JP2015046241A - Fuel cell system and method for protecting the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce equipment cost while suppressing the oxidation of a cell stack during power generation is stopped.SOLUTION: A protection device 50 for a fuel cell system includes: a voltage application circuit 51 applying a voltage having a polarity same with the polarity of a cell stack 101 in a power generation state, on the cell stack 101 including fuel battery cells 105 formed therein; and a protection control device 61, when detecting the stop of power generation in the cell stack 101, allowing the voltage application circuit 51 to apply a voltage on the cell stack 101.

Description

本発明は、燃料電池セルが形成されているセルスタックを有する燃料電池システム、及びその保護方法に関し、特に、セルスタックの酸化による損傷を抑える技術に関する。   The present invention relates to a fuel cell system having a cell stack in which fuel cells are formed, and a method for protecting the fuel cell system, and more particularly to a technique for suppressing damage due to oxidation of the cell stack.

燃料電池システムは、低公害で発電効率が高いため、近年、各種分野での利用が期待されている。この燃料電池システムの構成要素である燃料電池モジュールは、炭化水素を含む燃料ガスと空気とを用いて発電を行うセルスタックの束と、このセルスタック束全体を覆う圧力容器とを備えている。セルスタックは、複数の燃料電池セルを有している。この燃料電池セルの燃料極は、Ｎｉ等の金属を含んでいる。   The fuel cell system is expected to be used in various fields in recent years because of its low pollution and high power generation efficiency. A fuel cell module, which is a component of the fuel cell system, includes a bundle of cell stacks that generate power using fuel gas containing hydrocarbons and air, and a pressure vessel that covers the entire cell stack bundle. The cell stack has a plurality of fuel cells. The fuel electrode of this fuel cell contains a metal such as Ni.

ところで、燃料電池システムでは、電力負荷系統との電気的接続が断たれる電源喪失を伴うトリップ等で、セルスタックでの発電が停止し、セルスタック周りの還元雰囲気が維持できなくなった場合、セルスタック中の燃料極が酸化して損傷する。そこで、例えば、特許文献１に記載の技術では、セルスタックに還元性ガスを供給することで、セルスタック中の金属の酸化による損傷を防いでいる。具体的に、特許文献１に記載の技術では、水を蒸気にする気化器、燃焼ガスと蒸気等から水素を生成する外部改質器、及びこれらを加熱するためのバーナを設け、発電の停止時に水素を還元性ガスとしてセルスタックに供給している。   By the way, in the fuel cell system, when the power generation in the cell stack is stopped due to a trip involving loss of power, which is disconnected from the power load system, the reducing atmosphere around the cell stack cannot be maintained. The fuel electrode in the stack is oxidized and damaged. Therefore, for example, in the technique described in Patent Document 1, a reducing gas is supplied to the cell stack to prevent damage due to oxidation of the metal in the cell stack. Specifically, in the technique described in Patent Document 1, a vaporizer that converts water into steam, an external reformer that generates hydrogen from combustion gas and steam, and a burner for heating them are provided to stop power generation. Sometimes hydrogen is supplied as reducing gas to the cell stack.

特開２０１０−８０１９２号公報JP 2010-80192 A

上記特許文献１に記載の技術では、トリップ時に還元性ガスを供給するために多数の機器等が必要であり、設備コストがかさむ、という問題点がある。さらに、上記特許文献１に記載の技術では、トリップ後に気化器を起動してセルスタックに水蒸気を供給するまでに長い時間を要する。具体的に、セルスタックまでの配管中でのドレン発生を抑制するため、この配管を水蒸気の凝縮温度以上に余熱するなど供給開始前の準備が必要である。よって、上記特許文献１に記載の技術では、トリップ後に気化器を起動してセルスタックに水蒸気を供給するまでに、一定時間以上かかり、セルスタック中の燃料極が酸化することを抑制できない場合がある、という問題点もある。   The technique described in Patent Document 1 has a problem in that a large number of devices and the like are required to supply the reducing gas at the time of trip, and the equipment cost is increased. Furthermore, in the technique described in Patent Document 1, it takes a long time to start the vaporizer after the trip and supply water vapor to the cell stack. Specifically, in order to suppress the generation of drainage in the pipes up to the cell stack, it is necessary to prepare before starting the supply such as preheating the pipes above the condensation temperature of water vapor. Therefore, in the technique described in Patent Document 1, it takes a certain time or more to start the vaporizer after the trip and supply water vapor to the cell stack, and it may not be possible to suppress the oxidation of the fuel electrode in the cell stack. There is also a problem that there is.

そこで、本発明は、発電停止時におけるセルスタックの酸化を抑えつつ、設備コストを抑えることができる燃料電池システム、及びその保護方法を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can suppress equipment cost while suppressing oxidation of a cell stack when power generation is stopped, and a protection method thereof.

上記問題点を解決するための発明に係る一態様としての燃料電池システムの保護方法は、
燃料電池セルが形成されているセルスタックを有する燃料電池システムの保護方法において、前記セルスタックでの発電停止を検知する検知工程と、前記検知工程で前記セルスタックでの発電停止が検知されると、前記セルスタックに対して、発電状態該セルスタックの極性と同じ極性の電圧を印加する電圧印加工程と、を実行することを特徴とする。 A method for protecting a fuel cell system as one aspect according to the invention for solving the above-described problems is as follows.
In a method of protecting a fuel cell system having a cell stack in which fuel cells are formed, a detection step of detecting a power generation stop in the cell stack, and a power generation stop in the cell stack is detected in the detection step A voltage applying step of applying a voltage having the same polarity as the polarity of the cell stack to the power generation state is performed on the cell stack.

また、上記問題点を解決するための発明に係る一態様としての燃料電池システムは、
燃料電池セルが形成されているセルスタックと、前記セルスタックに対して、発電状態における該セルスタックの極性と同じ極性の電圧を印加する電圧印加部と、前記セルスタックでの発電停止を検知すると、前記電圧印加部から前記セルスタックに対して前記電圧を印加させる保護制御部と、を備えていることを特徴とする。 In addition, a fuel cell system as one aspect according to the invention for solving the above-described problems,
When detecting a cell stack in which fuel cells are formed, a voltage application unit that applies a voltage of the same polarity as the polarity of the cell stack in a power generation state to the cell stack, and stoppage of power generation in the cell stack And a protection control unit for applying the voltage to the cell stack from the voltage application unit.

セルスタックでの発電が停止し、セルスタック周りの還元雰囲気が維持できなると、セルスタック中の燃料極が酸化し、セルスタックが損傷する。セルスタックに対して、発電状態のセルスタックの極性と同じ極性の電圧を印加することで、この燃料極の酸化反応の進行を抑えることができる。そこで、当該燃料電池システム及びその保護方法では、セルスタックの発電停止の検知に伴って、発電状態のセルスタックの極性と同じ極性の電圧を印加する。   When the power generation in the cell stack is stopped and the reducing atmosphere around the cell stack can be maintained, the fuel electrode in the cell stack is oxidized and the cell stack is damaged. By applying a voltage having the same polarity as that of the cell stack in the power generation state to the cell stack, the progress of the oxidation reaction of the fuel electrode can be suppressed. Therefore, in the fuel cell system and the protection method thereof, a voltage having the same polarity as the polarity of the cell stack in the power generation state is applied in accordance with the detection of the power generation stop of the cell stack.

従って、当該燃料電池システム及びその保護方法では、セルスタックの発電停止に伴って、直ちに、セルスタック中の燃料極の酸化反応に進行を抑えることができるので、セルスタックの損傷を防ぐことができる。また、当該燃料電池システム及びその保護方法では、電気的な回路構成でセルスタックの損傷を防ぐことができるので、特許文献１に記載の技術のように多数の機器等の設置が不要となり、設備コストを抑えることができる。   Therefore, in the fuel cell system and its protection method, the progress of the oxidation reaction of the fuel electrode in the cell stack can be immediately suppressed when the power generation of the cell stack is stopped, so that the cell stack can be prevented from being damaged. . Further, in the fuel cell system and the protection method thereof, the cell stack can be prevented from being damaged by an electric circuit configuration, so that it is not necessary to install a large number of devices as in the technique described in Patent Document 1, and the facility Cost can be reduced.

ここで、前記燃料電池システムにおいて、前記保護制御部は、前記セルスタックでの発電開始を検知すると、前記電圧印加部に、前記セルスタックに対する前記電圧の印加を停止させてもよい。   Here, in the fuel cell system, when the protection control unit detects the start of power generation in the cell stack, the voltage application unit may stop the application of the voltage to the cell stack.

当該燃料電池システムでは、セルスタックに対する電圧の印加時間を制限できるので、電圧印加部での電力消費を抑えることができる。   In the fuel cell system, since the voltage application time to the cell stack can be limited, power consumption in the voltage application unit can be suppressed.

また、以上のいずれかの前記燃料電池システムにおいて、前記保護制御部は、前記セルスタックの温度又は該セルスタック周りの環境温度が予め定められ温度以下であることを検知すると、前記電圧印加部に、前記セルスタックに対する前記電圧の印加を停止させてもよい。   In any one of the fuel cell systems described above, when the protection control unit detects that the temperature of the cell stack or the environmental temperature around the cell stack is lower than a predetermined temperature, the protection control unit The voltage application to the cell stack may be stopped.

当該燃料電池システムでも、セルスタックに対する電圧の印加時間を制限できるので、電圧印加部での電力消費を抑えることができる。   Also in the fuel cell system, since the voltage application time to the cell stack can be limited, power consumption in the voltage application unit can be suppressed.

また、以上のいずれかの前記燃料電池システムにおいて、前記電圧印加部は、前記セルスタックに前記電圧を印加する蓄電池と、該蓄電池と前記セルスタックとが電気的接続されている接続状態と電気的接続が断たれる切断状態との切替を行うスイッチと、を有し、前記保護制御部は、前記スイッチの動作を制御してもよい。   In any one of the fuel cell systems described above, the voltage application unit includes a storage battery that applies the voltage to the cell stack, and a connection state and an electrical connection between the storage battery and the cell stack. A switch that switches between a disconnected state and a disconnected state, and the protection control unit may control the operation of the switch.

また、前記蓄電池及び前記スイッチを有する前記燃料電池システムにおいて、前記電圧印加部は、前記セルスタックに印加される電圧を調節する電圧調節部を有し、前記保護制御部は、前記電圧調節部を制御してもよい。   In the fuel cell system including the storage battery and the switch, the voltage application unit includes a voltage adjustment unit that adjusts a voltage applied to the cell stack, and the protection control unit includes the voltage adjustment unit. You may control.

当該燃料電池システムでは、セルスタックに印加する電圧を目的の値に調節することができ、不要に高い電圧をセルスタックに印加する必要がなくなるため、蓄電池での電力消費を抑えることができる。   In the fuel cell system, the voltage applied to the cell stack can be adjusted to a target value, and it is not necessary to apply an unnecessarily high voltage to the cell stack, so that power consumption in the storage battery can be suppressed.

また、前記電圧調節部を有する前記燃料電池システムにおいて、前記セルスタックの温度又は該セルスタック周りの環境温度を検知する温度計を備え、前記保護制御部は、前記温度計で検知される温度と前記セルスタックに印加する電圧の値又は該電圧の値に相関する前記電圧調節部での調節の値との予め定められた関係を示す関係情報を用いて、前記温度計で検知された温度に対応する値を定め、該値が得られるよう、前記電圧調節部を制御してもよい。   In the fuel cell system having the voltage adjustment unit, the fuel cell system includes a thermometer that detects a temperature of the cell stack or an environmental temperature around the cell stack, and the protection control unit includes a temperature detected by the thermometer. Using the relationship information indicating a predetermined relationship between the value of the voltage applied to the cell stack or the value of adjustment in the voltage adjustment unit correlated with the voltage value, the temperature detected by the thermometer A corresponding value may be determined, and the voltage adjustment unit may be controlled to obtain the value.

