JP2013171636A

JP2013171636A - Fuel cell device

Info

Publication number: JP2013171636A
Application number: JP2012033198A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Kawamura; 昌之川村
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2012-02-17
Filing date: 2012-02-17
Publication date: 2013-09-02
Anticipated expiration: 2032-02-17
Also published as: JP5995183B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell device that improves flame carry-over performance on ignition.SOLUTION: A fuel cell device comprises: fuel cell unit cells each emitting fuel gas from an end thereof; a fuel cell unit cell assembly that is made up of the fuel cell unit cells that are juxtaposed on an approximately identical plane; a combustion region that is provided adjacent to the fuel cell unit cell assembly on a side of the fuel cell unit cells in a fuel gas emission direction, so as to burn oxidant gas and the fuel gas emitted from the fuel cell unit cells; ignition means that generates sparks so as to ignite the emitted fuel gas in the combustion region; heating means that heats the combustion region to a first predetermined temperature; and control means that controls the ignition means and the heating means. The control means performs preliminary heating in which the combustion region is heated by the heating means to the first predetermined temperature at which not-yet-ignited fuel gas readily catches fire. Then, the control means performs final heating in which the fuel gas is ignited by the ignition means so as to heat the fuel cell unit cells to a second predetermined temperature at which power can be generated.

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell device that generates power using a fuel gas and an oxidant gas.

燃料ガスと発電用空気（酸化剤ガス）とを用いて電力を得ることができる複数の燃料電池セルをケーシング内に収容し、それら複数の燃料電池セルに燃料ガスと発電用空気とを供給して発電する燃料電池装置が種々提案されている。このような燃料電池装置では、起動初期時等の低温時において、迅速に昇温し、少しでも早く発電状態に移行することが要求される。その要求に応えるために、燃料ガスと発電用空気を燃焼させ、その燃焼熱を利用して燃料電池セルの昇温を図る燃料電池装置が知られている。その一つとして、特許文献１に開示されている燃料電池装置が挙げられる。 A plurality of fuel cells that can obtain power using fuel gas and power generation air (oxidant gas) are housed in a casing, and fuel gas and power generation air are supplied to the plurality of fuel cells. Various fuel cell devices that generate electricity have been proposed. In such a fuel cell device, it is required that the temperature is quickly raised at a low temperature such as at the initial stage of startup and the power generation state is shifted as soon as possible. In order to meet the demand, there is known a fuel cell device that burns fuel gas and power generation air and raises the temperature of the fuel cell using the combustion heat. One of them is a fuel cell device disclosed in Patent Document 1.

特許文献１に開示された燃料電池装置は、多数の円筒型燃料電池セルが列を成すようにして配置された燃料電池セル集合体の一端側に位置する一の燃料電池セルの先端上方に着火プラグが配置されている。上記一の燃料電池セル内部の燃料ガス流路を経由して、燃料電池セル先端から排出された燃料ガスは、この着火プラグが発した火花により着火され、この着火により生じた上記一の燃料電池セル先端の燃焼炎が、燃料電池セル集合体上部の一端側から他端側に向かって、順次、隣接する燃料電池セル先端から排出された燃料ガスに引火（火移り）していくことで、全ての燃料電池セル先端に燃焼が生じるよう構成されている。 The fuel cell device disclosed in Patent Literature 1 ignites above the tip of one fuel cell located on one end of a fuel cell assembly in which a large number of cylindrical fuel cells are arranged in a row. Plug is in place. The fuel gas discharged from the front end of the fuel cell via the fuel gas flow path inside the one fuel cell is ignited by a spark emitted from the ignition plug, and the one fuel cell generated by the ignition The combustion flame at the tip of the cell ignites (fires) the fuel gas discharged from the tip of the adjacent fuel cell, sequentially from one end to the other end of the upper part of the fuel cell assembly. Combustion occurs at the tip of all fuel cells.

特開２０１０−６７５４７号公報JP 2010-67547 A

ところが、上記構成においては、冷間起動時、燃料ガスに着火を行う際、燃焼室内に供給された燃料ガスの温度が、発火点に大きく達しておらず、着火プラグによる着火動作時、火移りが途中で止まってしまうことがある。火移りが途中で止まってしまうと、先端に燃焼を生じていないセルより排出された未燃の燃料ガスが、燃料電池装置外部に放出されてしまい、それらの燃料ガスが無駄になってしまう。また、火移りが途中で止まってしまった場合、先端に燃焼を生じていないセルが存在するため、その分、燃料電池セル集合体に加えられる熱量が減少し、燃料電池装置の昇温速度が低下してしまう。したがって、燃料電池装置が発電可能な温度に達するまでの時間がより長くなってしまう。これは、使用者にとっては大変不便である。 However, in the above configuration, when the fuel gas is ignited at the time of cold start, the temperature of the fuel gas supplied into the combustion chamber does not reach the ignition point greatly, and the ignition transfer is performed during the ignition operation by the ignition plug. May stop along the way. If the fire transfer stops halfway, unburned fuel gas discharged from a cell that does not cause combustion at the tip is discharged to the outside of the fuel cell device, and the fuel gas is wasted. In addition, when the fire transfer stops in the middle, there is a cell that does not burn at the tip, so the amount of heat applied to the fuel cell assembly is reduced, and the temperature increase rate of the fuel cell device is increased. It will decline. Therefore, the time until the fuel cell device reaches a temperature at which power can be generated becomes longer. This is very inconvenient for the user.

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、着火手段による着火動作時の燃焼炎の火移り性を向上させることが可能な燃料電池装置の提供を目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell device capable of improving the flame transfer property of the combustion flame during the ignition operation by the ignition means.

本発明に係る燃料電池装置は、一端より燃料ガスを排出する燃料電池セルと、複数の前記燃料電池セルより構成され、略同一平面上から略同一方向へ燃料ガスが排出されるよう前記燃料電池セルが併設して配置された燃料電池セル集合体と、酸化剤ガスと燃料電池セルより排出された燃料ガスを燃焼させるよう、燃料電池セルの燃料ガス排出方向側に燃料電池セル集合体に隣接して設けられた燃焼領域と、燃焼領域において燃料電池セルより排出された燃料ガスに着火するために火花を発生する着火手段と、燃焼領域を第一の所定温度まで加熱する加熱手段と、着火手段および加熱手段を制御する制御手段と、を有し、制御手段は、加熱手段により、第一の所定温度まで燃焼領域を加熱する予備加熱を行った後、着火手段によって燃料ガスに着火を行うことにより、第一の所定温度よりも高い、燃料電池セルを発電可能な第二の所定温度まで加熱する本加熱を行うことを特徴とする。 The fuel cell device according to the present invention includes a fuel cell that discharges fuel gas from one end and a plurality of the fuel cells, and the fuel cell is configured to discharge fuel gas in substantially the same direction from substantially the same plane. Adjacent to the fuel cell assembly on the fuel gas discharge direction side of the fuel cell so that the fuel cell assembly arranged with the cell and the oxidant gas and the fuel gas discharged from the fuel cell are burned An ignition means for generating a spark to ignite the fuel gas discharged from the fuel cell in the combustion area, a heating means for heating the combustion area to a first predetermined temperature, and an ignition And a control means for controlling the heating means. The control means performs preliminary heating for heating the combustion region to the first predetermined temperature by the heating means, and then converts the fuel gas into the fuel gas by the ignition means. By performing the fire, higher than the first predetermined temperature, and performing a main heating for heating the fuel cell to power generation capability second predetermined temperature.

このように構成された本発明においては、本加熱を行う際、すでに、燃焼領域が、第一の所定の温度まで加熱された状態で、燃料電池セルより排出された燃料ガスに着火することが可能となる。したがって、燃焼領域の低い温度によって、燃料電池セルより排出された燃料ガスが冷やされることがないのみならず、加熱された燃焼領域において、燃料電池セルより排出された燃料ガスが、より引火が生じやすくなる発火点まで温められやすくなるため、燃料ガスへの着火動作時、例え冷間起動時であっても、燃焼炎が未着火の燃料ガスへ引火しやすくなり、火移り性を向上させることができる。 In the present invention configured as described above, when the main heating is performed, the fuel gas discharged from the fuel cell may already be ignited in a state where the combustion region is heated to the first predetermined temperature. It becomes possible. Therefore, the fuel gas discharged from the fuel cell is not cooled by the low temperature in the combustion region, and the fuel gas discharged from the fuel cell in the heated combustion region is more ignited. Because it is easy to warm up to the ignition point where it becomes easy, even when igniting the fuel gas, even during cold start, the combustion flame will easily ignite to the unignited fuel gas and improve the fire transfer property Can do.

