proceeds to step S46. End the process. That is, when the value of the first integrated value N1id is 1.0 or more, the fuel utilization rate Uf has already been operated at the maximum value (FIG. 15), so the fuel utilization rate Uf is improved (fuel supply amount). The fuel utilization rate adjustment control is not executed.

次に、ステップS45においては、第2積算値N2idの値が、1.0よりも大きいか否かが判断される。第2積算値N2idの値が1.0よりも大きい場合には、ステップS47に進み、第2積算値N2idの値が1.0以下である場合にはステップS46に進みフローチャートの1回の処理を終了する。即ち、第2積算値N2idの値が1.0以下である場合には、発電用空気利用率Uaは既に最大値で運転されている(図17)ため、これ以上発電用空気供給量を減じることができず、燃料利用率調整制御は実行されない。   Next, in step S45, it is determined whether or not the value of the second integrated value N2id is greater than 1.0. When the value of the second integrated value N2id is larger than 1.0, the process proceeds to step S47, and when the value of the second integrated value N2id is 1.0 or less, the process proceeds to step S46, and one process of the flowchart is performed. Exit. That is, when the value of the second integrated value N2id is 1.0 or less, the power generation air utilization rate Ua has already been operated at the maximum value (FIG. 17), so the power generation air supply amount is further reduced. The fuel utilization rate adjustment control is not executed.

ステップS47においては、検出温度Tdが適正温度範囲内にあり、その温度状態が十分に安定していると判断されると共に、残余燃料による加熱と、発電用空気供給量を増加させることによる冷却が同時に行われている状態であるため、燃料利用率調整制御が実行される。具体的には、燃料利用率調整制御として、第2積算値N2idの値が強制的に0に変更される。第2積算値N2idの値が0に変更されることにより、発電用空気供給量は、最大空気利用率に対応する値に減少される(図17)。即ち、ステップS47における処理は、図13のフローチャートによる適正温度制御により設定された発電用空気供給量を補正する燃料利用率調整手段として機能する。   In step S47, it is determined that the detected temperature Td is within the appropriate temperature range and the temperature state is sufficiently stable, and heating by the remaining fuel and cooling by increasing the amount of air for generating power are performed. The fuel utilization rate adjustment control is executed because it is performed at the same time. Specifically, as the fuel utilization rate adjustment control, the value of the second integrated value N2id is forcibly changed to 0. By changing the value of the second integrated value N2id to 0, the power generation air supply amount is reduced to a value corresponding to the maximum air utilization rate (FIG. 17). That is, the process in step S47 functions as a fuel utilization rate adjusting means for correcting the power generation air supply amount set by the appropriate temperature control according to the flowchart of FIG.

残余燃料による加熱と、発電用空気供給量増加による冷却により熱的にバランスしている状態から、発電用空気供給量が減少されると、燃料電池モジュール2内の温度は上昇傾向となる。燃料電池モジュール2内の温度が上昇傾向となると、加減算値、特に、第2加減算値M2が正の値になり、第1積算値N1idの値が増加する(第2積算値N2idも増加)。第1積算値N1idの値が増加すると、適正温度制御(図13)が機能し、その結果、燃料利用率Ufの値が高められ、燃料供給量が減少される。燃料供給量の減少により、燃料電池モジュール2内の温度は低下傾向になり、燃料利用率調整制御実行前よりも燃料利用率Uf及び発電用空気利用率Uaが高められた状態で、燃料電池モジュール2内の熱的なバランスが回復する。また、上記のように、燃料利用率調整制御は、燃料電池モジュール2内の温度が極めて安定した状態で実行される。このため、燃料利用率調整制御により、積極的に燃料電池モジュール2内の熱的なバランスを崩した場合でも、検出温度Tdは概ね適正温度範囲内に維持されたまま、燃料電池モジュール2は、新たな熱的バランス状態に復帰される。   When the power generation air supply amount is decreased from the state of being thermally balanced by the heating by the remaining fuel and the cooling due to the increase in the power generation air supply amount, the temperature in the fuel cell module 2 tends to increase. When the temperature in the fuel cell module 2 tends to increase, the addition / subtraction value, in particular, the second addition / subtraction value M2 becomes a positive value, and the value of the first integrated value N1id increases (the second integrated value N2id also increases). When the value of the first integrated value N1id increases, the appropriate temperature control (FIG. 13) functions, and as a result, the value of the fuel utilization rate Uf is increased and the fuel supply amount is decreased. Due to the decrease in the fuel supply amount, the temperature in the fuel cell module 2 tends to decrease, and the fuel cell module 2 is in a state where the fuel utilization rate Uf and the power generation air utilization rate Ua are higher than before the fuel utilization rate adjustment control is executed. The thermal balance in 2 is restored. Further, as described above, the fuel utilization rate adjustment control is executed in a state where the temperature in the fuel cell module 2 is extremely stable. For this reason, even when the thermal balance in the fuel cell module 2 is positively lost by the fuel utilization rate adjustment control, the detected temperature Td is maintained within the appropriate temperature range, and the fuel cell module 2 A new thermal balance is restored.