セルスタック中の金属の酸化を抑える電圧値は、セルスタックの温度より変化する。そこで、ここでは、温度計で検知される温度とセルスタックに印加する電圧の値との関係を予め把握しておく。又は、温度計で検知される温度とセルスタックに印加する電圧の値に相関する電圧調節部での調節の値の関係を予め把握しておく。当該保護装置では、この関係を示す関係情報を用いて、温度計で検知された温度に対応する電圧の値を定める。そして、この値にセルスタックに印加される電圧の値がなるよう、電圧調節部を制御する。   The voltage value that suppresses oxidation of the metal in the cell stack varies depending on the temperature of the cell stack. Therefore, here, the relationship between the temperature detected by the thermometer and the value of the voltage applied to the cell stack is grasped in advance. Alternatively, the relationship between the temperature detected by the thermometer and the value of the adjustment in the voltage adjustment unit that correlates with the value of the voltage applied to the cell stack is grasped in advance. In the protective device, the value of the voltage corresponding to the temperature detected by the thermometer is determined using the relationship information indicating this relationship. Then, the voltage regulator is controlled so that this value becomes the value of the voltage applied to the cell stack.

このため、当該燃料電池システムでは、不要に高い電圧をセルスタックに印加する必要がなくなるため、蓄電池での電力消費をより抑えることができる。   For this reason, in the said fuel cell system, since it becomes unnecessary to apply an unnecessarily high voltage to a cell stack, the power consumption in a storage battery can be suppressed more.

また、前記電圧調節部を有する前記燃料電池システムにおいて、前記セルスタックの電圧の値を検知する電圧計を備え、前記保護制御部は、前記電圧計で検知される前記電圧の値が予め定められた値以上になるよう、前記電圧調節部を制御してもよい。   The fuel cell system having the voltage adjusting unit may further include a voltmeter that detects a voltage value of the cell stack, and the protection control unit may determine a value of the voltage detected by the voltmeter in advance. The voltage adjusting unit may be controlled so as to be equal to or higher than the above value.

当該燃料電池システムでは、セルスタックの電圧をフィードバック制御するので、セルスタックの電圧を正確に調節することができる。よって、当該燃料電池システムでも、不要に高い電圧をセルスタックに印加する必要がなくなるため、蓄電池での電力消費をより抑えることができる。   In the fuel cell system, since the voltage of the cell stack is feedback controlled, the voltage of the cell stack can be adjusted accurately. Therefore, even in the fuel cell system, since it is not necessary to apply an unnecessarily high voltage to the cell stack, power consumption in the storage battery can be further suppressed.

また、前記電圧計及び前記電圧調節部を有する前記燃料電池システムにおいて、前記セルスタックの温度又は該セルスタック周りの環境温度を検知する温度計を備え、前記保護制御部は、前記温度計で検知される温度と前記セルスタックに印加される電圧の値との予め定められた関係を示す関係情報を用いて、前記温度計で検知された温度に対応する電圧の値を定め、該値以上に前記電圧計で検知される前記電圧の値がなるよう、前記電圧調節部を制御してもよい。   The fuel cell system having the voltmeter and the voltage adjustment unit further includes a thermometer that detects a temperature of the cell stack or an environmental temperature around the cell stack, and the protection control unit is detected by the thermometer. A voltage value corresponding to the temperature detected by the thermometer is determined using relationship information indicating a predetermined relationship between the temperature to be applied and the value of the voltage applied to the cell stack; The voltage adjusting unit may be controlled so that the voltage value detected by the voltmeter is the same.

当該燃料電池システムでは、フィードバック制御の目標値である電圧の値を、セルスタックの温度に応じて的確に定めることができるため、不要に高い電圧をセルスタックに印加する必要がなくなるため、蓄電池での電力消費をより抑えることができる。   In the fuel cell system, since the voltage value that is the target value of the feedback control can be accurately determined according to the temperature of the cell stack, it is not necessary to apply an unnecessarily high voltage to the cell stack. The power consumption can be further suppressed.

また、以上のいずれかの燃料電池システムにおいて、複数の前記セルスタックを有する燃料電池モジュールを備えていてもよい。   In any of the above fuel cell systems, a fuel cell module having a plurality of the cell stacks may be provided.

本発明によれば、発電停止時におけるセルスタック中の燃料極が酸化すること抑制することで、セルスタックの損傷を抑えることができる。さらに、本発明によれば、多数の機器等の設置が不要となり、設備コストを抑えることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, damage to a cell stack can be suppressed by suppressing that the fuel electrode in a cell stack at the time of an electric power generation stop is oxidized. Furthermore, according to the present invention, it is not necessary to install a large number of devices and the equipment cost can be reduced.

本発明に係る第一実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。1 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 本発明に係る第一実施形態におけるセルスタックの要部の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the important section of the cell stack in a first embodiment concerning the present invention. 本発明に係る第一実施形態におけるカートリッジの断面図である。It is sectional drawing of the cartridge in 1st embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る第一実施形態における保護装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the protection apparatus in 1st embodiment which concerns on this invention. 発電停止後のセルスタックの電圧変化を示すグラフである。It is a graph which shows the voltage change of the cell stack after a power generation stop. セルスタックの温度と平衡電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the temperature of a cell stack, and an equilibrium voltage. 本発明に係る第一実施形態における燃料電池システムの発電状態における電子の流れを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the flow of the electron in the electric power generation state of the fuel cell system in 1st embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る第一実施形態における燃料電池システムの発電状態における電子の流れを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the flow of the electron in the electric power generation state of the fuel cell system in 1st embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る第二実施形態における保護装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the protection apparatus in 2nd embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る第二実施形態におけるセルスタックの温度と平衡電圧及び印加電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the temperature of a cell stack in 2nd embodiment which concerns on this invention, an equilibrium voltage, and an applied voltage. 本発明に係る第三実施形態における保護装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the protection apparatus in 3rd embodiment which concerns on this invention.

以下、本発明に係る燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of a fuel cell system according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

「第一実施形態」
まず、本発明に係る燃料電池システムの第一実施形態について、図１〜図８を参照して説明する。 "First embodiment"
First, a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIGS.

本実施形態の燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池モジュールＭと、燃料電池モジュールＭからの直流電流を交流電流に変換するインバータ２１と、このインバータ２１と系統電力負荷２９との間を電気的に切断する遮断器２２と、燃料電池モジュールＭ等の動作を制御するシステム制御装置３０と、を備えている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system of this embodiment includes a fuel cell module M, an inverter 21 that converts a direct current from the fuel cell module M into an alternating current, and an inverter 21 and a system power load 29. A circuit breaker 22 that electrically cuts the gap and a system control device 30 that controls the operation of the fuel cell module M and the like are provided.

燃料電池モジュールＭは、圧力容器１０と、この圧力容器１０内に配置されている複数のカートリッジ２０１及び複数の各種配管３００と、を備えている。   The fuel cell module M includes a pressure vessel 10, a plurality of cartridges 201 and a plurality of various pipes 300 arranged in the pressure vessel 10.

配管３００としては、燃料ガス供給源１からの燃料ガスＧｆを圧力容器１０内の各カートリッジ２０１に導く燃料ガス供給配管３１０と、各カートリッジ２０１を通過した燃料ガスＧｆを圧力容器１０外に導く燃料ガス排出配管３２０と、酸化剤ガス供給源２からの酸化剤ガスＧｏを圧力容器１０内の各カートリッジ２０１に導く酸化剤ガス供給配管３３０と、各カートリッジ２０１を通過した酸化剤ガスＧｏを圧力容器１０外に導く酸化剤ガス排出配管３４０とがある。   The pipe 300 includes a fuel gas supply pipe 310 that guides the fuel gas Gf from the fuel gas supply source 1 to each cartridge 201 in the pressure vessel 10, and a fuel that guides the fuel gas Gf that has passed through each cartridge 201 to the outside of the pressure vessel 10. A gas discharge pipe 320, an oxidant gas supply pipe 330 that guides the oxidant gas Go from the oxidant gas supply source 2 to each cartridge 201 in the pressure vessel 10, and an oxidant gas Go that has passed through each cartridge 201 as a pressure vessel 10 and an oxidant gas discharge pipe 340 leading to the outside.

燃料ガスＧｆとしては、例えば、水素、一酸化炭素、メタン等の炭化水素系ガス、石炭等の炭素質原料のガス化により得られた炭化水素を含むガス、又は、これらの２以上の成分を含むガス等が利用される。また、酸化剤ガスＧｏとしては、例えば、酸素を１５〜３０vol％含むガス等が利用される。代表的な酸化剤ガスＧｏとしては、空気であるが、燃焼排気ガスと空気との混合ガスや、酸素と空気との混合ガスを利用してもよい。   As the fuel gas Gf, for example, a hydrocarbon-based gas such as hydrogen, carbon monoxide, and methane, a gas containing a hydrocarbon obtained by gasification of a carbonaceous raw material such as coal, or two or more of these components Gas containing etc. is used. Moreover, as the oxidant gas Go, for example, a gas containing 15 to 30 vol% of oxygen is used. A typical oxidant gas Go is air, but a mixed gas of combustion exhaust gas and air or a mixed gas of oxygen and air may be used.

圧力容器１０は、例えば、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約５ＭＰa、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用される。この圧力容器１０は、耐圧性が要求されると共に、使用条件によって、酸化剤ガスＧｏ中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性も要求される場合には、例えば、ＳＵＳ３０４などのステンレス系材で形成されている。   The pressure vessel 10 is operated, for example, at an internal pressure of 0.1 MPa to about 5 MPa and an internal temperature of atmospheric temperature to about 550 ° C. The pressure vessel 10 is made of, for example, a stainless steel material such as SUS304 when pressure resistance is required and corrosion resistance against an oxidant such as oxygen contained in the oxidant gas Go is also required depending on use conditions. Is formed.

カートリッジ２０１は、複数のセルスタックの束で構成されている。図２に示すように、セル集合体であるセルスタック１０１は、円筒形状（又は管形状）の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に形成されている複数の燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されているインターコネクタ１０７とを有する。燃料電池セル１０５は、図３に示すように、燃料極１１２と固体電解質１１１と空気極１１３とが積層して形成されている。セルスタック１０１は、さらに、基体管１０３の外周面に形成されている複数の燃料電池セル１０５のうちで、基体管１０３の軸方向において最も端に形成されている燃料電池セル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されているリード膜１１５を有する。   The cartridge 201 is composed of a bundle of a plurality of cell stacks. As shown in FIG. 2, a cell stack 101 that is a cell aggregate is adjacent to a cylindrical (or tube-shaped) base tube 103 and a plurality of fuel cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103. And an interconnector 107 formed between the matching fuel cells 105. As shown in FIG. 3, the fuel cell 105 is formed by stacking a fuel electrode 112, a solid electrolyte 111, and an air electrode 113. The cell stack 101 further includes an air electrode 113 of the fuel cell 105 formed at the end in the axial direction of the base tube 103 among the plurality of fuel cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103. The lead film 115 is electrically connected through the interconnector 107.

本実施形態では、この円筒形状（又は管形状）のセルスタック１０１の内周側に燃料ガスＧｆが通り、セルスタック１０１の外周側に酸化剤ガスＧｏが通る。   In the present embodiment, the fuel gas Gf passes through the inner peripheral side of the cylindrical (or tube-shaped) cell stack 101, and the oxidant gas Go passes through the outer peripheral side of the cell stack 101.