本発明は、好ましくは、制御手段は、第一の所定温度まで燃焼領域を加熱すると、加熱手段による燃焼領域の加熱を停止する。 In the present invention, preferably, when the control unit heats the combustion region to the first predetermined temperature, heating of the combustion region by the heating unit is stopped.

このように構成された本発明においては、燃焼領域が第一の所定温度に達すると、加熱手段による燃焼領域の加熱を停止するため、この加熱手段によって燃焼領域を必要以上に加熱することがなくなる。したがって、加熱手段に必要以上に負荷をかけることなく、火移り性を向上させることができる。 In the present invention configured as described above, when the combustion region reaches the first predetermined temperature, heating of the combustion region by the heating means is stopped, so that the combustion region is not heated more than necessary by the heating unit. . Therefore, the fire transfer property can be improved without imposing a load more than necessary on the heating means.

本発明は、好ましくは、加熱手段は、燃料電池セルから排出される燃料ガスに着火することにより発生する燃焼の燃焼熱によって燃焼領域を第一の所定温度まで加熱するものであり、制御手段は、燃焼領域を加熱手段により第一の所定温度まで加熱した後、燃焼により生じている炎を失火させ、着火手段によって燃料電池セルから排出される燃料ガスに再着火することによって本加熱を行なう。 In the present invention, preferably, the heating means heats the combustion region to a first predetermined temperature by combustion heat of combustion generated by igniting the fuel gas discharged from the fuel cell, and the control means comprises Then, after the combustion region is heated to the first predetermined temperature by the heating means, the flame generated by the combustion is misfired, and the main heating is performed by reigniting the fuel gas discharged from the fuel cell by the ignition means.

燃焼炎の火移りを生じさせるには、燃焼炎を揺らがせたり、燃料電池セルより排出される燃料ガスを周囲に拡散させるための外乱を加える必要がある。この外乱は、通常、着火手段により燃料ガスに着火した瞬間に、炎の燃料ガスへの広がりによって生じる爆発によりもたらされるものである。上記のように構成された本発明においては、本加熱前に、燃焼により生じている燃焼炎を失火させるため、本加熱時に、既に燃焼炎が存在することにより、着火対象となる未着火の燃料ガスが着火手段の火花発生位置近傍に存在せず、着火手段により燃料ガスへ着火が行えなくなるという状況に陥ることがない。したがって、確実に着火手段の発する火花によって燃料ガスに着火することが可能となるため、より安定して火移り性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おいては、別途、第一の所定温度まで燃焼領域を加熱し続ける熱源を設ける必要がないため、熱源に要する設備コストを費やすことなく、火移り性の向上を図ることができる。 In order to cause the burning of the combustion flame to occur, it is necessary to shake the combustion flame or to add a disturbance to diffuse the fuel gas discharged from the fuel cell to the surroundings. This disturbance is usually caused by an explosion caused by the spread of the flame into the fuel gas at the moment when the fuel gas is ignited by the ignition means. In the present invention configured as described above, in order to misfire the combustion flame generated by combustion before the main heating, the unignited fuel to be ignited due to the presence of the combustion flame already at the time of the main heating. The gas does not exist in the vicinity of the spark generation position of the ignition means, so that the fuel gas cannot be ignited by the ignition means. Therefore, the fuel gas can be reliably ignited by the sparks emitted from the ignition means, so that the fire transfer property can be improved more stably.
Further, in the present invention configured as described above, it is not necessary to separately provide a heat source that continues to heat the combustion region to the first predetermined temperature, so that the fire transfer property is improved without spending the equipment cost required for the heat source. Can be achieved.

本発明は、好ましくは、さらに、セルへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃焼領域へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、を備え、加熱手段は、燃料ガス供給手段と酸化剤ガス供給手段と着火手段から構成されており、予備加熱は、燃料ガス供給手段および酸化剤ガス供給手段より供給された燃料ガスと酸化剤ガスの混合ガスを着火手段により燃焼させて行われる。 The present invention preferably further comprises a fuel gas supply means for supplying a fuel gas to the cell, and an oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the combustion region, wherein the heating means is a fuel gas supply means. It comprises an oxidant gas supply means and an ignition means, and the preheating is performed by burning the mixed gas of the fuel gas and the oxidant gas supplied from the fuel gas supply means and the oxidant gas supply means by the ignition means. .

このように構成された本発明においては、加熱装置が、燃料電池装置の運転に必須の構成のみからなっているため、加熱手段として、別途、新たな構成を追加する必要がない。したがって、設備コストを上昇させることなく、容易に火移り性の向上を図ることができる。 In the present invention configured as described above, since the heating device has only a configuration essential for the operation of the fuel cell device, it is not necessary to separately add a new configuration as the heating means. Therefore, it is possible to easily improve the fire transfer property without increasing the equipment cost.

本発明の燃料電池装置によれば、着火手段による着火動作時の燃焼炎の火移り性を向上させることができる。 According to the fuel cell device of the present invention, it is possible to improve the transferability of the combustion flame during the ignition operation by the ignition means.

本発明の実施形態に係る燃料電池装置１を示す全体構成図である。1 is an overall configuration diagram showing a fuel cell device 1 according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る燃料電池モジュール２の外観を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the external appearance of the fuel cell module 2 which concerns on embodiment of this invention. 図２の中央近傍における断面図であって、図２のＡ方向から見た断面を示す断面図である。It is sectional drawing in the center vicinity of FIG. 2, Comprising: It is sectional drawing which shows the cross section seen from the A direction of FIG. 図２の中央近傍における断面図であって、図２のＢ方向から見た断面を示す断面図である。It is sectional drawing in the center vicinity of FIG. 2, Comprising: It is sectional drawing which shows the cross section seen from the B direction of FIG. 図２のケーシング５６から一部の外板を取り除いた状態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the state which removed some outer plates from the casing 56 of FIG. 図３に相当する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram corresponding to FIG. 3, and is a schematic diagram showing flows of power generation air and combustion gas. 図４に相当する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram corresponding to FIG. 4, and is a schematic diagram showing flows of power generation air and combustion gas. 本発明の実施形態に用いられる燃料電池セルユニット１６を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the fuel cell unit 16 used for embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る燃料電池セルスタック１４の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the fuel cell stack 14 which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るイグナイタ４２と燃焼領域温度センサ４８の配置位置を示す平面図である。It is a top view which shows the arrangement position of the igniter 42 and the combustion area | region temperature sensor 48 which concern on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る制御部１０周辺の電気的構成および制御部１０の機能的構成を示すブロック図である。2 is a block diagram showing an electrical configuration around a control unit 10 and a functional configuration of the control unit 10 according to an embodiment of the present invention. FIG. 本発明の実施形態に係る燃料電池装置１の制御内容を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control content of the fuel cell apparatus 1 which concerns on embodiment of this invention.

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate the understanding of the description, the same constituent elements in the drawings will be denoted by the same reference numerals as much as possible, and redundant description will be omitted.

図１は、本発明の一実施形態である燃料電池装置の全体構成図である。図１に示すように、本発明の一実施形態における燃料電池装置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。 FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a fuel cell device 1 according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell module 2 and an auxiliary unit 4.