次に、図13、図21及び図22を参照して、固体酸化物型燃料電池1における適正温度制御及び燃料利用率調整制御の作用を説明する。図22は、燃料利用率調整制御により、燃料利用率が改善された一例を示すタイムチャートである。
まず、図13のステップS33において計算される第1積算値N1idの値が0である場合には、ステップS34において決定される燃料利用率Ufが、その発電電流における最小燃料利用率Ufmin(燃料供給量最大)に設定される。これにより、第1積算値N1idの値が0であり、断熱材7等に蓄積された熱量が少ない状態においても、燃料電池モジュール2が熱的に自立できる十分な燃料が供給される。また、ステップS33において計算される第2積算値N2idの値が、第1積算値N1idと同様に0である場合には、ステップS35において決定される空気利用率Uaが、その発電電流における最大空気利用率Uafmax(空気供給量最小)に設定される。このため、燃料電池モジュール2に導入される発電用の空気により燃料電池セルスタック14が冷却される作用は最小にされ、燃料電池セルスタック14の温度を上昇傾向にすることができる。
Next, with reference to FIG. 13, FIG. 21, and FIG. 22, the operation of appropriate temperature control and fuel utilization rate adjustment control in the solid oxide fuel cell 1 will be described. FIG. 22 is a time chart showing an example in which the fuel usage rate is improved by the fuel usage rate adjustment control.
First, when the value of the first integrated value N1id calculated in step S33 of FIG. 13 is 0, the fuel utilization rate Uf determined in step S34 is the minimum fuel utilization rate Ufmin (fuel supply) in the generated current. The maximum amount). As a result, even when the value of the first integrated value N1id is 0 and the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7 or the like is small, sufficient fuel is supplied so that the fuel cell module 2 can be thermally independent. When the value of the second integrated value N2id calculated in step S33 is 0 as in the case of the first integrated value N1id, the air utilization rate Ua determined in step S35 is the maximum air in the generated current. The utilization rate Uafmax (air supply amount minimum) is set. For this reason, the effect | action which cools the fuel cell stack 14 with the air for electric power generation introduced into the fuel cell module 2 is minimized, and the temperature of the fuel cell stack 14 can be made to rise.

次に、検出温度Tdが適正温度Ts(I)よりも高く、Td>Ts(I)+Teの状態で燃料電池モジュール2が運転されると、第1加減算値M1の値は正値となり、第1積算値N1idの値が0よりも大きくなる。これにより、図15において、最小燃料利用率Ufminよりも高い燃料利用率Ufが設定されて燃料供給量が減少され、発電に使用されずに残る残余燃料の量が減少される。燃料利用率Ufは、燃料供給量変更手段110aにより、推定蓄熱量に対応した第1積算値N1idの値が大きいほど大幅に高くされる。燃料利用率Ufが高められることにより、燃料供給量は熱自立可能な供給量よりも少なくされ、断熱材7等に蓄積された熱量を利用した高効率制御が実行される。残余燃料の量が減少され、断熱材7等に蓄積された熱量が利用されるので、燃料供給量変更手段110aは、発電を継続しながら燃料電池モジュール2内の温度上昇を抑制する。Td>Ts(I)+Teの状態で運転が継続されると、正値の第1加減算値M1の積算が繰り返され、第1積算値N1idの値も増大する。第1積算値N1idが1に達すると、燃料利用率Ufは、最大燃料利用率Uafmax(燃料供給量最小)に設定される。このように、燃料電池モジュール2に供給される燃料は、断熱材7等に蓄積された熱量を反映した、検出温度Tdの過去の履歴に基づいて決定される。   Next, when the detected temperature Td is higher than the appropriate temperature Ts (I) and the fuel cell module 2 is operated in a state of Td> Ts (I) + Te, the value of the first addition / subtraction value M1 becomes a positive value, The value of 1 integrated value N1id becomes larger than 0. Accordingly, in FIG. 15, a fuel utilization rate Uf higher than the minimum fuel utilization rate Ufmin is set, the fuel supply amount is reduced, and the amount of residual fuel that remains without being used for power generation is reduced. The fuel utilization rate Uf is significantly increased by the fuel supply amount changing unit 110a as the value of the first integrated value N1id corresponding to the estimated heat storage amount increases. By increasing the fuel utilization rate Uf, the fuel supply amount is made smaller than the supply amount capable of self-sustaining heat, and high-efficiency control using the heat amount accumulated in the heat insulating material 7 or the like is executed. Since the amount of residual fuel is reduced and the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7 or the like is used, the fuel supply amount changing means 110a suppresses the temperature rise in the fuel cell module 2 while continuing power generation. When the operation is continued in the state of Td> Ts (I) + Te, the integration of the positive first addition / subtraction value M1 is repeated, and the value of the first integration value N1id also increases. When the first integrated value N1id reaches 1, the fuel usage rate Uf is set to the maximum fuel usage rate Uafmax (fuel supply amount minimum). Thus, the fuel supplied to the fuel cell module 2 is determined based on the past history of the detected temperature Td reflecting the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7 and the like.

第1積算値N1idが更に増大し、1を超えた場合においても、図15に示すように、燃料利用率Ufは、最大燃料利用率Uafmax(燃料供給量最小)に維持される。一方、第1積算値N1idと同一の値をとる第2積算値N2idの値(燃料電池モジュール2の出力電圧が低下していない場合)も1を超えるので、図17に基づいて、空気利用率Uaが低下(空気供給量増加)される。これにより、燃料電池モジュール2内は、供給される空気の増加により冷却傾向となる。   Even when the first integrated value N1id further increases and exceeds 1, the fuel utilization rate Uf is maintained at the maximum fuel utilization rate Uafmax (minimum fuel supply amount) as shown in FIG. On the other hand, since the value of the second integrated value N2id that takes the same value as the first integrated value N1id (when the output voltage of the fuel cell module 2 is not lowered) also exceeds 1, the air utilization rate based on FIG. Ua is reduced (air supply amount increased). Thereby, the inside of the fuel cell module 2 tends to be cooled due to an increase in supplied air.

