JP2015197957A - solid oxide fuel cell - Google Patents

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卓哉 松尾
Takuya Matsuo
卓哉 松尾
勝久 土屋
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勝久 土屋
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide fuel cell capable of preventing an excessive temperature rise while increasing total energy efficiency.SOLUTION: A solid oxide fuel cell (1) comprises: a fuel cell module (2); fuel supply means (38); oxidant gas supply means (45) for first power generation; a combustion unit (18) in which residual fuel is combusted; a heat exchange unit (48) for rising the temperature of an oxidant gas for first power generation; and control means (110). The control means comprises excessive temperature rise estimation means and forced cooling means. The forced cooling means lowers the temperature of the fuel cell module (2) by supplying an oxidant gas for second power generation to the fuel cell module (2) in a state in which the temperature of the oxidant gas for second power generation is lower than the temperature of the oxidant gas for first power generation using air for power generation and cooling via a bypass passage (77) for bypassing the heat exchange unit (22).

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池に関し、特に発電運転中におけるモジュール内で発生する過昇温を効率よく抑制できる過昇温対策に関するものである。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell, and more particularly to a countermeasure against overheating that can efficiently suppress overheating that occurs in a module during power generation operation.

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

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

特開2012−216290号公報(特許文献1)には、燃料電池システムの負荷増加時における一般的な運転方法が記載されている。燃料電池システムの一般的な運転方法においては、発電量を増加させる場合には、まず、燃料電池への空気供給量を増加させ、次いで、水供給量、燃料供給量の順に供給量を増加させた後、燃料電池から取り出す電力を増加させている。この燃料電池システムの運転方法においては、このような順序で供給量を増加させることにより、空気枯渇、炭素析出、及び燃料枯渇の発生を防止している。   Japanese Patent Laying-Open No. 2012-216290 (Patent Document 1) describes a general operation method when the load of a fuel cell system is increased. In a general operation method of a fuel cell system, when increasing the power generation amount, first, the air supply amount to the fuel cell is increased, and then the supply amount is increased in the order of the water supply amount and the fuel supply amount. After that, the electric power taken out from the fuel cell is increased. In the operation method of this fuel cell system, the supply amount is increased in this order to prevent the occurrence of air depletion, carbon deposition, and fuel depletion.

さらに、一般に固体酸化物型燃料電池は作動温度が高く、発電時には、燃料電池セルを高い作動温度に維持しておく必要がある。従って、燃料電池システムの総合的なエネルギー効率を上昇させるためには、燃料電池セルから外気へ発散される熱を少なくし、温度を維持するために必要となる燃料を減じることが重要なファクターとなる。このため、燃料電池セル等は、断熱性の高い筐体に収納することが好ましい。   Furthermore, in general, a solid oxide fuel cell has a high operating temperature, and it is necessary to maintain the fuel cell at a high operating temperature during power generation. Therefore, in order to increase the overall energy efficiency of the fuel cell system, it is important to reduce the heat dissipated from the fuel cell to the outside air and reduce the fuel required to maintain the temperature. Become. For this reason, it is preferable to store a fuel battery cell etc. in a housing | casing with high heat insulation.

燃料電池セル等を収納する筐体の断熱性を高めていくと、燃料電池セルに供給され、発電に利用されずに残った残余の燃料で上昇された筐体内の温度を維持する保温性能が高まるため、投入熱量を減じることができ、燃料効率を高めることができる。しかし、残余燃料が余剰となる状況や劣化によって発熱量が増加した状況においては、筐体内の温度が発電に適切な温度範囲から外れて上昇しすぎるという問題が発生する。筐体内の温度が過剰に上昇すると、筐体内の燃料電池セルや、改質器等が損傷される場合がある。また、過剰に上昇した温度は、筐体の断熱性が高く、極めて熱容量が大きいため、適正温度まで低下させることが容易ではなく、更なる過昇温を招く。   When the heat insulation of the housing for storing the fuel cells and the like is increased, the heat insulation performance to maintain the temperature in the housing which is supplied to the fuel cells and increased by the remaining fuel that is not used for power generation is maintained. Therefore, the amount of input heat can be reduced and the fuel efficiency can be increased. However, in a situation where the residual fuel becomes surplus or a situation where the amount of heat generation has increased due to deterioration, there arises a problem that the temperature inside the housing is too high outside the temperature range suitable for power generation. If the temperature in the casing rises excessively, the fuel cell in the casing, the reformer, etc. may be damaged. In addition, the excessively increased temperature is not easy to reduce to an appropriate temperature because the heat insulating property of the housing is high and the heat capacity is extremely large, and further excessive temperature rise is caused.