まず、燃料電池モジュール２の主要な構成について説明する。燃料電池モジュール２は、ケーシング５６を備え、このケーシング５６内部下方の発電室６には、燃料ガスと発電用空気（酸化剤ガス）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。発電室６の上方には、発電反応に使用されなかった燃料ガスと発電用空気（酸化剤ガス）とが燃焼される燃焼領域１８が設けられており、燃焼領域１８における燃焼により燃焼ガスが発生するようになっている。また、この燃焼領域１８の上方には、燃料ガスを改質する改質器２０が配置されており、燃焼領域１８における燃焼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、燃焼熱により内部を通過する発電用空気を加熱するための熱交換器２２が配置されている。 First, the main configuration of the fuel cell module 2 will be described. The fuel cell module 2 includes a casing 56, and a fuel cell assembly 12 that performs a power generation reaction with fuel gas and power generation air (oxidant gas) is disposed in the power generation chamber 6 below the casing 56. Yes. Above the power generation chamber 6 is provided a combustion region 18 in which fuel gas that has not been used for power generation reaction and power generation air (oxidant gas) are combusted, and combustion gas is generated by combustion in the combustion region 18. It is supposed to be. A reformer 20 for reforming the fuel gas is disposed above the combustion region 18, and reaches a temperature at which the reformer 20 can undergo a reforming reaction by the combustion heat of combustion in the combustion region 18. So that it is heated. Further, a heat exchanger 22 for heating the power generation air passing through the interior by combustion heat is disposed above the reformer 20.

次に、補機ユニット４について説明する。補機ユニット４は、水道等の水供給源２６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２８と、この純水タンク２８から燃料電池モジュール２へ供給する水の流量を調整する水流量調整ユニット３０（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３２から燃料電池モジュール２へ供給する燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３４（燃料ガス供給手段に相当するものであり、モータで駆動される「燃料ポンプ」等）と、空気供給源３６から燃料電池モジュール２へ供給する発電反応用の空気の流量を調整する発電用空気流量調整ユニット３８（酸化剤ガス供給手段に相当するものであり、モータで駆動される「空気ブロア」等）と空気供給源３６から燃料電池モジュール２へ供給する改質反応用の空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４０（モータで駆動される「空気ブロア」等）を備えている。さらに、補機ユニット４には、燃料ガスや発電用空気の供給量等を制御するための制御手段である制御部１０が設置されている。 Next, the auxiliary machine unit 4 will be described. The auxiliary unit 4 adjusts the flow rate of the water supplied from the pure water tank 28 to the fuel cell module 2 by storing the water from the water supply source 26 such as tap water and making it pure water with a filter. A water flow rate adjusting unit 30 (such as a “water pump” driven by a motor) is provided. The auxiliary unit 4 is a fuel flow rate adjustment unit 34 (corresponding to fuel gas supply means) that adjusts the flow rate of the fuel gas supplied from the fuel supply source 32 such as city gas to the fuel cell module 2, and is a motor. A “fuel pump” to be driven) and a power generation air flow rate adjustment unit 38 (corresponding to an oxidant gas supply means) for adjusting the flow rate of air for power generation reaction supplied from the air supply source 36 to the fuel cell module 2 And a reforming air flow rate adjustment unit 40 (driven by the motor) that adjusts the flow rate of the reforming reaction air supplied from the air supply source 36 to the fuel cell module 2. An “air blower” or the like. Further, the auxiliary unit 4 is provided with a control unit 10 which is a control means for controlling the supply amount of fuel gas and power generation air.

次に、図２〜図５に基づき、本実施形態における燃料電池モジュール２の構造について、詳しく説明する。図２は、本実施形態における燃料電池モジュール２の斜視図であり、燃料電池モジュール２の高さ方向をｙ軸方向としている。このｙ軸に直交する平面に沿ってｘ軸及びｚ軸を定義し、燃料電池モジュール２の短手方向に沿った方向をｘ軸方向とし、燃料電池モジュール２の長手方向に沿った方向をｚ軸方向としている。図３以降において図中に記載しているｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸は、図２におけるｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を基準としている。また、ｚ軸の負方向に沿った方向をＡ方向とし、ｘ軸の正方向に沿った方向をＢ方向としている。図３は、燃料電池モジュール２をその中央近傍において図２のＡ方向から見た断面図である。図４は、燃料電池モジュール２をその中央近傍において図２のＢ方向から見た断面図である。図５は、図２に示す燃料電池モジュール２から燃料電池セル集合体１２を覆うケーシング５６の一部を取り外した状態を示す斜視図である。 Next, based on FIGS. 2-5, the structure of the fuel cell module 2 in this embodiment is demonstrated in detail. FIG. 2 is a perspective view of the fuel cell module 2 in the present embodiment, and the height direction of the fuel cell module 2 is the y-axis direction. The x axis and the z axis are defined along a plane perpendicular to the y axis, the direction along the short direction of the fuel cell module 2 is defined as the x axis direction, and the direction along the longitudinal direction of the fuel cell module 2 is defined as z. Axial direction. The x-axis, y-axis, and z-axis described in FIG. 3 and thereafter are based on the x-axis, y-axis, and z-axis in FIG. Further, the direction along the negative direction of the z axis is the A direction, and the direction along the positive direction of the x axis is the B direction. 3 is a cross-sectional view of the fuel cell module 2 as viewed from the direction A in FIG. 2 in the vicinity of the center thereof. 4 is a cross-sectional view of the fuel cell module 2 as viewed from the direction B in FIG. 2 in the vicinity of the center thereof. FIG. 5 is a perspective view showing a state where a part of the casing 56 covering the fuel cell assembly 12 is removed from the fuel cell module 2 shown in FIG.

燃料電池モジュール２は、上述したように、燃料電池セル集合体１２を収容するケーシング５６と、ケーシング５６の上部に設けられている熱交換器２２を備えている。ケーシング５６の一方の長辺側面には、イグナイタ挿入口４４が形成されており、このイグナイタ挿入口４４に、燃焼領域１８での燃焼を誘発するために火花を発生するイグナイタ４２（着火手段）が挿入設置されている。そして、もう一方の長辺側面には、温度センサ挿入口４６が形成されており、この温度センサ挿入口４６に、燃焼領域１８内部の温度を検出する熱電対等の燃焼領域温度センサ４８（温度検出手段）が挿入設置されている。また、このケーシング５６には、燃料ガス・改質用空気供給管６０と、水供給管６２とが繋げられている。一方、熱交換器２２には、発電用空気導入管７４と、燃焼ガス排出管８２とが繋げられている。 As described above, the fuel cell module 2 includes the casing 56 that houses the fuel cell assembly 12 and the heat exchanger 22 that is provided on the upper portion of the casing 56. An igniter insertion port 44 is formed on one long side surface of the casing 56, and an igniter 42 (ignition means) that generates a spark to induce combustion in the combustion region 18 in the igniter insertion port 44. Inserted and installed. A temperature sensor insertion port 46 is formed on the other long side surface, and a combustion region temperature sensor 48 (temperature detection, such as a thermocouple) that detects the temperature inside the combustion region 18 is formed in the temperature sensor insertion port 46. Means) is installed. In addition, a fuel gas / reforming air supply pipe 60 and a water supply pipe 62 are connected to the casing 56. On the other hand, a power generation air introduction pipe 74 and a combustion gas discharge pipe 82 are connected to the heat exchanger 22.

燃料ガス・改質用空気供給管６０は、ケーシング５６の内部に燃料ガス（都市ガス等の改質用の被改質ガス）と、燃料ガスを改質する際に用いられる空気を供給する管路であり、上流端が、燃料流量調整ユニット３４と改質用空気流量調整ユニット４０に繋げられている。水供給管６２は、燃料ガスを改質する際に用いられる水を供給する管路であり、上流端は、水流量調整ユニット３０に繋げられている。燃焼ガス排出管８２は、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと発電用空気とを燃焼した結果生じる燃焼ガスを排出する管路である。発電用空気導入管７４は、改質後の燃料ガスと発電反応を起こさせるための発電用空気を供給する管路であり、上流端は、発電用空気流量調整ユニット３８へ繋げられている。 The fuel gas / reforming air supply pipe 60 is a pipe for supplying fuel gas (reformed gas for reforming such as city gas) into the casing 56 and air used when reforming the fuel gas. The upstream end is connected to the fuel flow rate adjustment unit 34 and the reforming air flow rate adjustment unit 40. The water supply pipe 62 is a pipe for supplying water used when reforming the fuel gas, and the upstream end is connected to the water flow rate adjustment unit 30. The combustion gas discharge pipe 82 is a pipe line for discharging the combustion gas generated as a result of burning the remaining fuel gas not used in the power generation reaction and the power generation air. The power generation air introduction pipe 74 is a conduit for supplying power generation air for causing a power generation reaction with the reformed fuel gas, and the upstream end is connected to the power generation air flow rate adjustment unit 38.