これに対して、検出温度Tdが適正温度Ts(I)よりも低く、Td<Ts(I)−Teの状態で燃料電池モジュール2が運転されると、第1加減算値M1の値は負値となり、第1積算値N1idの値は減少される。これにより、燃料利用率Ufは、維持(第1積算値N1id>1)又は低下(第1積算値N1id≦1)される。また、空気利用率Uaは、増大(第2積算値N2id>1)又は維持(第2積算値N2id≦1)される。これにより、燃料電池モジュール2内の温度を上昇傾向にすることができる。   On the other hand, when the detected temperature Td is lower than the appropriate temperature Ts (I) and the fuel cell module 2 is operated in a state where Td <Ts (I) −Te, the value of the first addition / subtraction value M1 is a negative value. Thus, the value of the first integrated value N1id is decreased. Thus, the fuel utilization rate Uf is maintained (first integrated value N1id> 1) or decreased (first integrated value N1id ≦ 1). Further, the air utilization rate Ua is increased (second integrated value N2id> 1) or maintained (second integrated value N2id ≦ 1). Thereby, the temperature in the fuel cell module 2 can be increased.

以上は、検出温度Tdの履歴に基づいて計算される第1加減算値M1のみに注目した固体酸化物型燃料電池の作用であるが、第1積算値N1id及び第2積算値N2idは、第2加減算値M2によっても影響を受ける。燃料電池モジュール2、特に、燃料電池セルスタック14は、非常に熱容量が大きく、その検出温度Tdの変化は極めて緩慢である。このため、検出温度Tdが一旦上昇傾向に入ると、その温度上昇を短時間で抑制することは困難であり、また、検出温度Tdが低下傾向に入った場合にも、これを上昇傾向に戻すには長い時間を要する。このため、検出温度Tdに上昇又は低下の傾向が現れた場合には、これに迅速に反応して第1、第2積算値を修正する必要がある。   The above is the operation of the solid oxide fuel cell focusing only on the first addition / subtraction value M1 calculated based on the history of the detected temperature Td. The first integrated value N1id and the second integrated value N2id are It is also affected by the addition / subtraction value M2. The fuel cell module 2, particularly the fuel cell stack 14, has a very large heat capacity, and the change in the detected temperature Td is extremely slow. For this reason, once the detected temperature Td starts to increase, it is difficult to suppress the temperature increase in a short time, and when the detected temperature Td starts to decrease, this is returned to the upward trend. Takes a long time. For this reason, when the detected temperature Td tends to increase or decrease, it is necessary to react quickly to correct the first and second integrated values.

即ち、最新の検出温度Tdが、1分前の検出温度Tdbよりも第2加減算値閾値温度以上高い場合には、第2加減算値M2が正の値となり、第1、第2積算値が増大される。これにより、検出温度Tdが上昇傾向に入ったことを第1、第2積算値に反映させることができる。同様に、最新の検出温度Tdが、1分前の検出温度Tdbよりも第2加減算値閾値温度以上低い場合には、第2加減算値M2が負の値となり、第1、第2積算値が減少される。即ち、発電室温度センサ142により検出された最新の検出温度Tdと、過去の検出温度Tdbとの差である変化温度差に基づいて速応推定値である第2加減算値M2が計算される。従って、検出温度Tdが急激に低下している場合には、緩やかに低下している場合よりも、燃料利用率Ufを高める変更量が大幅に抑制され、また、発電電力が利用率抑制発電量IU以下の領域では最大燃料利用率Ufmaxも低く設定されているため、変更量は、より大幅に抑制される。これにより、検出温度Tdが低下傾向に入ったことを第1、第2積算値に反映させることができる。このように、本実施形態においては、検出温度Tdに基づいて決定された第1加減算値M1の積算値、及び新しく検出された検出温度Tdと過去に検出された検出温度Tdbの差に基づく差分値に基づいて蓄熱量が推定される。即ち、本実施形態においては、検出温度Tdの履歴に基づいて計算される基本推定値である第1加減算値M1の積算値、及び基本推定値を計算する履歴よりも短い期間における検出温度Tdの変化率に基づいて計算される速応推定値である第2加減算値M2に基づいて、蓄熱量推定手段110aにより蓄熱量が推定される。このように、本実施形態においては、基本推定値と速応推定値の和に基づいて蓄熱量が推定される。   That is, when the latest detected temperature Td is higher than the detected temperature Tdb one minute ago by the second addition / subtraction value threshold temperature, the second addition / subtraction value M2 becomes a positive value, and the first and second integrated values increase. Is done. Thereby, it can reflect in the 1st, 2nd integrated value that the detected temperature Td entered into the upward tendency. Similarly, when the latest detected temperature Td is lower than the detected temperature Tdb one minute ago by the second addition / subtraction value threshold temperature, the second addition / subtraction value M2 is a negative value, and the first and second integrated values are Will be reduced. In other words, the second addition / subtraction value M2, which is a rapid response estimated value, is calculated based on the change temperature difference that is the difference between the latest detected temperature Td detected by the power generation chamber temperature sensor 142 and the past detected temperature Tdb. Therefore, when the detected temperature Td is drastically reduced, the amount of change that increases the fuel utilization rate Uf is greatly suppressed, and the generated power is reduced by the utilization rate-suppressed power generation amount, compared with the case where the detected temperature Td is gradually decreasing. Since the maximum fuel utilization rate Ufmax is also set low in the region below IU, the amount of change is more greatly suppressed. Thereby, it can reflect in the 1st, 2nd integrated value that detected temperature Td entered into the fall tendency. Thus, in the present embodiment, the difference based on the integrated value of the first addition / subtraction value M1 determined based on the detected temperature Td and the difference between the newly detected detected temperature Td and the detected temperature Tdb detected in the past. The amount of heat storage is estimated based on the value. That is, in the present embodiment, the integrated value of the first addition / subtraction value M1, which is a basic estimated value calculated based on the history of the detected temperature Td, and the detected temperature Td in a period shorter than the history of calculating the basic estimated value. Based on the second addition / subtraction value M2 that is a speed response estimated value calculated based on the rate of change, the heat storage amount is estimated by the heat storage amount estimation means 110a. Thus, in this embodiment, the heat storage amount is estimated based on the sum of the basic estimated value and the quick response estimated value.