基体管１０３は、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、Ｙ２Ｏ３安定化ＺｒＯ2（ＹＳＺ）、ＭｇＡｌ２Ｏ４等のいずれかで形成されている多孔質体である。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持する役目を担っている。さらに、この基体管１０３は、内周側に供給された燃料ガスＧｆを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料電池セル１０５に拡散させる役目も担っている。 The base tube 103 is a porous body formed of any one of, for example, CaO stabilized ZrO 2 (CSZ), Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 (YSZ), MgAl 2 O 4, and the like. The base tube 103 plays a role of supporting the fuel cell 105, the interconnector 107, and the lead film 115. Further, the base tube 103 also has a function of diffusing the fuel gas Gf supplied to the inner peripheral side to the fuel cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103 through the pores of the base tube 103. .

燃料極１１２は、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺ等、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材で形成されている。この場合、燃料極１１２は、燃料極１１２の成分であるＮｉが燃料ガスＧｆに対して触媒として作用する。この触媒としての作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガスＧｆ中に、例えば、メタン（ＣＨ４）と水蒸気とが含まれている場合、これら相互を反応させ、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質する作用である。 The fuel electrode 112 is formed of a composite material of Ni and a zirconia-based electrolyte material such as Ni / YSZ, for example. In this case, in the fuel electrode 112, Ni that is a component of the fuel electrode 112 acts as a catalyst for the fuel gas Gf. For example, when the fuel gas Gf supplied through the base tube 103 contains methane (CH 4 ) and water vapor, the catalyst acts as a hydrogen (H 2 ). And carbon monoxide (CO).

空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３系酸化物で形成されている。この空気極１１３は、固体電解質１１１との界面付近において、供給される酸化剤ガスＧｏ中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ２−）を生成する。 The air electrode 113 is made of, for example, a LaSrMnO 3 oxide or a LaCoO 3 oxide. The air electrode 113 dissociates oxygen in the supplied oxidant gas Go near the interface with the solid electrolyte 111 to generate oxygen ions (O 2− ).

固体電解質１１１は、例えば、主としてＹＳＺで形成されている。このＹＳＺは、ガスを通しにくい気密性と、高温下での高い酸素イオン導電性とを有している。この固体電解質１１１は、空気極１１３で生成された酸素イオン（Ｏ２−）を燃料極１１２に移動させる。 The solid electrolyte 111 is mainly made of YSZ, for example. This YSZ has gas tightness that prevents gas from passing through and high oxygen ion conductivity at high temperatures. The solid electrolyte 111 moves oxygen ions (O 2− ) generated at the air electrode 113 to the fuel electrode 112.

前述の燃料極１１２では、固体電解質１１１との界面付近において、改質により得られた水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１から供給された酸素イオン（Ｏ２−）とが反応し、水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）が生成される。この燃料電池セル１０５では、この反応過程で酸素イオンから電子が放出されて、発電が行われる。 In the fuel electrode 112 described above, in the vicinity of the interface with the solid electrolyte 111, hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) obtained by reforming, and oxygen ions (O 2− ) supplied from the solid electrolyte 111. React with each other to produce water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ). In the fuel cell 105, electrons are released from oxygen ions during this reaction process, and electric power is generated.

インターコネクタ１０７は、例えば、ＳｒＴｉＯ３系などのＭ１−ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物で形成されている。このインターコネクタ１０７は、燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとが混合しないように緻密な膜で、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した電気導電性を有する。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１１２とを電気的に接続する。つまり、このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５同士を電気的に直列接続する。 The interconnector 107 is formed of a conductive perovskite oxide represented by, for example, M 1-x L x TiO 3 such as SrTiO 3 (M is an alkaline earth metal element and L is a lanthanoid element). The interconnector 107 is a dense film so that the fuel gas Gf and the oxidant gas Go are not mixed, and has stable electrical conductivity in both an oxidizing atmosphere and a reducing atmosphere. The interconnector 107 electrically connects the air electrode 113 of one fuel cell 105 and the fuel electrode 112 of the other fuel cell 105 in adjacent fuel cells 105. That is, the interconnector 107 electrically connects adjacent fuel cells 105 in series.

リード膜１１５は、電子伝導性を有すること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材で形成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタ１０７により電気的に直列接続されている複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出する役目を担っている。   Since the lead film 115 needs to have electronic conductivity and a thermal expansion coefficient close to that of other materials constituting the cell stack 101, for example, Ni such as Ni / YSZ and a zirconia-based electrolyte material And a composite material. The lead film 115 plays a role of leading the direct-current power generated by the plurality of fuel cells 105 electrically connected in series by the interconnector 107 to the vicinity of the end portion of the cell stack 101.

カートリッジ２０１は、図３に示すように、複数のセルスタック１０１と、複数のセルスタック１０１の束の一方の端部を覆う第一カートリッジヘッダ２２０ａと、複数のセルスタック１０１の束の他方の端部を覆う第二カートリッジヘッダ２２０ｂと、を有している。複数のセルスタック１０１は、互いに平行で且つその長手方向における互いの位置が揃って、全体として円柱形状を成している。また、第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂは、円柱形状を成している複数のセルスタック１０１の束の外径よりわずかに大きな外径の円筒形状を成している。このため、カートリッジ２０１は、全体として、セルスタック１０１の長手方向に長い円柱形状を成している。なお、カートリッジ２０１は、円柱形状でなくてもよく、例えば、角柱形状であってもよい。   As illustrated in FIG. 3, the cartridge 201 includes a plurality of cell stacks 101, a first cartridge header 220 a that covers one end of a bundle of the plurality of cell stacks 101, and the other end of the bundle of the plurality of cell stacks 101. And a second cartridge header 220b covering the part. The plurality of cell stacks 101 are parallel to each other and aligned in the longitudinal direction thereof, and form a cylindrical shape as a whole. The first cartridge header 220a and the second cartridge header 220b have a cylindrical shape having an outer diameter slightly larger than the outer diameter of the bundle of the plurality of cell stacks 101 having a columnar shape. Therefore, the cartridge 201 as a whole has a cylindrical shape that is long in the longitudinal direction of the cell stack 101. Note that the cartridge 201 does not have to be cylindrical, and may be, for example, a prismatic shape.

第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂは、いずれも、複数のセルスタック１０１の束の端部が開口２２８から内部に入り込む円筒形状のケーシング２２９ａ，２２９ｂと、ケーシング２２９ａ，２２９ｂの開口２２８を塞ぐ仕切断熱板２２７ａ，２２７ｂと、ケーシング２２９ａ，２２９ｂの内部空間をセルスタック１０１の長手方向で２つの空間に仕切る管板２２５ａ，２２５ｂと、複数のセルスタック１０１相互を電気的に接続する集電板２４１ａ，２４１ｂと、集電板２４１ａ，２４１ｂと電気的に接続されている集電棒２４２ａ，２４２ｂと、を有している。管板２２５ａ，２２５ｂ等は、高温耐久性のある金属材料で形成されている。管板２２５ａ，２２５ｂ及び仕切断熱板２２７ａ，２２７ｂには、複数のセルスタック１０１の端部のそれぞれが挿通可能な貫通孔が形成されている。管板２２５ａ，２２５ｂは、その貫通孔に挿通されたセルスタック１０１の端部をシール部材又は接着剤２３７を介して支持する。このため、この管板２２５ａ，２２５ｂには貫通孔が形成されているものの、この管板２２５ａ，２２５ｂを基準にしてケーシング２２９ａ，２２９ｂ内の一方の空間に対する他方の空間の気密性が確保されている。仕切断熱板２２７ａ，２２７ｂの貫通孔の内径は、ここに挿通されるセルスタック１０１の外径よりも大きく形成されている。つまり、仕切断熱板２２７ａ，２２７ｂの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されたセルスタック１０１の外周面との間には隙間２３５ａ，２３５ｂが存在する。   Each of the first cartridge header 220a and the second cartridge header 220b includes cylindrical casings 229a and 229b in which end portions of a bundle of the plurality of cell stacks 101 enter the inside from the opening 228, and openings 228 of the casings 229a and 229b. The partition heat insulating plates 227a and 227b for closing, the tube plates 225a and 225b for partitioning the internal space of the casings 229a and 229b into two spaces in the longitudinal direction of the cell stack 101, and a current collector for electrically connecting the plurality of cell stacks 101 to each other Plates 241a and 241b and current collecting rods 242a and 242b electrically connected to the current collecting plates 241a and 241b are provided. The tube plates 225a, 225b and the like are formed of a metal material having high temperature durability. The tube plates 225a and 225b and the partition heat insulating plates 227a and 227b are formed with through holes through which the end portions of the plurality of cell stacks 101 can be inserted. The tube plates 225a and 225b support the end portion of the cell stack 101 inserted through the through holes via a seal member or an adhesive 237. Therefore, though the tube plates 225a and 225b are formed with through holes, the air tightness of the other space with respect to one space in the casings 229a and 229b is ensured with reference to the tube plates 225a and 225b. Yes. The inner diameters of the through holes of the partition heat insulating plates 227a and 227b are formed larger than the outer diameter of the cell stack 101 inserted therethrough. That is, gaps 235a and 235b exist between the inner peripheral surfaces of the through holes of the partition heat insulating plates 227a and 227b and the outer peripheral surface of the cell stack 101 inserted through the through holes.

集電板２４１ａ，２４１ｂは、複数のセルスタック１０１の一方の端部相互を電気的に接続する正極集電板２４１ａと、複数のセルスタック１０１の他方の端部相互を電気的に接続する負極集電板２４１ｂと、を有している。また、集電棒２４２ａ，２４２ｂは、正極集電板２４１ａに電気的に接続されている正極集電棒２４２ａと、負極集電板２４１ｂに電気的に接続されている負極集電棒２４２ｂと、を有している。   The current collector plates 241a and 241b are a positive electrode current collector plate 241a that electrically connects one end portions of the plurality of cell stacks 101 and a negative electrode that electrically connects the other end portions of the plurality of cell stacks 101. Current collector plate 241b. The current collector rods 242a and 242b include a positive electrode current collector rod 242a electrically connected to the positive electrode current collector plate 241a and a negative electrode current collector rod 242b electrically connected to the negative electrode current collector plate 241b. ing.

第一カートリッジヘッダ２２０ａのケーシング２２９ａと管板２２５ａとで形成されている空間は、燃料ガスＧｆが供給される燃料ガス供給室２１７を形成している。このケーシング２２９ａには、燃料ガス供給配管３１０からの燃料ガスＧｆを燃料ガス供給室２１７に導くための燃料ガス供給孔２３１ａが形成されている。この燃料ガス供給室２１７内には、複数のセルスタック１０１における基体管１０３の端部が位置し、ここで開放している。燃料ガス供給配管３１０から燃料ガス供給室２１７に導かれた燃料ガスＧｆは、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に流れ込む。この際、燃料ガスＧｆは、燃料ガス供給室２１７により、複数のセルスタック１０１の各基体管１０３に対してほぼ均等流量に配分される。このため、複数のセルスタック１０１における各発電量の均一化を図ることができる。   A space formed by the casing 229a and the tube plate 225a of the first cartridge header 220a forms a fuel gas supply chamber 217 to which the fuel gas Gf is supplied. A fuel gas supply hole 231a for guiding the fuel gas Gf from the fuel gas supply pipe 310 to the fuel gas supply chamber 217 is formed in the casing 229a. In the fuel gas supply chamber 217, the ends of the base tube 103 in the plurality of cell stacks 101 are located and open here. The fuel gas Gf guided from the fuel gas supply pipe 310 to the fuel gas supply chamber 217 flows into the base tube 103 of the plurality of cell stacks 101. At this time, the fuel gas Gf is distributed by the fuel gas supply chamber 217 at a substantially equal flow rate to the base pipes 103 of the plurality of cell stacks 101. For this reason, each power generation amount in the plurality of cell stacks 101 can be made uniform.