本実施形態の場合、水供給管６２から供給される水を蒸発させるための蒸発混合器（図に明示しない）は、改質器２０の内部に設けられている。蒸発混合器は、燃焼ガスにより加熱され、水を水蒸気にすると共に、この水蒸気と、燃料ガス（被改質ガス）と空気とを混合するためのものである。 In the present embodiment, an evaporating mixer (not explicitly shown) for evaporating the water supplied from the water supply pipe 62 is provided inside the reformer 20. The evaporative mixer is heated by the combustion gas to convert water into water vapor and to mix the water vapor, fuel gas (reformed gas) and air.

燃料ガス・改質用空気供給管６０及び水供給管６２は、ケーシング５６の内部に導かれた後、共に改質器２０に繋がれている。より具体的には、図４に示すように、改質器２０の上流端である図中右側の端部に繋がれている。 The fuel gas / reforming air supply pipe 60 and the water supply pipe 62 are both led to the inside of the casing 56 and then connected to the reformer 20. More specifically, as shown in FIG. 4, the reformer 20 is connected to an end on the right side in the drawing, which is an upstream end of the reformer 20.

改質器２０は、燃料電池セル集合体１２の上方に形成された燃焼領域１８の更に上方に配置されている。したがって、改質器２０は、燃料ガス及び発電用空気による燃焼熱によって熱せられ、蒸発混合器としての役割と、改質反応を起こす改質器２０としての役割とを果たすように構成されている。 The reformer 20 is disposed further above the combustion region 18 formed above the fuel cell assembly 12. Therefore, the reformer 20 is heated by the combustion heat generated by the fuel gas and the power generation air, and is configured to serve as an evaporating mixer and as a reformer 20 that causes a reforming reaction. .

改質器２０の下流端（図４の左端）には、燃料供給管６６の上端が接続されている。この燃料供給管６６の下端側６６ａは、燃料ガスタンク６８内に入り込むように配置されている。 The upper end of the fuel supply pipe 66 is connected to the downstream end (the left end in FIG. 4) of the reformer 20. The lower end side 66 a of the fuel supply pipe 66 is disposed so as to enter the fuel gas tank 68.

図３〜図５に示すように、燃料ガスタンク６８は、燃料電池セル集合体１２の真下に設けられている。また、燃料ガスタンク６８内に挿入された燃料供給管６６の下端側６６ａの外周には、長手方向（Ａ方向）に沿って複数の小穴（図示せず）が形成されている。改質器２０を経由した燃料ガスは、これら複数の小穴（図示せず）によって燃料ガスタンク６８内に長手方向に均一に供給されるようになっている。燃料ガスタンク６８に供給された燃料ガスは、燃料電池セル集合体１２を構成する各燃料電池セルユニット１６の内側にある燃料ガス流路８８（詳細は後述する）内に供給され、燃料電池セルユニット１６内を上昇して、燃焼領域１８に至るようになっている。 As shown in FIGS. 3 to 5, the fuel gas tank 68 is provided directly below the fuel cell assembly 12. A plurality of small holes (not shown) are formed along the longitudinal direction (A direction) on the outer periphery of the lower end side 66 a of the fuel supply pipe 66 inserted into the fuel gas tank 68. The fuel gas passing through the reformer 20 is uniformly supplied in the longitudinal direction into the fuel gas tank 68 through the plurality of small holes (not shown). The fuel gas supplied to the fuel gas tank 68 is supplied into a fuel gas flow path 88 (described later in detail) inside each fuel cell unit 16 constituting the fuel cell assembly 12, and the fuel cell unit. It rises in 16 and reaches the combustion region 18.

続いて、発電用空気を燃料電池モジュール２の内部へ供給するための構造を、図３〜図５及び図６、図７に基づき説明する。図６は、図３に対応する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。図７は、図４に対応する模式図であって、同様に発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。これらの図に示すように、改質器２０の上方に、熱交換器２２が設けられている。熱交換器２２には、複数の燃焼ガス配管７０と、この燃焼ガス配管７０の周囲に形成された発電用空気流路７２とが設けられている。 Next, a structure for supplying power generation air to the inside of the fuel cell module 2 will be described with reference to FIGS. 3 to 5, 6, and 7. FIG. 6 is a schematic diagram corresponding to FIG. 3 and shows the flow of power generation air and combustion gas. FIG. 7 is a schematic diagram corresponding to FIG. 4, and similarly shows the flow of power generation air and combustion gas. As shown in these drawings, a heat exchanger 22 is provided above the reformer 20. The heat exchanger 22 is provided with a plurality of combustion gas pipes 70 and a power generation air flow path 72 formed around the combustion gas pipes 70.

熱交換器２２の上面における一端側（図４における右端）には、発電用空気導入管７４が取り付けられている。この発電用空気導入管７４により、発電用空気流量調整ユニット３８から、発電用空気が、熱交換器２２内に導入されるようになっている。 A power generation air introduction pipe 74 is attached to one end side (the right end in FIG. 4) of the upper surface of the heat exchanger 22. The power generation air is introduced into the heat exchanger 22 from the power generation air flow rate adjustment unit 38 by the power generation air introduction pipe 74.

熱交換器２２の上側の他端側（図４における左端）には、図３に示すように、発電用空気流路７２の出口ポート７６ａが一対形成されている。この出口ポート７６ａは、一対の連絡流路７６につながっている。さらに、燃料電池モジュール２のケーシング５６の幅方向（Ｂ方向：短辺側面方向）の両側の外側には、発電用空気供給路７７が形成されている。 As shown in FIG. 3, a pair of outlet ports 76 a of the power generation air flow path 72 is formed on the other end side (the left end in FIG. 4) on the upper side of the heat exchanger 22. The outlet port 76a is connected to a pair of communication channels 76. Further, power generation air supply passages 77 are formed on the outer sides of both sides of the casing 56 of the fuel cell module 2 in the width direction (B direction: short side surface direction).

したがって、発電用空気供給路７７には、発電用空気流路７２の出口ポート７６ａ及び連絡流路７６から、発電用空気が供給されるようになっている。この発電用空気供給路７７は、燃料電池セル集合体１２の長手方向に沿って形成されている。さらに、その下方側であり且つ燃料電池セル集合体１２の下方側に対応する位置に、発電室６内の燃料電池セル集合体１２の各燃料電池セルユニット１６に向けて発電用空気を吹き出すための複数の吹出口７８ａ、７８ｂが形成されている。これらの吹出口７８ａ、７８ｂから吹き出された発電用空気は、各燃料電池セルユニット１６の外側面に沿って、下方から上方へ流れるようになっている。 Therefore, power generation air is supplied to the power generation air supply path 77 from the outlet port 76 a of the power generation air flow path 72 and the communication flow path 76. The power generation air supply path 77 is formed along the longitudinal direction of the fuel cell assembly 12. Furthermore, in order to blow out the air for power generation toward each fuel cell unit 16 of the fuel cell assembly 12 in the power generation chamber 6 at a position corresponding to the lower side of the fuel cell assembly 12. A plurality of outlets 78a and 78b are formed. The power generation air blown out from these air outlets 78 a and 78 b flows from the lower side to the upper side along the outer surface of each fuel cell unit 16.