特許文献1では、このような過昇温が生じた場合には発電に必要な供給量以上に増加された増加分の空気を用いてモジュール内温度を冷やすことで、過昇温を防止することが開示されている。   In Patent Document 1, when such an excessive temperature rise occurs, the excessive temperature increase is prevented by cooling the internal temperature of the module using the increased amount of air increased beyond the supply amount necessary for power generation. Is disclosed.

特開2012−216290号公報JP 2012-216290 A

空気供給量を増やすことによって、燃料電池セルに供給される空気の温度が低下するため、モジュール内温度を冷やすことはできる。しかし、この方式によれば、冷却量を増やすためには空気供給量を増加する必要があるが、空気供給量を増やしすぎるとモジュール内圧が高まり、燃料ガスがモジュール内に入り難くなり、燃料枯れを生じる懸念がある。また、空気供給量の増加は用いるブロアの性能によって限界があり、程度の大きい過昇温に対して対応するには、本来発電用の空気が供給できればこと足りるところを、冷却用に大流量を供給することができる過剰なスペックのブロアを備えておく必要がある。また、過剰なスペックのブロアを備えたとしても、対応できる過昇温には限界があるため、ブロアの性能に依らず温度低下量を向上させる技術が望まれている。   By increasing the air supply amount, the temperature of the air supplied to the fuel cell is lowered, so that the temperature in the module can be cooled. However, according to this method, in order to increase the cooling amount, it is necessary to increase the air supply amount. However, if the air supply amount is increased too much, the internal pressure of the module increases, and it becomes difficult for fuel gas to enter the module, resulting in fuel depletion. There is a concern to cause. In addition, the increase in air supply volume is limited by the performance of the blower used, and in order to respond to excessive overheating, it is necessary to supply air for power generation. It is necessary to have an excess spec blower that can do. Further, even if an excessive specification blower is provided, there is a limit to the excessive temperature rise that can be dealt with. Therefore, a technique for improving the amount of temperature decrease regardless of the blower performance is desired.

従って、本発明は、総合的なエネルギー効率を高めながら、燃料枯れを起こすことも、過剰なスペックの装置を用いることもなく、過剰な温度上昇を防止することができる固体酸化物型燃料電池を提供することを目的としている。   Accordingly, the present invention provides a solid oxide fuel cell capable of preventing an excessive temperature rise without causing fuel depletion or using an excessive specification device while improving overall energy efficiency. It is intended to provide.