なお、燃料電池モジュール2の温度変化は、検出温度TdとTdbを検出する間隔である1分に比して極めて緩慢であるため、第2加減算値M2は0である場合が多い。このため、第1、第2積算値は、主に第1加減算値M1によって支配され、検出温度Tdの上昇又は低下傾向が現れたとき、第2加減算値M2が、第1、第2積算値の値を修正するように作用する。このように、蓄熱量の推定値には、検出温度の履歴の他に、第2加減算値M2によって直近の検出温度Tdの変化が加味される。このため、直近の検出温度Tdの変化が大きい(第2加減算値閾値温度以上の変化)場合には、第2加減算値M2が値を持つので、蓄熱量の推定値が修正され、燃料利用率Ufが大幅に変更される。   Note that the temperature change of the fuel cell module 2 is extremely slow compared to 1 minute, which is the interval at which the detected temperatures Td and Tdb are detected, so the second addition / subtraction value M2 is often zero. For this reason, the first and second integrated values are mainly governed by the first addition / subtraction value M1, and when the detected temperature Td increases or decreases, the second addition / subtraction value M2 becomes the first and second integration values. Acts to correct the value of. Thus, in addition to the detected temperature history, the most recent change in the detected temperature Td is added to the estimated value of the heat storage amount by the second addition / subtraction value M2. For this reason, when the most recent change in detected temperature Td is large (change greater than or equal to the second addition / subtraction value threshold temperature), since the second addition / subtraction value M2 has a value, the estimated value of the heat storage amount is corrected, and the fuel utilization rate Uf is significantly changed.

このように、図13に示すフローチャートにより実現される残存熱量利用制御は、断熱材7に蓄積された熱量が多い場合には燃料利用率を高めることにより燃料電池モジュール2内の温度を低下させ、蓄積された熱量が少ない場合には燃料利用率を低下させることにより燃料電池モジュール2内の温度を上昇させることにより、燃料電池モジュール2内の温度を適正範囲に維持するので、適正温度制御として機能する。   As described above, the residual heat amount utilization control realized by the flowchart shown in FIG. 13 reduces the temperature in the fuel cell module 2 by increasing the fuel utilization rate when the heat amount accumulated in the heat insulating material 7 is large, When the accumulated amount of heat is small, the temperature in the fuel cell module 2 is maintained in an appropriate range by increasing the temperature in the fuel cell module 2 by lowering the fuel utilization rate. To do.

また、図13のフローチャートから呼び出される図21に示すフローチャートにより、適正温度状態にある燃料電池モジュール2に対して燃料利用率調整制御が実行され、燃料利用率が向上される。
まず、図22の時刻t100においては、検出温度Tdは、適正温度範囲よりも低い温度となっている。このため、適正温度制御により発電用空気利用率が高められ、これにより、発電用空気供給量は減少される(図22、時刻t100〜t101)。検出温度Tdが適正温度範囲内に収束した後も、直ちに燃料利用率調整制御が実行されることはなく、燃料利用率調整制御待機時間(図22、時刻t102〜t103)待機される。この間は、燃料電池モジュール2は熱的にバランスした安定状態であるが、燃料利用率、発電用空気利用率共に最大値ではなく、残余燃料による加熱と、過剰な発電用空気による冷却が共存した発電効率の低い状態である。次いで、燃料利用率調整制御待機時間が経過した後、時刻t103において燃料利用率調整制が実行される。燃料利用率調整制が実行されると、第2積算値N2idの値が強制的に0に変更される。これにより、発電用空気利用率が最大値まで引き上げられ(図17)、これに伴い発電用空気供給量が減少される(図22、時刻t103〜)。この燃料利用率調整制の実行により、時刻t102〜t103における熱的なバランス状態は積極的に解消され、加熱過多の状態となる。
Further, according to the flowchart shown in FIG. 21 called from the flowchart of FIG. 13, the fuel usage rate adjustment control is executed for the fuel cell module 2 in the proper temperature state, and the fuel usage rate is improved.
First, at time t100 in FIG. 22, the detected temperature Td is lower than the appropriate temperature range. For this reason, the power generation air utilization rate is increased by the appropriate temperature control, and thereby the power generation air supply amount is reduced (FIG. 22, times t100 to t101). Even after the detected temperature Td converges within the appropriate temperature range, the fuel utilization rate adjustment control is not immediately executed, and the fuel utilization rate adjustment control standby time (FIG. 22, times t102 to t103) is waited. During this time, the fuel cell module 2 is in a thermally balanced and stable state, but the fuel utilization rate and the power generation air utilization rate are not the maximum values, and the heating by the remaining fuel and the cooling by the excessive power generation air coexist. The power generation efficiency is low. Next, after the fuel utilization rate adjustment control standby time has elapsed, the fuel utilization rate adjustment system is executed at time t103. When the fuel utilization rate adjustment system is executed, the value of the second integrated value N2id is forcibly changed to 0. As a result, the power generation air utilization rate is raised to the maximum value (FIG. 17), and the power generation air supply amount is reduced accordingly (FIG. 22, time t103-). By executing this fuel utilization rate adjustment system, the thermal balance state at times t102 to t103 is positively canceled, and the state becomes excessively heated.