第二カートリッジヘッダ２２０ｂのケーシング２２９ｂと管板２２５ｂとで形成されている空間は、セルスタック１０１の基体管１０３内を通過した燃料ガスＧｆが流れ込む燃料ガス排出室２１９を形成している。このケーシング２２９ｂには、燃料ガス排出室２１９に流れ込んだ燃料ガスＧｆを燃料ガス排出配管３２０に導くための燃料ガス排出孔２３１ｂが形成されている。この燃料ガス排出室２１９内には、複数のセルスタック１０１における基体管１０３の端部が位置し、ここで開放している。複数のセルスタック１０１の各基体管１０３内を通過した燃料ガスＧｆは、前述したように、燃料ガス排出室２１９に流入した後、燃料ガス排出配管３２０を通って、圧力容器１０外へ排出される。   A space formed by the casing 229b and the tube plate 225b of the second cartridge header 220b forms a fuel gas discharge chamber 219 into which the fuel gas Gf that has passed through the base tube 103 of the cell stack 101 flows. A fuel gas discharge hole 231 b for guiding the fuel gas Gf flowing into the fuel gas discharge chamber 219 to the fuel gas discharge pipe 320 is formed in the casing 229 b. In the fuel gas discharge chamber 219, the ends of the base tube 103 in the plurality of cell stacks 101 are located and open here. As described above, the fuel gas Gf that has passed through the base tube 103 of the plurality of cell stacks 101 flows into the fuel gas discharge chamber 219, and then is discharged out of the pressure vessel 10 through the fuel gas discharge pipe 320. The

第二カートリッジヘッダ２２０ｂのケーシング２２９ｂと仕切断熱板２２７ｂと管板２２５ｂとで形成されている空間は、酸化剤ガス供給室２１６を形成している。このケーシング２２９ｂには、酸化剤ガス供給配管３３０からの酸化剤ガスＧｏを酸化剤ガス供給室２１６に導くための酸化剤ガス供給孔２３３ｂが形成されている。この酸化剤ガス供給室２１６内に導かれた酸化剤ガスＧｏは、仕切断熱板２２７ｂの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されているセルスタック１０１の外周面との間の隙間２３５ｂから、第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間の発電室２１５へと流出する。   A space formed by the casing 229b, the partition heat insulating plate 227b, and the tube plate 225b of the second cartridge header 220b forms an oxidant gas supply chamber 216. The casing 229 b is formed with an oxidant gas supply hole 233 b for guiding the oxidant gas Go from the oxidant gas supply pipe 330 to the oxidant gas supply chamber 216. The oxidant gas Go introduced into the oxidant gas supply chamber 216 is a gap between the inner peripheral surface of the through hole of the partition heat insulating plate 227b and the outer peripheral surface of the cell stack 101 inserted through the through hole. 235b flows out into the power generation chamber 215 between the first cartridge header 220a and the second cartridge header 220b.

第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間の発電室２１５には、複数のセルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置されている。このため、この発電室２１５では、燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとが電気化学的反応して、発電が行われる。なお、この発電室２１５で、セルスタック１０１の長手方向における中央部付近の温度は、燃料電池モジュールＭの定常運転時に、およそ７００℃〜１１００℃の高温雰囲気になる。また、この発電室２１５は、第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間であって、外周側が断熱材１６で囲まれた空間である。この断熱材１６は、例えば、アルミナシリカ系の材料で形成されている。   In the power generation chamber 215 between the first cartridge header 220a and the second cartridge header 220b, the fuel cells 105 of the plurality of cell stacks 101 are arranged. Therefore, in the power generation chamber 215, the fuel gas Gf and the oxidant gas Go react electrochemically to generate power. In this power generation chamber 215, the temperature near the center in the longitudinal direction of the cell stack 101 becomes a high temperature atmosphere of about 700 ° C. to 1100 ° C. during the steady operation of the fuel cell module M. The power generation chamber 215 is a space between the first cartridge header 220 a and the second cartridge header 220 b and surrounded on the outer peripheral side by the heat insulating material 16. The heat insulating material 16 is formed of, for example, an alumina silica material.

第一カートリッジヘッダ２２０ａのケーシング２２９ａと仕切断熱板２２７ａと管板２２５ａとで形成されている空間は、発電室２１５を通った酸化剤ガスＧｏが流入する酸化剤ガス排出室２１８を形成している。このケーシング２２９ａには、酸化剤ガス排出室２１８に流れ込んだ酸化剤ガスＧｏを酸化剤ガス排出配管３４０に導くための酸化剤ガス排出孔２３３ａが形成されている。発電室２１５中の酸化剤ガスＧｏは、仕切断熱板２２７ａの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されているセルスタック１０１の外周面との間の隙間２３５ａから酸化剤ガス排出室２１８内に流入した後、酸化剤ガス排出配管３４０を通って、圧力容器１０外へ排出される。   The space formed by the casing 229a, the partition heat insulating plate 227a, and the tube plate 225a of the first cartridge header 220a forms an oxidant gas discharge chamber 218 into which the oxidant gas Go that has passed through the power generation chamber 215 flows. . An oxidant gas discharge hole 233a for guiding the oxidant gas Go flowing into the oxidant gas discharge chamber 218 to the oxidant gas discharge pipe 340 is formed in the casing 229a. The oxidant gas Go in the power generation chamber 215 is discharged from the gap 235a between the inner peripheral surface of the through hole of the partition heat insulating plate 227a and the outer peripheral surface of the cell stack 101 inserted through the through hole. After flowing into 218, it is discharged out of the pressure vessel 10 through the oxidant gas discharge pipe 340.

発電室２１５の高温化に伴って、各カートリッジヘッダ２２０ａ，２２０ｂの管板２２５ａ，２２５ｂが高温化する。第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂの仕切断熱板２２７ａ，２２７ｂは、この管板２２５ａ，２２５ｂが高温化による強度低下や酸化剤ガスＧｏ中に含まれている酸化剤による腐食を抑える。さらに、この仕切断熱板２２７ａ，２２７ｂは、管板２２５ａ，２２５ｂの熱変形も抑える。   As the temperature of the power generation chamber 215 increases, the tube plates 225a and 225b of the cartridge headers 220a and 220b increase in temperature. The partition heat insulating plates 227a and 227b of the first cartridge header 220a and the second cartridge header 220b prevent the tube plates 225a and 225b from being deteriorated in strength due to high temperatures and corrosion due to the oxidizing agent contained in the oxidizing gas Go. Further, the partition heat insulating plates 227a and 227b suppress thermal deformation of the tube plates 225a and 225b.

前述したように、発電室２１５中の酸化剤ガスＧｏと、この発電室２１５に配置されている複数のセルスタック１０１の内側を通る燃料ガスＧｆとは、セルスタック１０１における複数の燃料電池セル１０５で電気化学反応する。この結果、複数の燃料電池セル１０５で発電が行われる。   As described above, the oxidant gas Go in the power generation chamber 215 and the fuel gas Gf passing through the inside of the plurality of cell stacks 101 arranged in the power generation chamber 215 are the plurality of fuel cells 105 in the cell stack 101. Electrochemical reaction with As a result, power generation is performed by the plurality of fuel cells 105.

複数の燃料電池セル１０５での発電で得られた直流電流は、複数の燃料電池セル１０５相互間に設けられているインターコネクタ１０７を経て、セルスタック１０１の端部側へ流れ、このセルスタック１０１のリード膜１１５に流れ込む。そして、この直流電流は、リード膜１１５から、集電板２４１ａ，２４１ｂを介して、カートリッジ２０１の集電棒２４２ａ，２４２ｂに流れ、カートリッジ２０１外部へ取り出される。複数の集電棒２４２ａ，２４２ｂは、互いに直列及び／又は並列接続されている。集電棒のうち、電流的に最も下流側の集電棒は、インバータ２１に接続されている。カートリッジ２０１外部に取り出された直流電流は、直列及び／又は並列接続されている複数の集電棒を経て、インバータ２１に流れ、ここで交流電流に変換されて、遮断器２２を介して、系統電力負荷２９へと供給される。   The direct current obtained by the power generation in the plurality of fuel cells 105 flows to the end side of the cell stack 101 via the interconnector 107 provided between the plurality of fuel cells 105, and this cell stack 101 Into the lead film 115. The direct current flows from the lead film 115 to the current collecting rods 242a and 242b of the cartridge 201 via the current collecting plates 241a and 241b, and is taken out of the cartridge 201. The plurality of current collecting rods 242a and 242b are connected in series and / or in parallel. Among the current collecting rods, the current collecting rod on the most downstream side is connected to the inverter 21. The direct current taken out of the cartridge 201 flows to the inverter 21 through a plurality of current collector rods connected in series and / or in parallel, where it is converted into an alternating current, and is connected to the system power via the circuit breaker 22. Supplied to load 29.

セルスタック１０１の内周側を流れる燃料ガスＧｆとセルスタック１０１の外周側を流れる酸化剤ガスＧｏとは、このセルスタック１０１を介して熱交換する。この結果、燃料ガスＧｆは、酸化剤ガスＧｏにより加熱され、酸化剤ガスＧｏは、逆に燃料ガスＧｆにより冷却される。本実施形態では、これら燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとがセルスタック１０１の内周側と外周側とを対向して流れる。このため、燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとの熱交換率が高まり、セルスタック１０１の上部において、燃料ガスＧｆによる酸化剤ガスＧｆの冷却効率、及び、セルスタック１０１の下部において、酸化剤ガスＧｏによる燃料ガスＧｆの冷却効率が高まる。よって、本実施形態において、酸化剤ガスＧｏは、第一カートリッジヘッダ２２０ａを形成する管板２２５ａ等が座屈変形等しない温度に冷却されてから、この第一カートリッジヘッダ２２０ａの酸化剤ガス排出室２１８に流れ込む。また、本実施形態において、燃料ガスＧｆは、発電室２１５内のセルスタック１０１内で、ヒータ等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温される。   The fuel gas Gf flowing on the inner peripheral side of the cell stack 101 and the oxidant gas Go flowing on the outer peripheral side of the cell stack 101 exchange heat through the cell stack 101. As a result, the fuel gas Gf is heated by the oxidant gas Go, and the oxidant gas Go is conversely cooled by the fuel gas Gf. In the present embodiment, the fuel gas Gf and the oxidant gas Go flow on the inner peripheral side and the outer peripheral side of the cell stack 101 facing each other. For this reason, the heat exchange rate between the fuel gas Gf and the oxidant gas Go is increased, the cooling efficiency of the oxidant gas Gf by the fuel gas Gf in the upper part of the cell stack 101, and the oxidant gas in the lower part of the cell stack 101. The cooling efficiency of the fuel gas Gf by Go increases. Therefore, in this embodiment, the oxidant gas Go is cooled to a temperature at which the tube plate 225a and the like forming the first cartridge header 220a are not buckled and deformed, and then the oxidant gas discharge chamber of the first cartridge header 220a. 218 flows into. In the present embodiment, the fuel gas Gf is preheated to a temperature suitable for power generation without using a heater or the like in the cell stack 101 in the power generation chamber 215.