上述した課題を解決するために、本発明は、供給された燃料及び酸化剤ガスを利用して燃料電池セルで発電反応を生じさせて発電する燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールに発電に利用する燃料を供給する燃料供給手段と、酸化剤ガス供給源から燃料電池モジュールに発電に利用する第1酸化剤ガスを供給する第1発電用酸化剤ガス供給手段と、燃料供給手段により供給された燃料のうち、発電に使用されずに残った残余燃料を燃焼させることにより燃料電池モジュールを加熱する燃焼部と、第1発電用酸化剤ガス供給手段に設けられ、燃焼部で生じた排ガスと第1発電用酸化剤ガスとの間で熱交換を行う熱交換部と、燃料供給手段及び第1発電用酸化剤ガス供給手段を制御する制御手段と、を有する固体酸化物型燃料電池装置において、酸化剤ガス供給源から燃料電池モジュールに、発電に利用する第2発電用酸化剤ガスを供給する第2発電用酸化剤ガス供給手段を備え、制御手段は、燃料電池モジュール内の過剰な温度上昇の発生を推定する過昇温推定手段と、過昇温推定手段によって過剰な温度上昇の発生が推定された場合に、第2発電用酸化剤ガスを燃料電池モジュールに流入させることにより、燃料電池モジュール内の温度を低下させる強制冷却手段と、を有し、第2発電用酸化剤ガス供給手段は、第1発電用酸化剤ガスよりも第2発電用酸化剤ガスの温度が低くなるよう、第2発電用酸化剤ガスが熱交換部の少なくとも一部をバイパスして燃料電池モジュールに流入されるように構成されていることを特徴としている。   In order to solve the above-described problems, the present invention uses a supplied fuel and oxidant gas to generate a power generation reaction in a fuel battery cell, and uses the fuel cell module for power generation. Fuel supply means for supplying fuel, first oxidant gas supply means for power generation for supplying first oxidant gas used for power generation from the oxidant gas supply source to the fuel cell module, and fuel supplied by the fuel supply means Among these, the combustion part that heats the fuel cell module by burning the remaining fuel that is not used for power generation, and the first oxidant gas supply means for power generation, the exhaust gas generated in the combustion part and the first In a solid oxide fuel cell device, comprising: a heat exchanging unit that exchanges heat with an oxidant gas for power generation; and a control unit that controls the fuel supply unit and the first oxidant gas supply unit for power generation. And a second power generation oxidant gas supply means for supplying a second power generation oxidant gas used for power generation from the oxidant gas supply source to the fuel cell module, and the control means includes an excessive temperature in the fuel cell module. An excessive temperature rise estimation means for estimating the occurrence of the rise, and when the occurrence of an excessive temperature rise is estimated by the excess temperature rise estimation means, the second power generating oxidant gas is caused to flow into the fuel cell module, thereby Forcibly cooling means for lowering the temperature in the battery module, and the second power generation oxidant gas supply means is configured such that the temperature of the second power generation oxidant gas is lower than that of the first power generation oxidant gas. The second power generation oxidant gas is configured to flow into the fuel cell module by bypassing at least a part of the heat exchange section.

このように構成された本発明においては、燃料供給手段及び第1発電用酸化剤ガス供給手段、第2発電用酸化剤ガス供給手段は、燃料電池セルを用いた発電に利用するために、燃料電池モジュールに燃料、第1発電用酸化剤ガス及び第2発電用酸化剤ガスを夫々供給する。燃料電池モジュールは供給された燃料、第1発電用酸化剤ガス及び第2発電用酸化剤ガスにより発電すると共に、発電に利用されずに残った残余燃料は燃焼部で燃焼され、燃料電池モジュール内が加熱される。また、燃焼によって生じた排ガスは、燃料電池モジュールの上流で、第1発電用酸化剤ガスとの熱交換によって発電用酸化剤ガスを昇温させることに利用される。制御手段は、需要電力検出手段により検出された需要電力に基づいて燃料供給手段を制御する。過剰な温度上昇が発生すると、制御手段に備えられた過昇温推定手段によって過昇温の危険があると判断され、第1発電用酸化剤ガスよりも温度が低い第2発電用酸化剤ガスを燃料電池モジュールに流入させることにより、燃料電池モジュール内の温度を低下させる強制冷却手段を作動させる。   In the present invention configured as described above, the fuel supply means, the first power generation oxidant gas supply means, and the second power generation oxidant gas supply means are used to generate power using fuel cells. The fuel, the first power generation oxidant gas, and the second power generation oxidant gas are supplied to the battery module, respectively. The fuel cell module generates power using the supplied fuel, the first power generation oxidant gas and the second power generation oxidant gas, and the remaining fuel not used for power generation is burned in the combustion section, Is heated. Further, the exhaust gas generated by the combustion is used to raise the temperature of the power generation oxidant gas by heat exchange with the first power generation oxidant gas upstream of the fuel cell module. The control means controls the fuel supply means based on the demand power detected by the demand power detection means. When excessive temperature rise occurs, it is determined that there is a risk of overheating by the overheating temperature estimation means provided in the control means, and the second power generation oxidant gas having a temperature lower than that of the first power generation oxidant gas. Is forced to flow into the fuel cell module to activate the forced cooling means for lowering the temperature in the fuel cell module.