発電用空気利用率が向上された後、燃料電池モジュール2内の温度は遅れて上昇を開始する(図22、時刻t104〜)。燃料電池モジュール2内の温度が上昇すると、適正温度制御が作用して燃料利用率が最大燃料利用率まで高められ、これにより燃料供給量も減少される。このように、燃料利用率調整手段110bによる補正の結果、発電用空気供給量に加え、燃料供給量も変化する。即ち、発電用空気供給量の減少に伴う燃料電池モジュール2内の温度上昇に対応した適正温度制御により、燃料供給量が減少される。この際、燃料利用率の上昇は、発電用空気利用率が高められた(発電用空気による冷却が減少した)ことにより間接的に引き起こされるものであるため、発電用空気利用率(発電用空気供給量)の変化率よりも緩やかな(変化率の小さい)ものとなる。また、燃料利用率の向上に伴い、発電効率も上昇する。ここで、燃料電池モジュール2は熱容量が大きいため、燃料利用率が高められた後も温度上昇を続けるが、時刻t105において検出温度Tdは低下傾向に転じ、その後、適正温度範囲内で安定する。このように、燃料利用率調整制は、検出温度Tdが適正温度範囲内にあり、熱的に極めて安定した状態で実行され、検出温度Tdが概ね適正温度範囲内から外れることなく燃料利用率が向上される。   After the power generation air utilization rate is improved, the temperature in the fuel cell module 2 begins to rise with a delay (from time t104 in FIG. 22). When the temperature in the fuel cell module 2 rises, appropriate temperature control is activated to increase the fuel utilization rate to the maximum fuel utilization rate, thereby reducing the fuel supply amount. As described above, as a result of the correction by the fuel utilization rate adjusting means 110b, the fuel supply amount changes in addition to the power generation air supply amount. That is, the fuel supply amount is reduced by the appropriate temperature control corresponding to the temperature rise in the fuel cell module 2 accompanying the decrease in the power generation air supply amount. At this time, the increase in the fuel utilization rate is indirectly caused by an increase in the power generation air utilization rate (decrease in cooling by the power generation air). The rate of change (supply rate) is more gradual (small rate of change). In addition, as the fuel utilization rate increases, power generation efficiency also increases. Here, since the fuel cell module 2 has a large heat capacity, the temperature continues to rise even after the fuel utilization rate is increased. However, the detected temperature Td starts to decrease at time t105, and then stabilizes within an appropriate temperature range. As described above, the fuel usage rate adjustment system is executed in a state where the detected temperature Td is within the appropriate temperature range and is thermally stable, and the fuel usage rate does not deviate from within the appropriate temperature range. Be improved.

本発明の実施形態の固体酸化物型燃料電池1によれば、推定された蓄熱量が大きい場合には、同一の発電電力に対して燃料利用率が高くされる(図15、図16)ので、蓄積された熱量を利用して、固体酸化物型燃料電池1のエネルギー効率を向上させることができる。また、本実施形態によれば、蓄熱量が大きい場合には蓄熱が利用されるので、エネルギー効率を低下させることなく、燃料電池モジュール2内の温度を適正温度範囲に維持することができる。しかしながら、適正温度制御により、燃料電池モジュール2が適正温度に維持され、安定した運転が行われていても、その状態におけるエネルギー効率が低い場合もある。例えば、燃料供給量を増加させた加熱と、発電用空気供給量を増加させた冷却が共存する状態で熱的に安定している場合(図22におけるt101〜t103)には、供給された燃料が浪費され、エネルギー効率は低いものとなる。本実施形態の固体酸化物型燃料電池1によれば、温度が適正温度範囲内にある状態において、燃料利用率調整手段110bが、適正温度範囲から概ね外れることなく燃料利用率が高くなるように、適正温度制御により設定された燃料供給量及び/又は発電用空気供給量を補正するので、適正温度とエネルギー効率の向上を両立させることができる。   According to the solid oxide fuel cell 1 of the embodiment of the present invention, when the estimated heat storage amount is large, the fuel utilization rate is increased for the same generated power (FIGS. 15 and 16). The energy efficiency of the solid oxide fuel cell 1 can be improved by using the accumulated amount of heat. Further, according to the present embodiment, since the heat storage is used when the amount of heat storage is large, the temperature in the fuel cell module 2 can be maintained in an appropriate temperature range without reducing the energy efficiency. However, even if the fuel cell module 2 is maintained at an appropriate temperature and is operated stably by appropriate temperature control, the energy efficiency in that state may be low. For example, in the case where the heating with the increased fuel supply amount and the cooling with the increased air supply amount for power generation coexist and are thermally stable (t101 to t103 in FIG. 22), the supplied fuel Is wasted and energy efficiency is low. According to the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment, in a state where the temperature is within the appropriate temperature range, the fuel utilization rate adjusting means 110b increases so that the fuel utilization rate does not substantially deviate from the appropriate temperature range. Since the fuel supply amount and / or the power generation air supply amount set by the appropriate temperature control are corrected, both the appropriate temperature and the energy efficiency can be improved.