なお、本実施形態では、燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとがセルスタック１０１の内周側と外周側とを対向して流れる、つまり燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとが逆向きに流れるが、必ずしもこの必要はなく、例えば、燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとがセルスタック１０１の内周側と外周側で同じ向きに流れてもよいし、酸化剤ガスＧｏが燃料ガスＧｆの流れに対して直交する方向に流れてもよい。   In the present embodiment, the fuel gas Gf and the oxidant gas Go flow oppositely on the inner peripheral side and the outer peripheral side of the cell stack 101, that is, the fuel gas Gf and the oxidant gas Go flow in opposite directions. However, this is not always necessary. For example, the fuel gas Gf and the oxidant gas Go may flow in the same direction on the inner peripheral side and the outer peripheral side of the cell stack 101, or the oxidant gas Go may flow into the fuel gas Gf. It may flow in a direction perpendicular to the direction.

本実施形態の燃料電池システムは、図１に示すように、さらに、燃料ガス供給配管３１０を通る燃料ガスＧｆの流量を調節する燃料ガス調節弁３１１と、酸化剤ガス供給配管３３０を通る酸化剤ガスＧｏの流量を調節する酸化剤ガス調節弁３３１と、各カートリッジ２０１が有している複数のセルスタック１０１を保護する保護装置５０と、を有している。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system of the present embodiment further includes a fuel gas control valve 311 for adjusting the flow rate of the fuel gas Gf passing through the fuel gas supply pipe 310 and an oxidant passing through the oxidant gas supply pipe 330. An oxidant gas control valve 331 that adjusts the flow rate of the gas Go and a protection device 50 that protects the plurality of cell stacks 101 included in each cartridge 201 are provided.

システム制御装置３０は、例えば、燃料ガス調節弁３１１、酸化剤ガス調節弁３３１、遮断器２２等に対して制御信号を出力する。また、システム制御装置３０は、保護装置５０に対して、発電開始指令、発電停止指令等の信号を出力する。   The system control device 30 outputs a control signal to, for example, the fuel gas control valve 311, the oxidant gas control valve 331, the circuit breaker 22, and the like. Further, the system control device 30 outputs a signal such as a power generation start command and a power generation stop command to the protection device 50.

保護装置５０は、図４に示すように、複数のセルスタック１０１に対して、電力を発生している際、すなわち発電状態のセルスタック１０１の極性と同じ極性の電圧を印加する電圧印加回路（電圧印加部）５１と、この電圧印加回路５１を制御する保護制御装置（保護制御部）６１と、を有している。   As shown in FIG. 4, the protection device 50 generates a voltage to a plurality of cell stacks 101, that is, a voltage application circuit that applies a voltage having the same polarity as the polarity of the cell stack 101 in a power generation state ( A voltage application unit) 51 and a protection control device (protection control unit) 61 for controlling the voltage application circuit 51.

電圧印加回路５１は、蓄電池５２と、蓄電池５２の正極と正極集電棒２４２ａとを電気的に接続する電線５３ａと、蓄電池５２の負極と負極集電棒２４２ｂとを電気的に接続する電線５３ｂと、いずれかの電線５３ａ，５３ｂを流れる電流を遮断するスイッチ５４と、を有している。   The voltage application circuit 51 includes a storage battery 52, an electric wire 53a that electrically connects the positive electrode of the storage battery 52 and the positive electrode current collector rod 242a, an electric wire 53b that electrically connects the negative electrode of the storage battery 52 and the negative electrode current collector rod 242b, And a switch 54 that cuts off a current flowing through one of the electric wires 53a and 53b.

保護制御装置６１は、システム制御装置３０からの発電開始指令や発電停止指令等の信号が入力する入力部６２と、入力部６２が受け付けた信号に応じてスイッチ５４の動作を制御する印加電圧制御部６３と、を有している。   The protection control device 61 includes an input unit 62 to which a signal such as a power generation start command and a power generation stop command from the system control device 30 is input, and an applied voltage control that controls the operation of the switch 54 according to the signal received by the input unit 62. Part 63.

セルスタック１０１では、前述したように、燃料ガスＧｆの改質で得られた水素（H２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１から供給された酸素イオン（Ｏ２−）とが反応し、水蒸気（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）が生成される。この水蒸気の一部は、燃料極１１２において、燃焼ガスＧｆに含まれているメタン（ＣＨ４）等の炭化水素と反応し、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）の生成に利用される。二酸化炭素や一部の水蒸気等は、改質されなかった燃料ガスＧｆと混ざって燃料ガス排出配管３２０を介して、燃料電池モジュールＭの外部に流出する。 In the cell stack 101, as described above, hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) obtained by reforming the fuel gas Gf and oxygen ions (O 2− ) supplied from the solid electrolyte 111 are contained. Reacts to produce water vapor (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ). A part of this water vapor reacts with hydrocarbons such as methane (CH 4 ) contained in the combustion gas Gf at the fuel electrode 112 and is used to generate hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO). The Carbon dioxide, a part of water vapor, etc. are mixed with the unreformed fuel gas Gf and flow out of the fuel cell module M through the fuel gas discharge pipe 320.

ここで、系統電力負荷２９になんらかの事故等が生じる等で、燃料電池モジュールＭと系統電力負荷２９とを電気的に接続している遮断器２２が開き、燃料電池モジュールＭから系統電力負荷２９への電力供給が遮断される。この場合、燃料電池モジュールＭでの発電が停止する。すなわち、燃料電池モジュールＭのセルスタック１０１において、燃料ガスＧｆの改質で得られた水素（H２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１から供給された酸素イオン（Ｏ２−）との反応が停止する。この結果、この反応で生成されていた水蒸気（Ｈ２Ｏ）が生成されなくなる。水蒸気（Ｈ２Ｏ）が生成されなくなると、燃料極１１２において、燃料ガスＧｆと水蒸気との反応による水素（Ｈ２）が生成されなくなり、燃料極１１２周りの雰囲気が還元雰囲気でなくなる。この結果、セルスタック１０１中の燃料極１１２が酸化して損傷するおそれが生じる。 Here, the circuit breaker 22 electrically connecting the fuel cell module M and the system power load 29 is opened due to some accident or the like occurring in the system power load 29, and the fuel cell module M is connected to the system power load 29. Is interrupted. In this case, power generation in the fuel cell module M is stopped. That is, in the cell stack 101 of the fuel cell module M, hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) obtained by reforming the fuel gas Gf and oxygen ions (O 2− ) supplied from the solid electrolyte 111. Reaction with. As a result, water vapor (H 2 O) generated by this reaction is not generated. When water vapor (H 2 O) is no longer generated, hydrogen (H 2 ) is no longer generated at the fuel electrode 112 due to the reaction between the fuel gas Gf and water vapor, and the atmosphere around the fuel electrode 112 is not a reducing atmosphere. As a result, the fuel electrode 112 in the cell stack 101 may be oxidized and damaged.

燃料極１１２等は、前述したように、Ｎｉを含む複合材料で形成されている。燃料極１１２周りの雰囲気が還元雰囲気でなくなると、この燃料極１１２を形成しているＮｉが酸化し、ＮｉＯとなる。この結果、燃料極１１２等が損傷する。   As described above, the fuel electrode 112 and the like are formed of a composite material containing Ni. When the atmosphere around the fuel electrode 112 is no longer a reducing atmosphere, Ni forming the fuel electrode 112 is oxidized and becomes NiO. As a result, the fuel electrode 112 and the like are damaged.

セルスタック１０１での発電が停止すると、図５に示すように、セルスタック１０１の電圧が急激に低下する。そして、セルスタック１０１の電圧がある値Ｖｏになると、この電圧値Ｖｏをほぼ維持した状態がしばらく続く。その後、セルスタック１０１の電圧は、再び、急激に低下する。この電圧の急激な低下は、セルスタック１０１の緻密膜が損傷し、空気極１１３側の空気が燃料極１１２側に侵入することで生じる電圧低下であり、セルスタック１０１の損傷を示唆している。   When the power generation in the cell stack 101 is stopped, the voltage of the cell stack 101 rapidly decreases as shown in FIG. When the voltage of the cell stack 101 reaches a certain value Vo, the state where the voltage value Vo is substantially maintained continues for a while. Thereafter, the voltage of the cell stack 101 rapidly decreases again. This sudden drop in voltage is a voltage drop caused by damage to the dense membrane of the cell stack 101 and air on the air electrode 113 side entering the fuel electrode 112 side, suggesting damage to the cell stack 101. .

セルスタック１０１の電圧がある値Ｖｏになっているとき、以下の式に示すように、Ｎｉの酸化反応と、ＮｉＯの還元反応とが平衡状態になっている。燃料極１１２側の酸素分圧は、下記の平衡状態で決定されるため、電圧値（この電圧値Ｖｏを平衡電圧値Ｖｏとする）は一定状態となる。但し、この状態においても、図２に示すように、酸化剤ガスＧｆ中の酸素Ｏ２が空気極１１３側から燃料極１１２側に僅かに侵入している。この酸素による燃料極１１２の酸化量が、一定量以上になると、燃料極１１２の酸化膨張量によって生じる応力に緻密膜の強度が耐えられなくなり、セルスタック１０１が損傷する。ただ、平衡状態では、酸素侵入量は非常に少なく燃料極１１２をすべて酸化させるまでには至らない。この際の燃料極１１２側の酸素分圧は、下記の平衡で決定し、その電圧の値は、平衡電圧値Ｖｏとなる。
２Ｎｉ＋Ｏ２⇔２ＮｉＯ When the voltage of the cell stack 101 is a certain value Vo, the oxidation reaction of Ni and the reduction reaction of NiO are in an equilibrium state as shown in the following equation. Since the oxygen partial pressure on the fuel electrode 112 side is determined in the following equilibrium state, the voltage value (this voltage value Vo is set to the equilibrium voltage value Vo) is constant. However, even in this state, as shown in FIG. 2, oxygen O 2 in the oxidant gas Gf slightly enters the fuel electrode 112 side from the air electrode 113 side. When the amount of oxidation of the fuel electrode 112 by oxygen exceeds a certain amount, the strength of the dense film cannot withstand the stress generated by the amount of oxidative expansion of the fuel electrode 112, and the cell stack 101 is damaged. However, in the equilibrium state, the amount of oxygen intrusion is very small, and the fuel electrode 112 is not completely oxidized. The oxygen partial pressure on the fuel electrode 112 side at this time is determined by the following balance, and the value of the voltage becomes the balanced voltage value Vo.
2Ni + O2⇔2NiO