続いて、燃料ガスと発電用空気とが燃焼して生成される燃焼ガスを排出するための構造を説明する。燃料電池セルユニット１６の上方にある燃焼領域１８では、発電反応に使用されなかった燃料ガスと発電用空気とが燃焼することで、燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスは、燃焼領域１８内を上昇し、燃焼ガス集合部２１に至る。燃焼ガス集合部２１には、図７に示すように、開口２１ａが設けられており、開口２１ａ内に燃焼ガスが導かれる。この開口２１ａを通った燃焼ガスは、熱交換器２２の他端側に至る。熱交換器２２内には、燃焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管７０（燃焼ガス流路）が設けられている。これらの燃焼ガス配管７０の下流端側には、燃焼ガス排出管８２が接続され、燃焼ガスが外部に排出されるようになっている。 Subsequently, a structure for discharging combustion gas generated by combustion of fuel gas and power generation air will be described. In the combustion region 18 above the fuel cell unit 16, combustion gas is generated by burning the fuel gas that has not been used for the power generation reaction and the power generation air. This combustion gas rises in the combustion region 18 and reaches the combustion gas collecting part 21. As shown in FIG. 7, the combustion gas collecting portion 21 is provided with an opening 21a, and the combustion gas is guided into the opening 21a. The combustion gas that has passed through the opening 21 a reaches the other end side of the heat exchanger 22. In the heat exchanger 22, a plurality of combustion gas pipes 70 (combustion gas passages) for discharging combustion gas are provided. A combustion gas discharge pipe 82 is connected to the downstream end side of these combustion gas pipes 70 so that the combustion gas is discharged to the outside.

次ぎに、図８に基づき、燃料電池セルユニット１６について説明する。図８は、本実施形態の燃料電池セルユニット１６を示す部分断面図である。図８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。 Next, the fuel cell unit 16 will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a partial cross-sectional view showing the fuel cell unit 16 of the present embodiment. As shown in FIG. 8, the fuel cell unit 16 includes a fuel cell 84 and inner electrode terminals 86 respectively connected to the end portions in the vertical direction of the fuel cell 84.

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。 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.

燃料電池セルユニット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と連通する連通流路９８が形成されている。 Since the inner electrode terminals 86 attached to the upper end side and the lower end side of the fuel cell unit 16 have 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 communication channel 98 that communicates with the fuel gas channel 88 of the inner electrode layer 90 is formed at the center of the inner electrode terminal 86.

続いて、図９に基づき、燃料電池セルスタック１４について説明する。図９は、本実施形態における燃料電池セルスタック１４を示す斜視図である。 Next, the fuel cell stack 14 will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a perspective view showing the fuel cell stack 14 in the present embodiment.

図９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、セラミック製の燃料ガスタンク上板６８ａ及び上支持板１００により支持されている。これらの燃料ガスタンク上板６８ａ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がそれぞれ形成されている。 As shown in FIG. 9, the fuel cell stack 14 includes 16 fuel cell units 16, and a lower end side and an upper end side of these fuel cell units 16 are respectively made of ceramic fuel gas tank upper plate 68 a and It is supported by the upper support plate 100. The fuel gas tank upper plate 68a and the upper support plate 100 are formed with through holes 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、隣接する燃料電池セルユニット１６の空気極である外側電極層９２の外周面とを電気的に接続するものであり、これにより燃料電池セルユニット１６が全て直列接続されるようになっている。 Further, a current collector 102 is attached to the fuel cell unit 16. The current collector 102 electrically connects the inner electrode terminal 86 attached to the inner electrode layer 90 that is a fuel electrode and the outer peripheral surface of the outer electrode layer 92 that is the air electrode of the adjacent fuel cell unit 16. As a result, the fuel cell units 16 are all connected in series.

図１０は、燃料電池セル集合体１２上方における、イグナイタ４２と燃焼領域温度センサ４８の配置位置を説明するための平面図である。図１０に示すように、イグナイタ４２は、Ａ方向末端側に配置されている。イグナイタ４２は、陽極４３ａと陰極（接地電極）４３ｂよりなる着火プラグ４３を先端に有し、図示しない電源から、これらの電極間に高電圧を印加することにより、陽極４３ａ先端と陰極４３ｂ先端の隙間に火花放電を発生させ、このとき生じた火花によって、Ａ方向末端側の燃料電池セルユニット１６の排出口９９から排出された燃料ガスに着火を行う。本実施形態においては、イグナイタ４２はＡ方向末端より２列目、Ｂ方向基端より２列目に配置された燃料電池セルユニット１６の排出口９９より排出された燃料ガスに着火を行うよう配置されている。なお、この着火により燃料電池セルユニット１６先端に生じた燃焼炎が、順次、隣接する燃料電池セルユニット１６より排出される燃料ガスに引火していくことにより、燃料電池セル集合体１２の上部全体で、燃焼が生じるようになっている。 FIG. 10 is a plan view for explaining the arrangement positions of the igniter 42 and the combustion region temperature sensor 48 above the fuel cell assembly 12. As shown in FIG. 10, the igniter 42 is disposed on the A direction end side. The igniter 42 has an ignition plug 43 made up of an anode 43a and a cathode (ground electrode) 43b at its tip, and a high voltage is applied between these electrodes from a power source (not shown) to thereby connect the tip of the anode 43a and the tip of the cathode 43b. Spark discharge is generated in the gap, and the fuel gas discharged from the discharge port 99 of the fuel cell unit 16 at the end in the A direction is ignited by the spark generated at this time. In the present embodiment, the igniter 42 is arranged so as to ignite the fuel gas discharged from the discharge port 99 of the fuel cell unit 16 arranged in the second row from the end in the A direction and in the second row from the base end in the B direction. Has been. Note that the combustion flame generated at the tip of the fuel cell unit 16 due to this ignition sequentially ignites the fuel gas discharged from the adjacent fuel cell unit 16, so that the entire upper part of the fuel cell assembly 12 is ignited. Thus, combustion occurs.

一方、燃焼領域温度センサ４８は、Ａ方向基端側に配置され、Ａ方向基端側の燃料電池セル集合体１２上方の温度の検出を行っており、本実施形態においては、この燃焼領域温度センサ４８により検出された温度が、燃焼領域１８の温度と同等であるとみなしている。 On the other hand, the combustion region temperature sensor 48 is disposed on the base end side in the A direction, and detects the temperature above the fuel cell assembly 12 on the base end side in the A direction. In this embodiment, this combustion region temperature is detected. The temperature detected by the sensor 48 is considered to be equivalent to the temperature of the combustion region 18.

次に、図１１に基づき、制御部１０について説明する。図１１は、本実施形態における制御部１０周辺の電気的構成および制御部１０の機能的構成を示すブロック図である。図１１に示すように、制御部１０には複数のセンサが接続されている。発電用空気流量センサ１０８は、発電室６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り、発電用空気流量調整ユニット３８に設けられている。改質用空気流量センサ１１０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り、改質用空気流量調整ユニット４０に設けられている。燃料流量センサ１１２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り、燃料流量調整ユニット３４に設けられている。水流量センサ１１４は、改質器２０に供給される純水（水蒸気）の流量を検出するためのものであり、水流量調整ユニット３０に設けられている。また、燃焼領域温度センサ４８は、上述した通り、Ａ方向基端側の燃料電池セル集合体１２上方の温度の検出を行うものである。発電室温度センサ１１６（例えば、熱電対等）は、図３に示すように、ケーシング５６の内部の燃料電池セル集合体１２近傍に設けられており、燃料電池セル集合体１２近傍の温度を検出して、燃料電池セル８４の温度を推定するためのものである。 Next, the control unit 10 will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a block diagram showing an electrical configuration around the control unit 10 and a functional configuration of the control unit 10 in the present embodiment. As shown in FIG. 11, a plurality of sensors are connected to the control unit 10. The power generation air flow rate sensor 108 is for detecting the flow rate of power generation air supplied to the power generation chamber 6, and is provided in the power generation air flow rate adjustment unit 38. The reforming air flow rate sensor 110 is for detecting the flow rate of the reforming air supplied to the reformer 20, and is provided in the reforming air flow rate adjustment unit 40. The fuel flow rate sensor 112 is for detecting the flow rate of the fuel gas supplied to the reformer 20, and is provided in the fuel flow rate adjustment unit 34. The water flow rate sensor 114 is for detecting the flow rate of pure water (steam) supplied to the reformer 20, and is provided in the water flow rate adjustment unit 30. Further, as described above, the combustion region temperature sensor 48 detects the temperature above the fuel cell assembly 12 on the base end side in the A direction. As shown in FIG. 3, the power generation chamber temperature sensor 116 (for example, a thermocouple) is provided in the vicinity of the fuel cell assembly 12 inside the casing 56 and detects the temperature in the vicinity of the fuel cell assembly 12. Thus, the temperature of the fuel cell 84 is estimated.