また、一般に、燃料電池モジュール2は熱容量が大きいため、現時点で燃料電池モジュール2が適正温度範囲にあるとしても、温度がそのまま適正温度範囲内に収束されず、適正温度範囲を通り越してしまう場合がある。このような、熱的に不安定な状態において燃料利用率調整制御を実行すると、燃料電池モジュール2の熱的バランスが大きく崩れ、急激な温度降下や過昇温に至る場合がある。本実施形態の固体酸化物型燃料電池1によれば、燃料電池モジュール2が適正温度範囲にあっても、温度の変化率が大きい場合には補正が実行されない(図21、ステップS42、S43)ため、燃料利用率調整制御により、急激な温度降下や過昇温が生じるのを防止することができる。   In general, since the fuel cell module 2 has a large heat capacity, even if the fuel cell module 2 is currently in the proper temperature range, the temperature does not converge to the proper temperature range as it is and may pass the proper temperature range. is there. When the fuel utilization rate adjustment control is executed in such a thermally unstable state, the thermal balance of the fuel cell module 2 is greatly disrupted, which may lead to a sudden temperature drop or excessive temperature rise. According to the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment, even if the fuel cell module 2 is in the appropriate temperature range, no correction is performed if the rate of change in temperature is large (FIG. 21, steps S42 and S43). Therefore, it is possible to prevent a sudden temperature drop or an excessive temperature rise from being caused by the fuel utilization rate adjustment control.

さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池1によれば、燃料利用率調整手段110bによる補正の結果、燃料供給量及び発電用空気供給量が共に変化する(図22におけるt103〜t105)ので、燃料供給量低下による温度低下と、発電用空気供給量低下による温度上昇が相殺され、燃料供給量を低下(燃料利用率を向上)させながら、熱的なバランスを維持(図22におけるt104〜)することができる。   Furthermore, according to the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment, as a result of the correction by the fuel utilization rate adjusting means 110b, both the fuel supply amount and the power generation air supply amount change (t103 to t105 in FIG. 22). The temperature decrease due to the decrease in the fuel supply amount and the temperature increase due to the decrease in the air supply amount for power generation are offset, and the thermal balance is maintained while the fuel supply amount is decreased (fuel utilization rate is improved) (from t104 in FIG. 22). )can do.

また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池1によれば、燃料利用率調整手段110bにより燃料供給量及び発電用空気供給量が減少された場合でも、発電用空気供給量(空気利用率)の変化率(図22におけるt103〜t104)が、燃料供給量(燃料利用率)の変化率(図22におけるt104〜t105)よりも大きくなるように補正されるので、燃料供給量の急激な補正により、燃料電池モジュール2が適正温度範囲から逸脱するリスクを抑制することができる。   Further, according to the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment, even when the fuel supply rate and the power generation air supply amount are reduced by the fuel usage rate adjusting means 110b, the power generation air supply amount (air usage rate). 22 (t103 to t104 in FIG. 22) is corrected to be larger than the change rate (t104 to t105 in FIG. 22) of the fuel supply amount (fuel utilization rate). Thus, the risk that the fuel cell module 2 deviates from the appropriate temperature range can be suppressed.

さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池1によれば、燃料利用率調整制御においては、発電用空気供給量のみを減じる(図21、ステップS47)ので、燃料供給量は燃料利用率調整制御によって直接補正されるものではない。このため、燃料供給量を直接補正して急激に変化させることにより、熱的なバランスが大きく崩れるのを防止することができる。   Furthermore, according to the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment, in the fuel utilization rate adjustment control, only the power generation air supply amount is reduced (FIG. 21, step S47). It is not directly corrected by the control. For this reason, it is possible to prevent the thermal balance from being largely lost by directly correcting and rapidly changing the fuel supply amount.

また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池1によれば、温度の積算値N2idを減少させる(図21、ステップS47)ことにより、これに基づいて決定される発電用空気供給量を減少させるので、供給量を直接補正する場合に比べ、緩やかに燃料利用率を高くすることができ、燃料電池モジュール2内の温度が適正温度範囲から外れるリスクをより少なくすることができる。   In addition, according to the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment, the temperature supply value N2id is decreased (FIG. 21, step S47), thereby reducing the power generation air supply amount determined based on this. Therefore, the fuel utilization rate can be increased gradually as compared with the case where the supply amount is directly corrected, and the risk that the temperature in the fuel cell module 2 deviates from the appropriate temperature range can be further reduced.

さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池1によれば、発電用空気供給量を決定するために使用される積算値N2idのみを減少させる(図21、ステップS47)ことにより、発電用空気供給量のみを減少させるので、燃料供給量を決定するための積算値N1idを変更する場合に比べ、燃料供給量は緩やかに変化する(図22におけるt104〜t105)ので、より確実に燃料電池モジュール2内の温度を適正温度範囲に維持することができる。   Furthermore, according to the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment, only the integrated value N2id used for determining the power supply air supply amount is decreased (FIG. 21, step S47), thereby generating power air. Since only the supply amount is decreased, the fuel supply amount changes more slowly than when the integrated value N1id for determining the fuel supply amount is changed (t104 to t105 in FIG. 22), so the fuel cell module can be more reliably performed. The temperature in 2 can be maintained in an appropriate temperature range.