ここで、セルスタック１０１での発電が停止しても、セルスタック１０１の電圧の値を平衡電圧値Ｖｏ以上に維持することができれば、酸素イオンは発電時と逆方向の、アノード（燃料極１１２）からカソード（空気極１１３）に流れることになり、アノードの酸素分圧は低く抑えられるので、Ｎｉは還元状態で維持できる。従って、燃料極１１２の酸化によるセルスタック１０１の損傷を防ぐことができる。そこで、本実施形態の保護装置５０では、システム制御装置３０から運転停止指令が出力されると、セルスタック１０１に対して、電力を発生している際、すなわち発電状態のセルスタック１０１の極性と同じ極性の電圧を印加する。具体的に、保護制御装置６１の入力部６２は、システム制御装置３０からの運転停止指令を受け付けると、その旨を保護制御装置６１の印加電圧制御部６３に通知する。印加電圧制御装置は、その旨の通知を受け取ると、セルスタック１０１での発電停止を検知し（検知工程）、電圧印加回路５１のスイッチ５４を閉じる、つまり、蓄電池５２とセルスタック１０１との間を電気的に接続状態にする。蓄電池５２とセルスタック１０１との間が電気的に接続状態になると、セルスタック１０１の正極（＋）に蓄電池５２の正極（＋）の電位がかかり、セルスタック１０１の負極（−）に蓄電池５２の負極（−）の電位がかかる（電圧印加工程）。結果として、セルスタック１０１の電圧の値は、蓄電池５２の電圧の値になり、平衡電圧値Ｖｏ以上に維持され、酸化によるセルスタック１０１の損傷を防ぐことができる。   Here, even if power generation in the cell stack 101 is stopped, if the voltage value of the cell stack 101 can be maintained at or above the equilibrium voltage value Vo, oxygen ions are in the anode (fuel electrode 112) in the opposite direction to that during power generation. ) To the cathode (air electrode 113), and the oxygen partial pressure of the anode is kept low, so that Ni can be maintained in a reduced state. Therefore, damage to the cell stack 101 due to oxidation of the fuel electrode 112 can be prevented. Therefore, in the protection device 50 of the present embodiment, when an operation stop command is output from the system control device 30, when the power is generated to the cell stack 101, that is, the polarity of the cell stack 101 in the power generation state Apply the same polarity voltage. Specifically, when receiving the operation stop command from the system control device 30, the input unit 62 of the protection control device 61 notifies the applied voltage control unit 63 of the protection control device 61 to that effect. Upon receiving the notification to that effect, the applied voltage control device detects the stop of power generation in the cell stack 101 (detection step), and closes the switch 54 of the voltage application circuit 51, that is, between the storage battery 52 and the cell stack 101. Is electrically connected. When the storage battery 52 and the cell stack 101 are electrically connected, the potential of the positive electrode (+) of the storage battery 52 is applied to the positive electrode (+) of the cell stack 101 and the storage battery 52 is connected to the negative electrode (−) of the cell stack 101. The potential of the negative electrode (-) is applied (voltage application step). As a result, the value of the voltage of the cell stack 101 becomes the value of the voltage of the storage battery 52 and is maintained to be equal to or higher than the equilibrium voltage value Vo, and damage to the cell stack 101 due to oxidation can be prevented.

ここで、図７及び図８を用いて、本実施形態の燃料電池システムの発電状態及び発電停止状態での電子の流れについて、簡単に説明する。   Here, the flow of electrons in the power generation state and the power generation stop state of the fuel cell system of this embodiment will be briefly described with reference to FIGS. 7 and 8.

まず、図６を用いて、燃料電池システムの発電状態での電子の流れについて説明する。発電状態では、保護装置５０におけるスイッチ５４が開状態で、遮断器２２が閉状態である。この発電状態では、前述したように、空気極（カソード）１１３で固体電解質１１１との界面付近において、供給される酸化剤ガスＧｏ中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ２−）が生成される。固体電解質１１１では、空気極１１３で生成された酸素イオン（Ｏ２−）が燃料極１１２に移動する。燃料極（アノード）１１２では、固体電解質１１１との界面付近において、改質により得られた水素（Ｈ２）等と固体電解質１１１から供給された酸素イオン（Ｏ２−）との反応過程で、酸素イオン（Ｏ２−）から電子（ｅ−）が放出される。よって、燃料電池セル１０５内では、空気極（カソード）１１３側から燃料極（アノード）１１２側に電子（ｅ−）が移動する。言い換えると、燃料電池セル１０５内では、燃料極（アノード）１１２側から空気極（カソード）１１３側へ電流が流れる。この電流は、遮断器２２を経て、系統電力負荷２９に流れる。なお、図１を用いて説明したように、本実施形態の場合、系統電力負荷２５の前段にインバータ２１が設けられているため、系統電力負荷２９には交流電流が供給される。 First, the flow of electrons in the power generation state of the fuel cell system will be described with reference to FIG. In the power generation state, the switch 54 in the protection device 50 is in an open state, and the circuit breaker 22 is in a closed state. In this power generation state, as described above, oxygen ions (O 2− ) are generated by dissociating oxygen in the supplied oxidant gas Go in the vicinity of the interface with the solid electrolyte 111 at the air electrode (cathode) 113. The In the solid electrolyte 111, oxygen ions (O 2− ) generated at the air electrode 113 move to the fuel electrode 112. In the fuel electrode (anode) 112, in the vicinity of the interface with the solid electrolyte 111, hydrogen (H 2 ) or the like obtained by reforming and oxygen ions (O 2− ) supplied from the solid electrolyte 111 are reacted. Electrons (e − ) are released from oxygen ions (O 2− ). Therefore, in the fuel cell 105, electrons (e − ) move from the air electrode (cathode) 113 side to the fuel electrode (anode) 112 side. In other words, in the fuel cell 105, a current flows from the fuel electrode (anode) 112 side to the air electrode (cathode) 113 side. This current flows to the system power load 29 via the circuit breaker 22. As described with reference to FIG. 1, in the case of the present embodiment, the inverter 21 is provided in the previous stage of the system power load 25, so that an AC current is supplied to the system power load 29.

次に、図７を用いて、燃料電池システムの発電停止状態での電子の流れについて説明する。発電状態から発電停止状態になると、遮断器２２が閉状態になる一方で、保護装置５０におけるスイッチ５４が開状態になる。このため、保護装置５０における蓄電池５２の負極からの電子（ｅ−）が、電線５３ｂを経て、燃料電池セル１０５の燃料極（アノード）１１２へ移動する。この電子（ｅ−）は、固体電解質１１１を経て、空気極（カソード）１１３へ移動する。よって、燃料電池セル１０５内では、燃料極（アノード）１１２側から空気極（カソード）１１３側に電子（ｅ−）が移動する。 Next, the flow of electrons in the power generation stop state of the fuel cell system will be described with reference to FIG. When the power generation state is changed to the power generation stop state, the circuit breaker 22 is closed and the switch 54 in the protection device 50 is opened. For this reason, electrons (e − ) from the negative electrode of the storage battery 52 in the protection device 50 move to the fuel electrode (anode) 112 of the fuel cell 105 through the electric wire 53b. The electrons (e − ) move to the air electrode (cathode) 113 through the solid electrolyte 111. Therefore, in the fuel cell 105, electrons (e − ) move from the fuel electrode (anode) 112 side to the air electrode (cathode) 113 side.

ところで、蓄電池５２の電圧の値は、平衡電圧値Ｖｏ以上である必要がある。この平衡電圧値Ｖｏは、図６に示すように、セルスタック１０１の温度が高まるに連れて次第に低下する。そこで、本実施形態では、セルスタック１０１が如何なる温度のときでも、セルスタック１０１に対して平衡電圧値Ｖｏ以上の電圧を印加できるように、蓄電池５２として、温度の関係で最も高いときの平衡電圧値Ｖｏよりも高い電圧値Ｖａの蓄電池５２を用いている。   By the way, the voltage value of the storage battery 52 needs to be equal to or higher than the balanced voltage value Vo. As shown in FIG. 6, the balanced voltage value Vo gradually decreases as the temperature of the cell stack 101 increases. Therefore, in the present embodiment, as the storage battery 52, the equilibrium voltage when the cell stack 101 is highest in relation to the temperature so that a voltage equal to or higher than the equilibrium voltage value Vo can be applied to the cell stack 101 at any temperature. A storage battery 52 having a voltage value Va higher than the value Vo is used.

保護制御装置６１の入力部６２は、システム制御装置３０から運転開始指令を受け付けると、その旨を保護制御装置６１の印加電圧制御部６３に通知する。印加電圧制御装置は、その旨の通知を受け取ると、セルスタック１０１での発電開始を検知し、電圧印加回路５１のスイッチ５４を開く、つまり、蓄電池５２とセルスタック１０１との間を電気的に切断状態にする。蓄電池５２とセルスタック１０１との間が電気的に切断状態になると、蓄電池５２からセルスタック１０１への電圧の印加が終了する。   When receiving the operation start command from the system control device 30, the input unit 62 of the protection control device 61 notifies the applied voltage control unit 63 of the protection control device 61 to that effect. Upon receiving the notification to that effect, the applied voltage control device detects the start of power generation in the cell stack 101 and opens the switch 54 of the voltage application circuit 51, that is, electrically connects the storage battery 52 and the cell stack 101. Set to disconnected state. When the storage battery 52 and the cell stack 101 are electrically disconnected, the voltage application from the storage battery 52 to the cell stack 101 ends.

以上のように、本実施形態では、セルスタック１０１での発電が停止すると、直ちに、このセルスタック１０１に対して、平衡電圧値Ｖｏ以上の電圧がセルスタック１０１に印加されるので、酸化によるセルスタック１０１の損傷を防ぐことができる。   As described above, in this embodiment, when power generation in the cell stack 101 is stopped, a voltage equal to or higher than the equilibrium voltage value Vo is immediately applied to the cell stack 101, so that the cell due to oxidation Damage to the stack 101 can be prevented.

さらに、本実施形態では、基本的には、電気的な回路構成でセルスタック１０１の損傷を防ぐことができるので、特許文献１に記載の技術のように多数の機器等の設置が不要となり、設備コストを抑えることができる。   Furthermore, in the present embodiment, basically, since the cell stack 101 can be prevented from being damaged by an electric circuit configuration, it is not necessary to install a large number of devices as in the technique described in Patent Document 1, Equipment costs can be reduced.

「第二実施形態」
次に、本発明に係る燃料電池システムの第二実施形態について、図９及び図１０を参照して説明する。なお、本実施形態及び以下の第三実施形態の燃料電池システムは、第一実施形態の燃料電池システムと比較して、セルスタック１０１の保護装置が主として異なっている。このため、以下では、この保護装置について主として説明する。 "Second embodiment"
Next, a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, the fuel cell system of this embodiment and the following third embodiment mainly differs from the fuel cell system of the first embodiment in the protection device for the cell stack 101. Therefore, in the following, this protection device will be mainly described.

本実施形態の保護装置５０ａは、図９に示すように、第一実施形態の保護装置５０と同様、電圧印加回路（電圧印加部）５１ａと、保護制御装置（保護制御部）６１ａと、を有している。本実施形態の保護装置５０ａは、さらに、セルスタック１０１周りの温度を検知する温度計５８を有している。   As shown in FIG. 9, the protection device 50a of the present embodiment includes a voltage application circuit (voltage application unit) 51a and a protection control device (protection control unit) 61a, as in the protection device 50 of the first embodiment. Have. The protection device 50 a of this embodiment further includes a thermometer 58 that detects the temperature around the cell stack 101.

電圧印加回路５１ａは、蓄電池５２と、蓄電池５２の正極と正極集電棒２４２ａとを電気的に接続する電線５３ａと、蓄電池５２の負極と負極集電棒２４２ｂとを電気的に接続する電線５３ｂと、いずれかの電線５３ａ，５３ｂを流れる電流を遮断するスイッチ５４と、いずれかの電線５３ａ，５３ｂ中に設けられている可変抵抗器（電圧調節部）５５と、を有している。   The voltage application circuit 51a includes a storage battery 52, an electric wire 53a that electrically connects the positive electrode of the storage battery 52 and the positive electrode current collector rod 242a, an electric wire 53b that electrically connects the negative electrode of the storage battery 52 and the negative electrode current collector rod 242b, The switch 54 which interrupts | blocks the electric current which flows through either electric wire 53a, 53b, and the variable resistor (voltage adjustment part) 55 provided in either electric wire 53a, 53b are provided.

保護制御装置６１ａは、システム制御装置３０からの発電開始指令や発電停止指令等の信号が入力する入力部６２ａと、入力部６２ａが受け付けた信号に応じてスイッチ５４及び可変抵抗器５５の動作を制御する印加電圧制御部６３ａと、を有している。前述した温度計５８で検知された温度は、保護制御装置６１ａの入力部６２ａに入力する。   The protection control device 61a operates the switch 54 and the variable resistor 55 according to the input unit 62a to which a signal such as a power generation start command or a power generation stop command from the system control device 30 is input, and the signal received by the input unit 62a. And an applied voltage control unit 63a to be controlled. The temperature detected by the thermometer 58 described above is input to the input unit 62a of the protection control device 61a.