制御部１０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびタイマ等を内蔵しており、ＣＰＵは、各種センサが検出した結果をデータとして取り込むとともに、ＲＯＭに記憶された各種のプログラムやＲＡＭに記憶されたデータ等に基づいて、後述する各種処理や制御を行う。 The control unit 10 incorporates a CPU, ROM, RAM, timer, and the like (not shown), and the CPU captures the results detected by various sensors as data and stores them in various programs and RAM stored in the ROM. Various processes and controls described later are performed based on the data and the like.

本実施形態における制御部１０は、これを機能的に捉えた場合、図１１に示すように、流量比較処理部１０ａと、発電用空気流量制御部１０ｂと、改質用空気流量制御部１０ｃと、燃料流量制御部１０ｄと、水流量制御部１０ｅと、着火状態判定処理部１０ｆと、着火制御部１０ｇと、目標供給量設定処理部１０ｈと、本加熱開始処理部１０ｉを有している。 When the control unit 10 in the present embodiment grasps this functionally, as shown in FIG. 11, the flow rate comparison processing unit 10a, the power generation air flow rate control unit 10b, the reforming air flow rate control unit 10c, The fuel flow control unit 10d, the water flow control unit 10e, the ignition state determination processing unit 10f, the ignition control unit 10g, the target supply amount setting processing unit 10h, and the main heating start processing unit 10i are provided.

流量比較処理部１０ａは、各種流量センサ（１０８、１１０、１１２、１１４）の検出結果と、ＲＡＭに記憶されている各々の供給物の目標供給量とを比較して、それらの差を、各種流量調整ユニット（３０、３４、３８、４０）に対応する制御部（１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ）へ出力する。 The flow rate comparison processing unit 10a compares the detection results of the various flow rate sensors (108, 110, 112, 114) with the target supply amount of each supply stored in the RAM, and determines the difference between them. It outputs to the control part (10b, 10c, 10d, 10e) corresponding to a flow volume adjustment unit (30, 34, 38, 40).

各種流量調整ユニット（３０、３４、３８、４０）に対応する制御部（１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ）は、流量比較処理部１０ａからの出力に基づき、各種流量調整ユニット（３０、３４、３８、４０）へ制御信号を出力し、それらの流量調整ユニットにおける供給量を制御する。例えば、発電用空気流量調整ユニット３８が空気ブロワにより構成されている場合には、発電用空気流量制御部１０ｂは、流量比較処理部１０ａからの出力に基づき、空気ブロワの回転数を制御する。同様に、燃料流量調整ユニット３４が燃料ポンプにより構成されている場合には、燃料制御部１０ｄは、流量比較処理部１０ａからの出力に基づき、燃料ポンプの回転数を制御する。なお、燃料電池装置１の運転状況によっては、流量比較処理部１０ａにおける目標供給量は、発電室温度センサ１１６の検出結果に基づき目標供給量設定処理部１０ｈから流量比較処理部１０ａへ出力された信号に応じて設定される。また、本加熱開始処理部１０ｉは、燃焼領域温度センサ４８の検出結果が、予めＲＡＭに記憶されている、燃焼炎が未着火の燃料ガスへ引火しやすくなる所定の温度Ｔａ（第一の所定温度）より大きい場合、燃料電池セル８４を発電可能な所定の温度Ｔｂ（第二の所定温度）まで加熱する本加熱を開始するために、燃料流量制御部１０ｄに信号を出力し、燃料流量制御部１０ｄによって燃料流量調整ユニット３４を制御する。上記所定の温度Ｔｂは所定の温度Ｔａよりも大きく、所定の温度Ｔａは、燃料ガスの発火点近傍の温度であることが好ましい。本実施形態においては、この所定の温度Ｔａは発火点以上の温度に設定されているものとする。ただし、この所定の温度Ｔａは、燃料電池装置の仕様や、供給する燃料ガスの種類等に応じて、適宜変更可能である。 The control units (10b, 10c, 10d, 10e) corresponding to the various flow rate adjustment units (30, 34, 38, 40) are based on the output from the flow rate comparison processing unit 10a, and the various flow rate adjustment units (30, 34, 38). , 40) to output a control signal to control the supply amount in these flow rate adjusting units. For example, when the power generation air flow rate adjustment unit 38 is configured by an air blower, the power generation air flow rate control unit 10b controls the rotation speed of the air blower based on the output from the flow rate comparison processing unit 10a. Similarly, when the fuel flow rate adjustment unit 34 is configured by a fuel pump, the fuel control unit 10d controls the rotation speed of the fuel pump based on the output from the flow rate comparison processing unit 10a. Depending on the operation status of the fuel cell device 1, the target supply amount in the flow rate comparison processing unit 10a is output from the target supply amount setting processing unit 10h to the flow rate comparison processing unit 10a based on the detection result of the power generation chamber temperature sensor 116. It is set according to the signal. Further, the main heating start processing unit 10i has a detection result of the combustion region temperature sensor 48 stored in the RAM in advance, and a predetermined temperature Ta (first predetermined temperature) at which the combustion flame easily ignites the unignited fuel gas. If the temperature is greater than the temperature), a signal is output to the fuel flow rate control unit 10d to start the main heating to heat the fuel cell 84 to a predetermined temperature Tb (second predetermined temperature) at which power generation is possible. The fuel flow rate adjusting unit 34 is controlled by the unit 10d. The predetermined temperature Tb is higher than the predetermined temperature Ta, and the predetermined temperature Ta is preferably a temperature near the ignition point of the fuel gas. In the present embodiment, it is assumed that the predetermined temperature Ta is set to a temperature equal to or higher than the ignition point. However, the predetermined temperature Ta can be appropriately changed according to the specifications of the fuel cell device, the type of fuel gas to be supplied, and the like.

着火状態判定処理部１０ｆは、燃焼領域温度センサ４８の検出結果が、予めＲＡＭに記憶されている所定の温度Ｔｆより大きい場合、燃焼領域である燃料電池セル集合体１２上部に燃焼が生じている状態（着火状態）であると判定し、その判定結果を、着火制御部１０ｇへ出力する。着火状態判定処理部１０ｆからの出力を受けた着火制御部１０ｇは、イグナイタ４２をＯＦＦ状態にする。一方、燃焼領域温度センサ４８の検出結果が、予めＲＡＭに記憶されている所定の温度以下の場合は、着火状態ではないと判定するが、この場合は、特に出力は行わない。 When the detection result of the combustion region temperature sensor 48 is higher than a predetermined temperature Tf stored in the RAM in advance, the ignition state determination processing unit 10f is combusting above the fuel cell assembly 12 that is the combustion region. It is determined that the state (ignition state), and the determination result is output to the ignition control unit 10g. Upon receiving the output from the ignition state determination processing unit 10f, the ignition control unit 10g turns the igniter 42 to the OFF state. On the other hand, when the detection result of the combustion region temperature sensor 48 is equal to or lower than a predetermined temperature stored in the RAM in advance, it is determined that the ignition state is not in effect, but in this case, no output is particularly performed.

次に、本実施形態に係る燃料電池装置１の制御内容について説明する。なお、本実施形態にかかる燃料電池装置１は、起動を開始すると、燃料ガスに着火する燃焼運転、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）を経て、発電運転に移行するものであるが、以下の説明では、本発明の要旨と直接関係のある制御内容のみを取り上げ、その他の制御内容については説明を省略する。 Next, the control content of the fuel cell device 1 according to the present embodiment will be described. The fuel cell device 1 according to the present embodiment, when starting, starts a combustion operation that ignites the fuel gas, a partial oxidation reforming reaction (POX), an autothermal reforming reaction (ATR), and a steam reforming reaction (SR). However, in the following description, only the control content directly related to the gist of the present invention is taken up, and the description of the other control content is omitted.