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。
特に、上述した実施形態においては、燃料利用率調整制御において、積算値N2idを0に減少させていた(図21、ステップS47)が、変形例として、積算値N2idを緩やかに変更することもできる。例えば、燃料利用率調整制御において、積算値N2idを7割程度(0.7を乗じる)に減少させるように、本発明を構成することもできる。この変形例によれば、燃料利用率の調整を、より緩やかに行うことができる。
As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, a various change can be added to embodiment mentioned above.
In particular, in the above-described embodiment, the integrated value N2id is decreased to 0 in the fuel utilization rate adjustment control (FIG. 21, step S47). However, as a modified example, the integrated value N2id can be gradually changed. . For example, in the fuel utilization rate adjustment control, the present invention can be configured to reduce the integrated value N2id to about 70% (multiply by 0.7). According to this modification, the fuel utilization rate can be adjusted more gradually.

また、上述した実施形態においては、燃料利用率調整制御において、発電用空気利用率を決定するための積算値N2idのみを減少させていたが、変形例として、積算値N1id及びN2idを変更し、或いは積算値N1idのみを変更するように本発明を構成することもできる。なお、燃料利用率を決定するための積算値N1idを変更する場合には、積算値N1idを増加させることにより、燃料利用率を高くする。
さらに、上述した実施形態においては、燃料利用率、発電用空気利用率を変更するために積算値の値を修正していたが、変形例として、燃料利用率及び/又は発電用空気利用率を直接変更するように本発明を構成することもできる。
In the embodiment described above, in the fuel utilization rate adjustment control, only the integrated value N2id for determining the power generation air utilization rate is reduced. However, as a modified example, the integrated values N1id and N2id are changed, Alternatively, the present invention can be configured to change only the integrated value N1id. When changing the integrated value N1id for determining the fuel usage rate, the fuel usage rate is increased by increasing the integrated value N1id.
Furthermore, in the above-described embodiment, the value of the integrated value is corrected in order to change the fuel usage rate and the power generation air usage rate. However, as a modification, the fuel usage rate and / or the power generation air usage rate are changed. The present invention can also be configured to change directly.

1 固体酸化物型燃料電池
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
7 断熱材(蓄熱材)
8 密封空間
10 発電室
12 燃料電池セル集合体
14 燃料電池セルスタック
16 燃料電池セルユニット(固体酸化物型燃料電池セル)
18 燃焼室(燃焼部)
20 改質器
22 空気用熱交換器
24 水供給源
26 純水タンク
28 水流量調整ユニット(水供給手段)
30 燃料供給源
38 燃料流量調整ユニット(燃料供給手段)
40 空気供給源
44 改質用空気流量調整ユニット
45 発電用空気流量調整ユニット(発電用酸化剤ガス供給手段)
46 第1ヒータ
48 第2ヒータ
50 温水製造装置
52 制御ボックス
54 インバータ
83 点火装置
84 燃料電池セル
110 制御部(制御手段)
110a 蓄熱量推定手段
110b 燃料利用率調整手段
112 操作装置
114 表示装置
116 警報装置
126 電力状態検出センサ(需要電力検出手段)
132 燃料流量センサ(燃料供給量検出センサ)
138 圧力センサ(改質器圧力センサ)
140 排気温度センサ(温度検出手段)
142 発電室温度センサ(温度検出手段)
148 改質器温度センサ(温度検出手段)
150 外気温度センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid oxide fuel cell 2 Fuel cell module 4 Auxiliary machine unit 7 Heat insulation material (heat storage material)
8 Sealed space 10 Power generation chamber 12 Fuel cell assembly 14 Fuel cell stack 16 Fuel cell unit (solid oxide fuel cell)
18 Combustion chamber (combustion section)
20 Reformer 22 Heat exchanger for air 24 Water supply source 26 Pure water tank 28 Water flow rate adjustment unit (water supply means)
30 Fuel supply source 38 Fuel flow rate adjustment unit (fuel supply means)
40 Air supply source 44 Reforming air flow rate adjustment unit 45 Power generation air flow rate adjustment unit (power generation oxidizing gas supply means)
46 1st heater 48 2nd heater 50 Hot water production apparatus 52 Control box 54 Inverter 83 Ignition apparatus 84 Fuel cell 110 Control part (control means)
110a Heat storage amount estimation means 110b Fuel utilization rate adjustment means 112 Operating device 114 Display device 116 Alarm device 126 Power state detection sensor (demand power detection means)
132 Fuel flow sensor (fuel supply detection sensor)
138 Pressure sensor (reformer pressure sensor)
140 Exhaust temperature sensor (temperature detection means)
142 Power generation chamber temperature sensor (temperature detection means)
148 Reformer temperature sensor (temperature detection means)
150 Outside temperature sensor

Claims (7)