本実施形態でも、第一実施形態と同様に、保護制御装置６１ａの入力部６２ａは、システム制御装置３０から運転停止指令を受け付けると、その旨を保護制御装置６１ａの印加電圧制御部６３ａに通知する。印加電圧制御部６３ａは、その旨の通知を受け取ると、電圧印加回路５１ａのスイッチ５４を閉じと共に、可変抵抗器５５の抵抗値を調節する。   Also in the present embodiment, as in the first embodiment, when the input unit 62a of the protection control device 61a receives an operation stop command from the system control device 30, it notifies the applied voltage control unit 63a of the protection control device 61a to that effect. To do. Upon receiving the notification to that effect, the applied voltage control unit 63a closes the switch 54 of the voltage application circuit 51a and adjusts the resistance value of the variable resistor 55.

セルスタック１０１に印加する電圧は、前述したように、平衡電圧値Ｖｏ以上であれば、セルスタック１０１の酸化を防ぐことができる。この平衡電圧値Ｖｏは、図６を用いて前述したように、セルスタック１０１の温度が高まるに連れて次第に低下する。そこで、本実施形態では、図８に示すように、セルスタック１０１の温度毎に、その温度での平衡電圧値Ｖｏよりわずかに高い電圧値を印加電圧値Ｖｉとして定めている。   As described above, if the voltage applied to the cell stack 101 is equal to or higher than the equilibrium voltage value Vo, oxidation of the cell stack 101 can be prevented. As described above with reference to FIG. 6, the balanced voltage value Vo gradually decreases as the temperature of the cell stack 101 increases. Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 8, for each temperature of the cell stack 101, a voltage value slightly higher than the equilibrium voltage value Vo at that temperature is determined as the applied voltage value Vi.

本実施形態の印加電圧制御部６３ａは、図１０に示す温度と印加電圧値Ｖｉとの関係情報６４を持っている。印加電圧制御部６３ａは、この関係情報６４を用いて、温度計５８で検知された温度に対応する印加電圧値Ｖｉを定め、この値Ｖｉの電圧がセルスタック１０１に印加させるよう、可変抵抗器５５の抵抗値を調節する。   The applied voltage control unit 63a of the present embodiment has relationship information 64 between the temperature and the applied voltage value Vi shown in FIG. The applied voltage control unit 63a uses this relationship information 64 to determine an applied voltage value Vi corresponding to the temperature detected by the thermometer 58 and to apply a voltage of this value Vi to the cell stack 101. The resistance value of 55 is adjusted.

従って、本実施形態では、セルスタック１０１の温度に応じて変化する平衡電圧値Ｖｏよりも僅かに高い印加電圧値Ｖｉの電圧がセルスタック１０１に印加される。このため、本実施形態では、酸化によるセルスタック１０１の損傷を確実に防ぐことができると共に、蓄電池５２の電力消費量を抑えることができる。   Therefore, in the present embodiment, a voltage having an applied voltage value Vi slightly higher than the equilibrium voltage value Vo that changes according to the temperature of the cell stack 101 is applied to the cell stack 101. For this reason, in this embodiment, while being able to prevent damage to the cell stack 101 by oxidation reliably, the power consumption of the storage battery 52 can be suppressed.

また、本実施形態でも、保護制御装置６１ａの入力部６２ａがシステム制御装置３０から運転開始指令を受け付けると、保護制御装置６１ａの印加電圧制御部６３ａが電圧印加回路５１ａのスイッチ５４を開く。さらに、本実施形態では、温度計５８で検知された温度が予め定められた温度、例えば、１００℃以下になっても、印加電圧制御部６３ａが電圧印加回路５１ａのスイッチ５４を開く。   Also in this embodiment, when the input unit 62a of the protection control device 61a receives an operation start command from the system control device 30, the applied voltage control unit 63a of the protection control device 61a opens the switch 54 of the voltage application circuit 51a. Furthermore, in this embodiment, even when the temperature detected by the thermometer 58 becomes a predetermined temperature, for example, 100 ° C. or less, the applied voltage control unit 63a opens the switch 54 of the voltage applying circuit 51a.

セルスタック１０１又はその周りの温度がある温度以下になると、セルスタック１０１における燃料極１１２周りの雰囲気が還元雰囲気でなくても、燃料極１１２での酸化反応が進行しなくなる。そこで、本実施形態では、燃料極１１２での酸化反応が進行しなくなる温度（例えば、１００℃）以下になると、印加電圧制御部６３ａが電圧印加回路５１ａのスイッチ５４を開く、つまり、蓄電池５２とセルスタック１０１との間を電気的に切断状態にする。従って、本実施形態では、セルスタック１０１に対する電圧印加時間が短縮化される。よって、本実施形態では、この観点からも蓄電池５２の消費電力を抑えることができる。   When the temperature of the cell stack 101 or the surrounding temperature becomes a certain temperature or less, the oxidation reaction in the fuel electrode 112 does not proceed even if the atmosphere around the fuel electrode 112 in the cell stack 101 is not a reducing atmosphere. Therefore, in the present embodiment, when the temperature becomes equal to or lower than the temperature at which the oxidation reaction at the fuel electrode 112 does not proceed (for example, 100 ° C.), the applied voltage control unit 63a opens the switch 54 of the voltage application circuit 51a. The cell stack 101 is electrically disconnected. Therefore, in this embodiment, the voltage application time for the cell stack 101 is shortened. Therefore, in this embodiment, the power consumption of the storage battery 52 can be suppressed also from this viewpoint.

なお、本実施形態の印加電圧制御部６３ａは、温度と印加電圧値Ｖｉとの関係情報６４を持っているが、この替りに、温度と可変抵抗器５５の抵抗値との関係情報、又は温度と可変抵抗器５５に対する駆動指令の値との関係情報を持っていてもよい。すなわち、印加電圧制御部６３ａは、印加電圧値Ｖｉと相関関係のある可変抵抗器５５での調整の値と温度との関係情報を持っていればよい。   In addition, although the applied voltage control part 63a of this embodiment has the relationship information 64 of temperature and the applied voltage value Vi, it replaces with this, the relationship information of temperature and the resistance value of the variable resistor 55, or temperature And information on the drive command value for the variable resistor 55 may be included. In other words, the applied voltage control unit 63a only needs to have the relationship information between the value of the adjustment in the variable resistor 55 and the temperature correlated with the applied voltage value Vi.

「第三実施形態」
次に、本発明に係る燃料電池システムの第三実施形態について、図１１を参照して説明する。 "Third embodiment"
Next, a third embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIG.

本実施形態の保護装置５０ｂは、第二実施形態の保護装置５０ａと同様に、電圧印加回路（電圧印加部）５１ａと、保護制御装置（保護制御部）６１ｂと、温度計５８と、を有している。本実施形態の保護装置５０ｂは、さらに、セルスタック１０１の電圧値を検知する電圧計５９を有している。   Similar to the protection device 50a of the second embodiment, the protection device 50b of the present embodiment includes a voltage application circuit (voltage application unit) 51a, a protection control device (protection control unit) 61b, and a thermometer 58. doing. The protection device 50 b of this embodiment further includes a voltmeter 59 that detects the voltage value of the cell stack 101.

本実施形態の電圧印加回路５１ａは、第二実施形態の電圧印加回路５１ａと同一である。   The voltage application circuit 51a of this embodiment is the same as the voltage application circuit 51a of the second embodiment.

保護制御装置６１ｂは、システム制御装置３０からの発電開始指令や発電停止指令等の信号が入力する入力部６２ｂと、入力部６２ｂが受け付けた信号に応じてスイッチ５４及び可変抵抗器５５の動作を制御する印加電圧制御部６３ｂと、を有している。前述した電圧計５９で検知された電圧値は、温度計５８で検知された温度と同様に、保護制御装置６１ｂの入力部６２ｂに入力する。この印加電圧制御部６３ｂは、第二実施形態の印加電圧制御部６３ａと同様に、セルスタック１０１の温度と印加電圧値Ｖｉとの関係情報６４を持っている。   The protection control device 61b operates the switch 54 and the variable resistor 55 according to the input unit 62b to which a signal such as a power generation start command or a power generation stop command from the system control device 30 is input, and the signal received by the input unit 62b. And an applied voltage control unit 63b to be controlled. Similar to the temperature detected by the thermometer 58, the voltage value detected by the voltmeter 59 is input to the input unit 62b of the protection control device 61b. Similar to the applied voltage control unit 63a of the second embodiment, the applied voltage control unit 63b has relationship information 64 between the temperature of the cell stack 101 and the applied voltage value Vi.

本実施形態でも、第二実施形態と同様に、保護制御装置６１ｂの入力部６２ｂは、システム制御装置３０から運転停止指令を受け付けると、その旨を保護制御装置６１ｂの印加電圧制御部６３ｂに通知する。印加電圧制御部６３ｂは、その旨の通知を受け取ると、電圧印加回路５１ａのスイッチ５４を閉じと共に、可変抵抗器５５の抵抗値をセルスタック１０１の温度に応じて調節する。この際、本実施形態の印加電圧制御部６３ｂは、入力部６２ｂが受け付けた電圧値が、セルスタック１０１の温度に応じた印加電圧値Ｖｉになるよう、可変抵抗器５５の抵抗値を調節する。すなわち、第二実施形態では、可変抵抗器５５の抵抗値をフィードフォワード制御で調節するが、本実施形態ではフィードバック制御で調節する。   Also in this embodiment, as in the second embodiment, when the input unit 62b of the protection control device 61b receives an operation stop command from the system control device 30, it notifies the applied voltage control unit 63b of the protection control device 61b to that effect. To do. Upon receiving the notification to that effect, the applied voltage control unit 63 b closes the switch 54 of the voltage application circuit 51 a and adjusts the resistance value of the variable resistor 55 according to the temperature of the cell stack 101. At this time, the applied voltage control unit 63b of the present embodiment adjusts the resistance value of the variable resistor 55 so that the voltage value received by the input unit 62b becomes the applied voltage value Vi corresponding to the temperature of the cell stack 101. . That is, in the second embodiment, the resistance value of the variable resistor 55 is adjusted by feedforward control, but in this embodiment, it is adjusted by feedback control.

従って、本実施形態では、セルスタック１０１の電圧の値を第二実施形態よりも正確に制御することができる。このため、本実施形態の印加電圧制御部６３ｂが持っているセルスタック１０１の温度と印加電圧値Ｖｉとの関係情報６４において、セルスタック１０１の温度毎の印加電圧値Ｖｉを、第二実施形態の印加電圧値Ｖｉよりも平衡電圧値Ｖｏに近い値、つまりより低い値にすることができる。よって、本実施形態では、蓄電池５２の消費電力を第二実施形態よりも抑えることができる。   Therefore, in this embodiment, the voltage value of the cell stack 101 can be controlled more accurately than in the second embodiment. For this reason, in the relationship information 64 between the temperature of the cell stack 101 and the applied voltage value Vi possessed by the applied voltage control unit 63b of the present embodiment, the applied voltage value Vi for each temperature of the cell stack 101 is set to the second embodiment. The applied voltage value Vi can be a value closer to the equilibrium voltage value Vo, that is, a lower value. Therefore, in this embodiment, the power consumption of the storage battery 52 can be suppressed more than in the second embodiment.