本発明の固体酸化物型燃料電池によれば、強制冷却手段が第2発電用酸化剤ガスを燃料電池モジュールに供給する際、第2発電用酸化剤ガスが熱交換部をバイパスするように供給することで、第1発電用酸化剤ガスと同じ酸化剤ガス供給源から導入した第2発電用酸化剤ガスの温度を第1発電用酸化剤ガスより低くする。温度の低い第2発電用酸化剤ガスを燃料電池モジュールに流入させることで燃料電池モジュール内の温度を低下させるので、従来のように第1発電用酸化剤ガスの供給量を増やすことによって燃料電池モジュール内を冷却する場合に比べて、少ない流量で効果的に過剰な温度上昇を回避することができる。そのため、第1発電用酸化剤ガスを増量して燃料電池モジュール内の圧力が高まり、燃料ガスが燃料電池モジュール内に入り難くなることに起因して生じる燃料枯れを防ぐことができる。また、過剰なスペックのブロアを搭載する必要もなく、好適である。   According to the solid oxide fuel cell of the present invention, when the forced cooling means supplies the second power generation oxidant gas to the fuel cell module, the second power generation oxidant gas is supplied so as to bypass the heat exchange section. Thus, the temperature of the second power generation oxidant gas introduced from the same oxidant gas supply source as that of the first power generation oxidant gas is made lower than that of the first power generation oxidant gas. Since the temperature in the fuel cell module is lowered by allowing the second power generating oxidant gas to flow into the fuel cell module, the fuel cell can be increased by increasing the supply amount of the first power generating oxidant gas as in the conventional case. Compared to the case of cooling the inside of the module, an excessive temperature rise can be effectively avoided with a small flow rate. Therefore, the amount of the first power generation oxidant gas is increased, the pressure in the fuel cell module is increased, and it is possible to prevent fuel depletion caused by the fuel gas becoming difficult to enter the fuel cell module. Moreover, it is not necessary to install a blower having an excessive specification, which is preferable.

上述した通り、第2発電用酸化剤ガスを供給することで過昇温の問題を解決することができるが、燃料電池セルに温度が低い第2発電用酸化剤ガスを直接当ててしまうと、直接第2発電用酸化剤ガスが当った部分が、直接当っていない部分に比べて冷やされすぎてしまい、第2発電用酸化剤ガスが直接当った部分と直接当っていない部分との間に温度差が生じて熱膨張量に差が生じ、応力がかかって燃料電池セルが破損してしまう懸念がある。   As described above, the problem of excessive temperature rise can be solved by supplying the second power generation oxidant gas, but if the second power generation oxidant gas having a low temperature is directly applied to the fuel cell, The portion directly hit by the oxidant gas for second power generation is cooled too much as compared with the portion not directly hit, and the portion directly hit by the oxidant gas for second power generation and the portion not hit directly. There is a concern that a difference in thermal expansion occurs due to a temperature difference, and stress is applied to damage the fuel cell.

そこで本発明において、好ましくは、燃料電池モジュールに第2発電用酸化剤ガスを供給する前に、バイパスさせた第2発電用酸化剤ガスを昇温させる昇温手段を有することが好ましい。
このように構成された本発明によれば、温度の低い第2発電用酸化剤ガスが直接燃料電池セルに当らないようにすることが可能となる。これによって、燃料電池セルの部位間に温度差が生じることを抑制することも可能となるため、燃料電池モジュールの温度低下を図りつつ、燃料電池セルが破損することを抑制することができる。
Therefore, in the present invention, it is preferable to have a temperature raising means for raising the temperature of the bypassed second power generation oxidant gas before supplying the second power generation oxidant gas to the fuel cell module.
According to the present invention configured as described above, it is possible to prevent the second power generating oxidant gas having a low temperature from directly hitting the fuel cell. As a result, it is also possible to suppress the occurrence of a temperature difference between the portions of the fuel battery cells, so that the fuel battery cells can be prevented from being damaged while the temperature of the fuel battery module is lowered.