需要電力に応じた可変の発電電力を生成する固体酸化物型燃料電池であって、
供給された燃料により発電する燃料電池モジュールと、
この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段と、
上記燃料電池モジュールに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、
上記燃料供給手段により供給され、発電に利用されずに残った残余燃料を燃焼させ、上記燃料電池モジュール内を加熱する燃焼部と、
上記燃料電池モジュールで発生した熱を蓄積する蓄熱材と、
需要電力を検出する需要電力検出手段と、
上記燃料電池モジュール内の温度を検出する温度検出手段と、
この温度検出手段により検出された温度を積算することにより、上記蓄熱材に蓄積された蓄熱量を推定する蓄熱量推定手段と、
上記需要電力検出手段により検出された需要電力及び上記蓄熱量推定手段により推定された蓄熱量に基づいて、推定された蓄熱量が大きい場合には、同一の発電電力に対して燃料利用率が高くなり残存熱量が利用されるように、上記燃料供給手段及び上記発電用酸化剤ガス供給手段を制御すると共に、燃料供給量を増加させることによる加熱効果と、発電用酸化剤ガス供給量を増加させることによる冷却効果を利用して、上記燃料電池モジュール内の温度を所定の適正温度範囲に収束させる適正温度制御を実行する制御手段と、を有し、
上記制御手段は、上記燃料電池モジュール内の温度が上記適正温度範囲内にある場合において、温度が上記適正温度範囲から概ね外れることなく燃料利用率が高くなるように、上記適正温度制御により設定された燃料供給量及び/又は発電用酸化剤ガス供給量を補正する燃料利用率調整手段を有することを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
A solid oxide fuel cell that generates variable generation power according to demand power,
A fuel cell module for generating electricity from the supplied fuel;
Fuel supply means for supplying fuel to the fuel cell module;
Power generation oxidant gas supply means for supplying power generation oxidant gas to the fuel cell module;
A combustion section that is supplied by the fuel supply means and burns the remaining fuel that is not used for power generation, and heats the inside of the fuel cell module;
A heat storage material for accumulating heat generated in the fuel cell module;
Demand power detection means for detecting demand power;
Temperature detecting means for detecting the temperature in the fuel cell module;
A heat storage amount estimation means for estimating the heat storage amount accumulated in the heat storage material by integrating the temperatures detected by the temperature detection means;
When the estimated heat storage amount is large based on the demand power detected by the demand power detection means and the heat storage amount estimated by the heat storage amount estimation means, the fuel utilization rate is high for the same generated power. The fuel supply means and the power generation oxidant gas supply means are controlled so that the remaining heat amount is utilized, and the heating effect by increasing the fuel supply amount and the power generation oxidant gas supply amount are increased. Control means for performing appropriate temperature control for converging the temperature in the fuel cell module to a predetermined appropriate temperature range using a cooling effect by
The control means is set by the appropriate temperature control so that when the temperature in the fuel cell module is within the appropriate temperature range, the fuel utilization rate is increased without substantially deviating from the appropriate temperature range. A solid oxide fuel cell comprising a fuel utilization rate adjusting means for correcting the fuel supply amount and / or the power generation oxidant gas supply amount.
上記燃料利用率調整手段は、上記燃料電池モジュール内の温度の変化率が所定の補正禁止変化率以上である場合には、補正を実行しない請求項1記載の固体酸化物型燃料電池。   2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the fuel utilization rate adjusting means does not perform correction when the rate of change in temperature in the fuel cell module is equal to or greater than a predetermined correction prohibition change rate. 上記燃料利用率調整手段による補正の結果、燃料供給量及び発電用酸化剤ガス供給量が共に変化する請求項1記載の固体酸化物型燃料電池。   2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein both the fuel supply amount and the power generation oxidant gas supply amount change as a result of the correction by the fuel utilization rate adjusting means. 上記燃料利用率調整手段は、燃料供給量及び発電用酸化剤ガス供給量が減少されるように補正を実行すると共に、補正による発電用酸化剤ガス供給量の変化率が、燃料供給量の変化率よりも大きくなるように、上記燃料供給手段及び上記発電用酸化剤ガス供給手段を制御する請求項3記載の固体酸化物型燃料電池。   The fuel utilization rate adjusting means performs correction so that the fuel supply amount and the power generation oxidant gas supply amount are decreased, and the change rate of the power generation oxidant gas supply amount due to the correction is a change in the fuel supply amount. 4. The solid oxide fuel cell according to claim 3, wherein the fuel supply means and the power generating oxidant gas supply means are controlled so as to be larger than a rate. 上記燃料利用率調整手段は、上記発電用酸化剤ガス供給手段のみを制御して発電用酸化剤ガス供給量を減じると共に、発電用酸化剤ガス供給量の減少に伴う上記燃料電池モジュール内の温度上昇に対応した適正温度制御により燃料供給量が減少される請求項3記載の固体酸化物型燃料電池。   The fuel utilization rate adjusting means controls only the power generation oxidant gas supply means to reduce the power generation oxidant gas supply amount, and also reduces the temperature in the fuel cell module as the power generation oxidant gas supply amount decreases. 4. The solid oxide fuel cell according to claim 3, wherein the fuel supply amount is reduced by appropriate temperature control corresponding to the rise. 上記燃料利用率調整手段は、上記蓄熱量推定手段による温度の積算値を増減させることにより、この積算値に基づいて決定される燃料供給量を減少させ、及び/又は積算値に基づいて決定される発電用酸化剤ガス供給量を減少させる請求項1記載の固体酸化物型燃料電池。   The fuel utilization rate adjusting means decreases the fuel supply amount determined based on the integrated value by increasing / decreasing the integrated value of temperature by the heat storage amount estimating means, and / or is determined based on the integrated value. 2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the supply amount of the oxidizing gas for power generation is reduced. 上記燃料利用率調整手段は、発電用酸化剤ガス供給量を決定するために使用される積算値のみを減少させることにより、発電用酸化剤ガス供給量を減少させる請求項6記載の固体酸化物型燃料電池。   7. The solid oxide according to claim 6, wherein the fuel utilization rate adjusting means reduces the power generation oxidant gas supply amount by reducing only the integrated value used for determining the power generation oxidant gas supply amount. Type fuel cell.
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