図１２は、本実施形態における燃料電池装置１の起動開始から本加熱が完了するまでの制御内容を示すフローチャートである。 FIG. 12 is a flowchart showing the contents of control from the start of startup of the fuel cell device 1 to the completion of the main heating in the present embodiment.

ステップ１２１は、燃料電池装置１の起動開始のステップであり、起動を開始すると、制御部１０は、発電用空気流量調整ユニット３８により、所定の供給量で発電用空気の燃料電池モジュール２への供給を開始する（Ｓ１２２）。続いて、燃焼領域温度センサ４８の検出温度に基づき、燃焼領域１８が、所定の温度Ｔａよりも小さいか否かの判定を行う（Ｓ１２３）。所定の温度Ｔａ以上である場合（Ｓ１２３でＮＯ）は、ステップ１３１（Ｓ１３１）へ進み、所定の温度Ｔａよりも小さい場合（Ｓ１２３でＹＥＳ）は、燃料流量調整ユニット３４により所定の供給量で燃料ガスの燃料電池モジュール２への供給を開始する（Ｓ１２４）。次に、イグナイタ４２をＯＮ状態にし（Ｓ１２５）、燃料電池セル集合体１２上方へ排出される燃料ガスへの着火を開始する。そして、燃焼領域の温度がＴｆよりも大きいか否かを判定（Ｓ１２６）することにより、燃焼領域１８が、着火状態であるか否かの判定を行う。Ｔｆ以下と判定した場合（つまり、着火状態でないと判定した場合であり、Ｓ１２６でＮＯ）は、判定を繰り返し、Ｔｆよりも大きいと判定した場合（つまり、着火状態である判定した場合であり、Ｓ１２６でＹＥＳ）は、イグナイタ４２をＯＦＦ状態とする（Ｓ１２７）。その後、着火によって生じた燃料電池集合体１２上部の燃焼の燃焼熱による加熱によって、燃焼領域１８の温度が所定の温度Ｔａ以上になったか否かの判定を行う（Ｓ１２８）。燃焼領域１８の温度がＴａより小さい場合（Ｓ１２８でＮＯ）は、判定を繰り返し、Ｔａ以上の場合（Ｓ１２８でＹＥＳ）は、燃料流量調整ユニット３４により燃料ガスの供給を停止する（Ｓ１２９）。（このＳ１２４〜Ｓ１２９までの動作が、予備加熱の一連の動作である。）なお、本実施形態においては、イグナイタ４２をＯＦＦ状態とした（Ｓ１２７）後、燃焼領域１８が所定の温度Ｔａに至ったか否かで燃料ガスの供給停止のタイミングを図っているが、イグナイタをＯＦＦ状態とした後、所定時間が経過したか否かを判定することにより、燃料ガスの供給停止のタイミングを図っても構わない。 Step 121 is a step of starting activation of the fuel cell device 1. When the activation starts, the control unit 10 causes the power generation air flow rate adjustment unit 38 to supply power generation air to the fuel cell module 2 with a predetermined supply amount. Supply is started (S122). Subsequently, based on the temperature detected by the combustion region temperature sensor 48, it is determined whether or not the combustion region 18 is lower than a predetermined temperature Ta (S123). If the temperature is equal to or higher than the predetermined temperature Ta (NO in S123), the process proceeds to step 131 (S131). If the temperature is lower than the predetermined temperature Ta (YES in S123), the fuel flow rate adjustment unit 34 sets the fuel at a predetermined supply amount. Supply of gas to the fuel cell module 2 is started (S124). Next, the igniter 42 is turned on (S125), and ignition of the fuel gas discharged to the upper side of the fuel cell assembly 12 is started. Then, by determining whether or not the temperature of the combustion region is higher than Tf (S126), it is determined whether or not the combustion region 18 is in an ignition state. When it is determined that it is Tf or less (that is, when it is determined that it is not in an ignition state and NO in S126), the determination is repeated, and when it is determined that it is greater than Tf (that is, when it is determined that it is in an ignition state) If YES in S126, the igniter 42 is turned off (S127). Thereafter, it is determined whether or not the temperature of the combustion region 18 has become equal to or higher than the predetermined temperature Ta due to the heating by the combustion heat of the upper part of the fuel cell assembly 12 caused by the ignition (S128). If the temperature of the combustion region 18 is lower than Ta (NO in S128), the determination is repeated, and if it is equal to or higher than Ta (YES in S128), the fuel flow adjustment unit 34 stops the supply of fuel gas (S129). (The operations from S124 to S129 are a series of preheating operations.) In this embodiment, after the igniter 42 is turned off (S127), the combustion region 18 reaches a predetermined temperature Ta. The fuel gas supply stop timing is determined by whether or not the fuel gas supply stop timing. However, the fuel gas supply stop timing can be determined by determining whether or not a predetermined time has elapsed after the igniter is turned off. I do not care.

燃料ガスの供給停止後、制御部１０に内蔵されているタイマの動作を開始し、燃料ガスの供給を停止してからの経過時間を計測する。その後、このタイマの計測した経過時間が、所定時間を越えたか否かの判定を行う（Ｓ１３０）。この所定時間は、燃料電池セル集合体１２上方における燃焼炎が完全に消え、なおかつ、予備加熱時に供給されたものの燃焼に使用されなかった酸化剤ガスおよび燃料ガスが熱交換器２２を介して排出される時間以上になるよう予め設定されている。この所定時間が経過していない場合（Ｓ１３０でＮＯ）は、同一の判定を繰り返し、所定時間が経過している場合（Ｓ１３０でＹＥＳ）は、燃料流量調整ユニット３４により所定の供給量で燃料電池モジュール２へ燃料ガスの供給を開始する（Ｓ１３１）。次に、イグナイタ４２をＯＮ状態にし（Ｓ１３２）、その後、燃焼領域の温度がＴｆよりも大きいか否かを判定（Ｓ１３３）することにより、燃焼領域１８が、着火状態に至ったか否かの判定を行う。Ｔｆ以下であると判定した場合（Ｓ１３３でＮＯ）は、同一の判定を繰り返し、Ｔｆよりも大きいと判定した場合（Ｓ１３３でＹＥＳ）は、イグナイタ４２をＯＦＦ（Ｓ１３４）状態とし、着火動作を終了する。その後、発電室温度センサ１１６の検出温度に基づき推定された燃料電池セル８４の温度が、所定の温度Ｔｂ以上かの判定を行い（Ｓ１３５）、Ｔｂより小さい場合（Ｓ１３５でＮＯ）は、判定を繰り返し、Ｔｂ以上の場合（Ｓ１３５でＹＥＳ）は、本加熱は終了したと判断する。（このＳ１３１〜Ｓ１３６までの制御内容が、本加熱の一連の制御内容である。） After the supply of fuel gas is stopped, the operation of a timer built in the control unit 10 is started, and the elapsed time after the supply of fuel gas is stopped is measured. Thereafter, it is determined whether the elapsed time measured by the timer has exceeded a predetermined time (S130). During this predetermined time, the combustion flame above the fuel cell assembly 12 is completely extinguished, and the oxidant gas and fuel gas that were supplied during preheating but were not used for combustion are discharged through the heat exchanger 22. It is set in advance so that it will be longer than the set time. If the predetermined time has not elapsed (NO in S130), the same determination is repeated. If the predetermined time has elapsed (YES in S130), the fuel flow rate adjusting unit 34 uses the fuel cell at a predetermined supply amount. Supply of fuel gas to the module 2 is started (S131). Next, the igniter 42 is turned on (S132), and then it is determined whether the temperature of the combustion region is higher than Tf (S133), thereby determining whether the combustion region 18 has reached an ignition state. I do. If it is determined that it is equal to or less than Tf (NO in S133), the same determination is repeated. If it is determined that it is greater than Tf (YES in S133), the igniter 42 is turned off (S134), and the ignition operation is terminated. To do. Thereafter, it is determined whether the temperature of the fuel cell 84 estimated based on the temperature detected by the power generation chamber temperature sensor 116 is equal to or higher than a predetermined temperature Tb (S135). If the temperature is lower than Tb (NO in S135), the determination is made. If it is repeatedly Tb or more (YES in S135), it is determined that the main heating has been completed. (The control details from S131 to S136 are a series of control details of the main heating.)