さらに本発明では、昇温手段は、燃料電池モジュールに第2発電用酸化剤ガスを供給する前に、バイパスさせた第2発電用酸化剤ガスと第1発電用酸化剤ガスとを混合する混合部を備えることが好ましい。
このように構成された本発明によれば、第2発電用酸化剤ガスを第1発電用酸化剤ガスと合流させて混合し、第1発電用酸化剤ガスと第2発電用酸化剤ガスとの温度を均熱化させた状態で燃料電池モジュールに供給することができるため、既存の構成を兼用して温度の低い第2発電用酸化剤ガスが直接燃料電池セルに当らないようにすることが可能となる。これによって、燃料電池セルの部位間に温度差が生じることを抑制することも可能となるため、燃料電池モジュールの温度低下を図りつつ、燃料電池セルが破損することを抑制することができる。
Further, in the present invention, the temperature raising means mixes the bypassed second power generation oxidant gas and the first power generation oxidant gas before supplying the second power generation oxidant gas to the fuel cell module. It is preferable to provide a part.
According to the present invention thus configured, the second power generation oxidant gas is merged with the first power generation oxidant gas and mixed, and the first power generation oxidant gas, the second power generation oxidant gas, Since the fuel cell module can be supplied with the temperature of the soak soaked, the second power generation oxidant gas having a low temperature is prevented from directly hitting the fuel cell by using the existing configuration. Is possible. As a result, it is also possible to suppress the occurrence of a temperature difference between the portions of the fuel battery cells, so that the fuel battery cells can be prevented from being damaged while the temperature of the fuel battery module is lowered.

また、第2発電用酸化剤ガスを供給する経路と燃料電池モジュールとの連通部を、第1発電用酸化剤ガスを供給する経路と燃料電池モジュールとの連通部とは別に設けると、第2発電用酸化剤ガスを供給しない間は供給経路の圧力が低いので、連通部を逆流して第2発電用酸化剤ガスを供給する経路に燃料電池モジュール内の雰囲気が流れる虞がある。燃料電池モジュール内の雰囲気が第2発電用酸化剤ガスの供給経路を逆流すると、燃料電池モジュール内の温度が低下し、熱効率が悪くなることが考えられる。本発明によれば、バイパスした後の第2発電用酸化剤ガスを第1発電用酸化剤ガスに合流させて、燃料電池モジュールと連通する供給経路を第1発電用酸化剤ガスの供給経路のみとしたことによって、燃料電池モジュール内の雰囲気が漏れ出し、温度が低下することを抑制することができる。   Further, if the communication part between the path for supplying the second power generation oxidant gas and the fuel cell module is provided separately from the communication part between the path for supplying the first power generation oxidant gas and the fuel cell module, Since the pressure of the supply path is low while the power generation oxidant gas is not supplied, there is a possibility that the atmosphere in the fuel cell module flows in the path for supplying the second power generation oxidant gas by flowing backward through the communicating portion. If the atmosphere in the fuel cell module flows backward through the supply path of the second power generating oxidant gas, the temperature in the fuel cell module may decrease, and the thermal efficiency may deteriorate. According to the present invention, the second power generation oxidant gas after bypassing is merged with the first power generation oxidant gas, and the supply path communicating with the fuel cell module is only the first power generation oxidant gas supply path. By doing so, it is possible to prevent the atmosphere in the fuel cell module from leaking and the temperature from decreasing.

また、このように構成することによって、燃料電池モジュール内に第2発電用酸化剤ガスを供給する経路を、第1発電用酸化剤ガス供給手段と兼用することができるため、装置を簡素に構成することができる。   Also, by configuring in this way, the path for supplying the second power generation oxidant gas into the fuel cell module can also be used as the first power generation oxidant gas supply means, so that the apparatus is simply configured. can do.