なお、本実施形態でも、第二実施形態と同様、保護制御装置６１ｂの入力部６２ｂがシステム制御装置３０からの運転開始指令を受け付けるか、入力部６２ｂが受け付けた温度が予め定められた温度以下になると、電圧印加回路５１ａのスイッチ５４を開き、セルスタック１０１への電圧印加を停止する。   In this embodiment as well, as in the second embodiment, the input unit 62b of the protection control device 61b receives an operation start command from the system control device 30, or the temperature received by the input unit 62b is equal to or lower than a predetermined temperature. Then, the switch 54 of the voltage application circuit 51a is opened and the voltage application to the cell stack 101 is stopped.

また、本実施形態の保護装置５０ｂは、温度計５８を有しているが、この温度計５８はなくてもよい。この場合、保護制御装置は、電圧計５９で検知される電圧の値が予め定められた値以上になるよう、可変抵抗器５５の抵抗値を調節する。この予め定められた値は、セルスタック１０１の温度の関係で最も高いときの平衡電圧値Ｖｏよりも僅かに高い値である。   Moreover, although the protection apparatus 50b of this embodiment has the thermometer 58, this thermometer 58 does not need to be. In this case, the protection control device adjusts the resistance value of the variable resistor 55 so that the voltage value detected by the voltmeter 59 is equal to or greater than a predetermined value. This predetermined value is slightly higher than the equilibrium voltage value Vo when the cell stack 101 has the highest temperature.

「変形例」
第一実施形態では、保護制御装置６１の入力部６２がシステム制御装置３０から運転開始指令を受け付けたときのみ、セルスタック１０１への電圧印加を停止する。しかしながら、この第一実施形態において、温度計を設け、入力部が受け付けた温度が予め定められた温度以下になったときも、セルスタック１０１への電圧印加を停止するようにしてもよい。 "Modification"
In the first embodiment, voltage application to the cell stack 101 is stopped only when the input unit 62 of the protection control device 61 receives an operation start command from the system control device 30. However, in the first embodiment, a thermometer may be provided, and voltage application to the cell stack 101 may be stopped when the temperature received by the input unit is equal to or lower than a predetermined temperature.

第二及び第三実施形態では、カートリッジ２０１の燃料ガス供給室２１７内の温度を温度計５８で検知することで、セルスタック１０１の温度を間接的に検知している。しかしながら、燃料ガス排出室２１９や発電室２１５等内の温度を温度計で検知して、この温度をセルスタック１０１の温度としてもよい。また、温度計の端子をセルスタック１０１に接触させて、セルスタック１０１の温度を直接検知してもよい。   In the second and third embodiments, the temperature of the cell stack 101 is indirectly detected by detecting the temperature in the fuel gas supply chamber 217 of the cartridge 201 with the thermometer 58. However, the temperature in the fuel gas discharge chamber 219, the power generation chamber 215, etc. may be detected by a thermometer, and this temperature may be used as the temperature of the cell stack 101. Alternatively, the temperature of the cell stack 101 may be directly detected by bringing a thermometer terminal into contact with the cell stack 101.

また、以上の各実施形態では、いずれも、運転停止指令を受けると、セルスタック１０１での発電が停止したと検知して、セルスタック１０１に電圧を印加する。しかしながら、以上の各実施形態において、セルスタックの電圧を検知する電圧計を設け、この電圧計で検知された電圧値が予め定められた値よりも低下すると、セルスタック１０１での発電が停止したと検知して、セルスタック１０１に電圧を印加するようにしてもよい。   In each of the above embodiments, when an operation stop command is received, it is detected that power generation in the cell stack 101 has stopped, and a voltage is applied to the cell stack 101. However, in each of the above embodiments, a voltmeter for detecting the voltage of the cell stack is provided, and when the voltage value detected by the voltmeter falls below a predetermined value, power generation in the cell stack 101 is stopped. And a voltage may be applied to the cell stack 101.

また、以上の各実施形態では、いずれも、集電棒２４２ａ，２４２ｂに保護装置の電線５３ａ，５３ｂを接続しているが、集電板２４１ａ，２４１ｂに保護装置の電線５３ａ，５３ｂを接続してもよい。   Further, in each of the embodiments described above, the protective device wires 53a and 53b are connected to the current collector rods 242a and 242b, but the protective device wires 53a and 53b are connected to the current collector plates 241a and 241b. Also good.

また、以上の各実施形態では、いずれも、セルスタック１０１が円筒状であるが、その他の形状、例えば、板状であってもよい。   Further, in each of the above embodiments, the cell stack 101 is cylindrical, but may have other shapes, for example, a plate shape.

１０１：セルスタック、１０５：燃料電池セル、１１２：燃料極、２０１：カートリッジ、２４１ａ，２４１ｂ：集電板、２４１ａ：正極集電板、２４１ｂ：負極集電板、２４２ａ，２４２ｂ：集電棒、２４２ａ：正極集電棒、２４２ｂ：負極集電棒、１０：圧力容器、２９：遮断器、３０：システム制御装置、５０,５０ａ，５０ｂ：保護装置、５１，５１ａ：電圧印加回路（電圧印加部）、５２：蓄電池、５４：スイッチ、５５：可変抵抗器（電圧調節部）、５８：温度計、５９：電圧計、６１,６１ａ，６１ｂ：保護制御装置（保護制御部）、６２，６２ａ，６２ｂ：入力部、６３，６３ａ，６３ｂ：印加電圧制御部、６４：関係情報   101: cell stack, 105: fuel cell, 112: fuel electrode, 201: cartridge, 241a, 241b: current collecting plate, 241a: positive current collecting plate, 241b: negative current collecting plate, 242a, 242b: current collecting rod, 242a : Positive current collector rod, 242b: Negative current collector rod, 10: Pressure vessel, 29: Circuit breaker, 30: System control device, 50, 50a, 50b: Protection device, 51, 51a: Voltage application circuit (voltage application unit), 52 : Storage battery, 54: switch, 55: variable resistor (voltage adjustment unit), 58: thermometer, 59: voltmeter, 61, 61a, 61b: protection control device (protection control unit), 62, 62a, 62b: input Part, 63, 63a, 63b: applied voltage control part, 64: relation information

Claims (10)

燃料電池セルが形成されているセルスタックと、
前記セルスタックに対して、発電状態における該セルスタックの極性と同じ極性の電圧を印加する電圧印加部と、
前記セルスタックでの発電停止を検知すると、前記電圧印加部から前記セルスタックに対して前記電圧を印加させる保護制御部と、
を備えていることを特徴とする燃料電池システム。 A cell stack in which fuel cells are formed; and
A voltage applying unit that applies a voltage of the same polarity as the polarity of the cell stack in a power generation state to the cell stack;
When detecting a power generation stop in the cell stack, a protection control unit that applies the voltage to the cell stack from the voltage application unit,
A fuel cell system comprising: 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記保護制御部は、前記セルスタックでの発電開始を検知すると、前記電圧印加部に、前記セルスタックに対する前記電圧の印加を停止させる、
ことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The protection control unit, upon detecting the start of power generation in the cell stack, causes the voltage application unit to stop applying the voltage to the cell stack,
A fuel cell system. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記保護制御部は、前記セルスタックの温度又は該セルスタック周りの環境温度が予め定められ温度以下であることを検知すると、前記電圧印加部に、前記セルスタックに対する前記電圧の印加を停止させる、
ことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2,
The protection control unit, when detecting that the temperature of the cell stack or the environmental temperature around the cell stack is a predetermined temperature or less, causes the voltage application unit to stop the application of the voltage to the cell stack,
A fuel cell system. 請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記電圧印加部は、前記セルスタックに前記電圧を印加する蓄電池と、該蓄電池と前記セルスタックとが電気的接続されている接続状態と電気的接続が断たれる切断状態との切替を行うスイッチと、を有し、
前記保護制御部は、前記スイッチの動作を制御する、
ことを特徴とする燃料電池システム。 In the fuel cell system according to any one of claims 1 to 3,
The voltage application unit switches between a storage battery that applies the voltage to the cell stack, a connection state in which the storage battery and the cell stack are electrically connected, and a disconnected state in which the electrical connection is disconnected. And having
The protection control unit controls the operation of the switch;
A fuel cell system. 請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記電圧印加部は、前記セルスタックに印加される電圧を調節する電圧調節部を有し、
前記保護制御部は、前記電圧調節部を制御する、
ことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 4, wherein
The voltage application unit includes a voltage adjustment unit that adjusts a voltage applied to the cell stack,
The protection control unit controls the voltage adjustment unit;
A fuel cell system. 請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
前記セルスタックの温度又は該セルスタック周りの環境温度を検知する温度計を備え、
前記保護制御部は、前記温度計で検知される温度と前記セルスタックに印加する電圧の値又は該電圧の値に相関する前記電圧調節部での調節の値との予め定められた関係を示す関係情報を用いて、前記温度計で検知された温度に対応する値を定め、該値が得られるよう、前記電圧調節部を制御する、
ことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 5, wherein
A thermometer for detecting the temperature of the cell stack or the ambient temperature around the cell stack;
The protection control unit indicates a predetermined relationship between a temperature detected by the thermometer and a value of a voltage applied to the cell stack or a value of adjustment in the voltage adjusting unit correlated with the voltage value. Using the relationship information, a value corresponding to the temperature detected by the thermometer is determined, and the voltage adjusting unit is controlled to obtain the value.
A fuel cell system. 請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
前記セルスタックの電圧の値を検知する電圧計を備え、
前記保護制御部は、前記電圧計で検知される前記電圧の値が予め定められた値以上になるよう、前記電圧調節部を制御する、
ことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 5, wherein
A voltmeter for detecting the voltage value of the cell stack;
The protection control unit controls the voltage adjusting unit so that a value of the voltage detected by the voltmeter is equal to or greater than a predetermined value;
A fuel cell system. 請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、
前記セルスタックの温度又は該セルスタック周りの環境温度を検知する温度計を備え、
前記保護制御部は、前記温度計で検知される温度と前記セルスタックに印加する電圧の値との予め定められた関係を示す関係情報を用いて、前記温度計で検知された温度に対応する電圧の値を定め、該値以上に前記電圧計で検知される前記電圧の値がなるよう、前記電圧調節部を制御する、
ことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 7, wherein
A thermometer for detecting the temperature of the cell stack or the ambient temperature around the cell stack;
The protection control unit corresponds to the temperature detected by the thermometer using relationship information indicating a predetermined relationship between the temperature detected by the thermometer and the value of the voltage applied to the cell stack. A voltage value is determined, and the voltage regulator is controlled so that the voltage value detected by the voltmeter is equal to or greater than the value.
A fuel cell system. 請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
複数の前記セルスタックを有する燃料電池モジュールを備えている、
ことを特徴とする燃料電池システム。 In the fuel cell system according to any one of claims 1 to 8,
A fuel cell module having a plurality of the cell stacks;
A fuel cell system. 燃料電池セルが形成されているセルスタックを有する燃料電池システムの保護方法において、
前記セルスタックでの発電停止を検知する検知工程と、
前記検知工程で前記セルスタックでの発電停止が検知されると、前記セルスタックに対して、発電状態該セルスタックの極性と同じ極性の電圧を印加する電圧印加工程と、
を実行することを特徴とする燃料電池システムの保護方法。 In a method for protecting a fuel cell system having a cell stack in which fuel cells are formed,
A detection step of detecting power generation stoppage in the cell stack;
When the detection stop of power generation in the cell stack is detected in the detection step, a voltage application step for applying a voltage having the same polarity as the polarity of the cell stack to the power generation state
A method for protecting a fuel cell system, comprising:
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