このように、起動後、まず、燃焼領域１８において燃焼を生じさせることにより、燃焼領域１８の温度が、燃料ガスの発火点に近付くように予備加熱を行うと、本加熱を行う際に、燃焼領域１８に供給される燃料ガスが、すぐに発火点付近の温度まで温まり、イグナイタ４２により火花を発生させる着火動作時に、燃料電池セルユニット１６先端に生じた燃焼炎が、他の燃料電池セルユニット１６より排出される燃料ガスに引火しやすくなる。したがって、例え冷間起動時であったとしても、火移りが途中で止まってしまうことを防止することができ、火移り性を向上することができる。 As described above, after the start-up, first, by causing combustion in the combustion region 18, if the preheating is performed so that the temperature of the combustion region 18 approaches the ignition point of the fuel gas, the combustion is performed during the main heating. During the ignition operation in which the fuel gas supplied to the region 18 is immediately heated to a temperature near the ignition point and a spark is generated by the igniter 42, the combustion flame generated at the tip of the fuel cell unit 16 is replaced with another fuel cell unit. It becomes easy to ignite the fuel gas discharged from 16. Therefore, even if it is at the time of cold starting, it can prevent that a fire transfer stops on the way, and a fire transfer property can be improved.

なお、本実施形態では、燃焼領域１８の加熱手段として、燃料電池装置１の運転に必須の燃料流量調整ユニット３４および発電用空気流量調整ユニット３８およびイグナイタ４２を用いているため、別途、燃焼領域１８を加熱するための熱源や、他の部材等を追加する必要がない。したがって、設備コストを上昇させることなく、容易に着火動作時の火移り性を向上させることができる。 In the present embodiment, the fuel flow rate adjustment unit 34, the power generation air flow rate adjustment unit 38, and the igniter 42 that are essential for the operation of the fuel cell device 1 are used as the heating means for the combustion region 18. There is no need to add a heat source for heating 18 or other members. Therefore, it is possible to easily improve the fire transfer property during the ignition operation without increasing the equipment cost.

以上のように火移り性を向上させることにより、例え冷間起動時であっても、より全ての燃料電池セルユニット１６へ燃焼を生じさせやすくすることができるため、燃料電池セル集合体１２や改質器２０の昇温速度の低下に起因する起動速度の低下を防止することができる。 By improving the fire transfer property as described above, it is possible to easily cause combustion to all the fuel cell units 16 even at the time of cold start. It is possible to prevent the start-up speed from being reduced due to the decrease in the temperature raising speed of the reformer 20.

なお、本実施形態においては、燃焼領域温度センサ４８によって、燃焼領域１８の温度を検出しているが、改質器２０や熱交換器２２や発電室６の温度等から検出しても構わない。また、着火状態に至ったか否かの判定は、これらの温度上昇勾配に基づき判定しても構わない。 In the present embodiment, the temperature of the combustion region 18 is detected by the combustion region temperature sensor 48, but may be detected from the temperature of the reformer 20, the heat exchanger 22, the power generation chamber 6, or the like. . Moreover, you may determine whether it came to the ignition state based on these temperature rise gradients.

１…燃料電池装置
２…燃料電池モジュール
４…補機ユニット
６…発電室
１０…制御部
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
１８…燃焼領域
２０…改質器
２２…熱交換器
２６…水供給源
２８…純水タンク
３０…水流量調整ユニット
３２…燃料供給源
３４…燃料流量調整ユニット
３６…空気供給源
３８…発電用空気流量調整ユニット
４０…改質用空気流量調整ユニット
４２…イグナイタ
４３…着火プラグ
４３ａ…陽極
４３ｂ…陰極
４８…燃焼領域温度センサ
５６…ケーシング
６０…燃料ガス・改質用空気供給管
６２…水供給管
６６…燃料供給管
６８…燃料ガスタンク
７０…燃焼ガス配管
７２…発電用空気流路
７４…発電用空気導入管
７６…連絡流路
７６ａ…出口ポート
７７…発電用空気供給路
７８ａ、７８ｂ…吹出口
８２…燃焼ガス排出管
８４…燃料電池セル
８６…内側電極端子
８８…燃料ガス流路
９０…内側電極層
９２…外側電極層
９４…電解質層
９８…連通流路
９９…排出口
１０８…発電用空気流量検出センサ
１１０…改質用空気流量センサ
１１２…燃料流量センサ
１１４…水流量センサ
１１６…発電室温度センサ

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell apparatus 2 ... Fuel cell module 4 ... Auxiliary machine unit 6 ... Power generation chamber 10 ... Control part 12 ... Fuel cell assembly 14 ... Fuel cell stack 16 ... Fuel cell unit 18 ... Combustion area 20 ... Reformation Unit 22 ... Heat exchanger 26 ... Water supply source 28 ... Pure water tank 30 ... Water flow rate adjustment unit 32 ... Fuel supply source 34 ... Fuel flow rate adjustment unit 36 ... Air supply source 38 ... Air flow rate adjustment unit 40 for power generation ... Reforming Air flow rate adjustment unit 42 ... Igniter 43 ... Ignition plug 43a ... Anode 43b ... Cathode 48 ... Combustion region temperature sensor 56 ... Casing 60 ... Fuel gas / reforming air supply pipe 62 ... Water supply pipe 66 ... Fuel supply pipe 68 ... Fuel gas tank 70 ... Combustion gas pipe 72 ... Power generation air flow path 74 ... Power generation air introduction pipe 76 ... Communication flow path 76a ... Outlet port 77 ... Power generation air supply path 78a 78b ... Outlet 82 ... Combustion gas discharge pipe 84 ... Fuel cell 86 ... Inner electrode terminal 88 ... Fuel gas channel 90 ... Inner electrode layer 92 ... Outer electrode layer 94 ... Electrolyte layer 98 ... Communication channel 99 ... Discharge port 108 ... Power generation air flow rate detection sensor 110 ... Reforming air flow rate sensor 112 ... Fuel flow rate sensor 114 ... Water flow rate sensor 116 ... Power generation chamber temperature sensor

Claims

A fuel battery cell for discharging fuel gas from one end;
A plurality of fuel cells, and a fuel cell assembly in which the fuel cells are disposed side by side so that fuel gas is discharged in substantially the same direction from substantially the same plane;
A combustion region provided adjacent to the fuel cell assembly on the fuel gas discharge direction side of the fuel cell so as to burn the oxidant gas and the fuel gas discharged from the fuel cell;
Ignition means for generating a spark to ignite the fuel gas discharged from the fuel cell in the combustion region;
Heating means for heating the combustion region to a first predetermined temperature;
Control means for controlling the ignition means and the heating means,
The control means performs preliminary heating for heating the combustion region to the first predetermined temperature by the heating means, and then ignites a fuel gas by the ignition means, so that the first predetermined temperature is exceeded. It is high, the fuel cell apparatus and performs the pressurized heat for heating the fuel cell to power generation capability second predetermined temperature.

2. The fuel cell device according to claim 1, wherein the control unit stops heating of the combustion region by the heating unit when the combustion region is heated to the first predetermined temperature. 3.

The heating means heats the combustion region to a first predetermined temperature by combustion heat of combustion generated by igniting the fuel gas discharged from the fuel battery cell,
The control means heats the combustion region to the first predetermined temperature by the heating means, then misfires the flame generated by the combustion, and reignites the fuel gas discharged from the fuel cell by the ignition means. The fuel cell device according to claim 2, wherein the main heating is performed.

The fuel cell device according to claim 3, further comprising: a fuel gas supply means for supplying a fuel gas to the fuel cell; and an oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the combustion region, wherein the heating means. Is composed of the fuel gas supply means, the oxidant gas supply means and the ignition means, and the preliminary heating is performed by the fuel gas and the oxidant supplied from the fuel gas supply means and the oxidant gas supply means. The fuel cell device according to claim 3, wherein the fuel cell device is performed by burning a mixed gas of gas by the ignition means.