ところで、固体酸化物型燃料電池装置の起動時には部分酸化改質反応と水蒸気改質反応とを並存して改質するオートサーマル改質反応を行うため、改質用の酸化剤ガスを供給する改質用酸化剤ガス供給手段が設けられているが、燃料電池モジュール内が高温になり、オートサーマル改質反応よりも改質効率の高い水蒸気改質反応のみを行うことができるようになった後は、部分酸化改質反応を生じさせることがなくなるため、改質用酸化剤ガス供給手段は不要となる。
そこで、本発明において、好ましくは、改質用酸化剤ガス供給手段が不要となる水蒸気改質反応の期間においては、改質用酸化剤ガス供給手段を第2発電用酸化剤ガスの供給手段として兼用することもできる。こうすることで、第2発電用酸化剤ガスの供給手段を別途設ける必要がなく、簡素な構成で過昇温を抑制することができる。
By the way, when the solid oxide fuel cell device is started, an auto-thermal reforming reaction is performed in which a partial oxidation reforming reaction and a steam reforming reaction coexist. After the oxidant gas supply means for quality is provided, after the fuel cell module becomes hot and only the steam reforming reaction having higher reforming efficiency than the autothermal reforming reaction can be performed. Since no partial oxidation reforming reaction occurs, the reforming oxidant gas supply means becomes unnecessary.
Therefore, in the present invention, preferably, the reforming oxidant gas supply means is used as the second power generation oxidant gas supply means in the period of the steam reforming reaction in which the reforming oxidant gas supply means is unnecessary. It can also be used. By doing so, it is not necessary to separately provide a means for supplying the second power generating oxidant gas, and overheating can be suppressed with a simple configuration.

また、第2発電用酸化剤ガスの供給手段と第1発電用酸化剤ガス供給手段とは別の部材を用いることによって、第1発電用酸化剤ガス供給手段は、本来発電用に必要な性能を備えた最小限の装置で構成することができるため、安価でコンパクトにすることができる。   In addition, by using a member different from the second power generation oxidant gas supply unit and the first power generation oxidant gas supply unit, the first power generation oxidant gas supply unit has the performance originally required for power generation. Therefore, the apparatus can be made inexpensive and compact.

本発明の固体酸化物型燃料電池によれば、総合的なエネルギー効率を高めながら、過剰な温度上昇を防止することができる。   According to the solid oxide fuel cell of the present invention, it is possible to prevent an excessive temperature rise while improving the overall energy efficiency.

本発明の一実施形態による燃料電池装置を示す全体構成図である。1 is an overall configuration diagram showing a fuel cell device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。It is front sectional drawing which shows the fuel cell module of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention. 図2のIII-III線に沿った断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 2. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing a fuel cell unit of a fuel cell device by one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the fuel cell stack of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による燃料電池装置を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a fuel cell device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態において、発電及び冷却用空気を用いて強制冷却を行う手順を示すフローチャートである。In one Embodiment of this invention, it is a flowchart which shows the procedure which performs forced cooling using the air for electric power generation and cooling.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

空気用熱交換器22の6個の空気流路管74内を流れる空気は、燃焼室18で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。
空気分配室72には、燃料電池モジュール2の両側壁内に配置された空気導入管76が接続され、この空気導入管76は、下方に延び、その下端側が、発電室10の下方空間に連通し、発電室10に余熱された空気を導入する。
The air flowing through the six air flow path pipes 74 of the air heat exchanger 22 is preheated by exhaust gas that burns and rises in the combustion chamber 18.
The air distribution chamber 72 is connected to an air introduction pipe 76 disposed in both side walls of the fuel cell module 2. The air introduction pipe 76 extends downward, and its lower end side communicates with the lower space of the power generation chamber 10. Then, the preheated air is introduced into the power generation chamber 10.

また、空気分配室72には、被改質ガス導入管62から分岐し、熱交換器22の熱交換領域にあたる空気流路管74をバイパスして接続されたバイパス流路77が接続されている。また、被改質ガス導入管62とバイパス流路77との分岐部分には、図示はしないが、流路を切り替える流路切替弁が制御部110によって切替可能操作可能に設けられている。   The air distribution chamber 72 is connected to a bypass flow path 77 that branches from the reformed gas introduction pipe 62 and is connected by bypassing the air flow path pipe 74 that corresponds to the heat exchange region of the heat exchanger 22. . Further, although not shown, a flow path switching valve for switching the flow path is provided at a branch portion between the reformed gas introduction pipe 62 and the bypass flow path 77 so as to be switchable by the control unit 110.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

次に、図29を参照して、燃料電池モジュールの強制冷却の手順を説明する。
まず、図29のステップS41においては、検出温度Tdが読み込まれる。次いで、ステップS42においては、ステップS41で読み込まれた検出温度Tdと、所定時間前の検出温度Tdが比較される。
この比較は、発電を効率に行うために予め設定した適正温度範囲から外れた過昇温の危険があるか否かを判断するためのものであり、例えば劣化によって生じた過昇温や、負荷追従運転によって生じた過昇温を推定する。すなわち、ステップS42は過昇温推定手段として作動する。
ステップS41で読み込まれた検出温度Tdと所定時間前の検出温度Tdの差が、所定の閾値温度以下の場合、つまり適性温度範囲で運転している場合には図29のフローチャートの1回の処理が終了する。
Next, a procedure for forced cooling of the fuel cell module will be described with reference to FIG.
First, in step S41 of FIG. 29, the detected temperature Td is read. Next, in step S42, the detected temperature Td read in step S41 is compared with the detected temperature Td before a predetermined time.
This comparison is for determining whether or not there is a risk of overheating that deviates from a preset appropriate temperature range in order to efficiently generate power.For example, overheating caused by deterioration, load Estimate overheating caused by follow-up operation. That is, step S42 operates as an excessive temperature rise estimation means.
When the difference between the detected temperature Td read in step S41 and the detected temperature Td before a predetermined time is equal to or lower than a predetermined threshold temperature, that is, when operating in the appropriate temperature range, one process of the flowchart of FIG. Ends.

一方、ステップS42において検出温度Tdと所定時間前の検出温度Tdの差が、所定の閾値温度を超える場合、つまり過昇温が推定される場合には、ステップS43に進む。   On the other hand, if the difference between the detected temperature Td and the detected temperature Td before the predetermined time exceeds the predetermined threshold temperature in step S42, that is, if an excessive temperature rise is estimated, the process proceeds to step S43.

ステップS43においては、改質用空気流量調整ユニット42を介して発電及び冷却用の第2空気(第2発電用酸化剤ガス)を燃料電池モジュール2内に供給することで、燃料電池モジュール2内の温度低下を図り、図29のフローチャートの1回の処理が終了する。   In step S43, the second air for power generation and cooling (second oxidant gas for power generation) is supplied into the fuel cell module 2 via the reforming air flow rate adjustment unit 42, so that the inside of the fuel cell module 2 The one-time process in the flowchart of FIG. 29 is completed.

空気供給源40から改質用空気流量調整ユニット42を介して流れる第2空気は、バイパス流路77を流れて空器導入間76に合流し、燃料電池モジュール2内に到達する。その際、空気供給源40から空器導入間76との合流部分までの間には第2空気を加熱する要素はないため、第2空気は空気供給源40から取り込まれた後、加熱されずに空器導入間76に合流する。   The second air that flows from the air supply source 40 via the reforming air flow rate adjustment unit 42 flows through the bypass passage 77, joins the empty space introduction 76, and reaches the fuel cell module 2. At that time, since there is no element that heats the second air between the air supply source 40 and the portion where it joins the empty space introduction 76, the second air is not heated after being taken in from the air supply source 40. Joins the empty space introduction 76.

第2空気が、空気供給源40の温度に近い温度で空器導入間76に合流する一方で、発電用空気は、空気供給源40から取り込まれた後、過昇温と判断されていないときと同様、発電用空気を加熱する空気熱交換器22によって加熱される。加熱された発電用空気は、加熱されていない第2空気と混合されることによって温度が低下する。温度が低下した発電用空気が燃料電池モジュール2内に供給されることによって、燃料電池モジュール2内の温度を低下し、過昇温の状態を解消することができる。   When the second air merges into the introduction of the air vessel 76 at a temperature close to the temperature of the air supply source 40, while the power generation air is taken from the air supply source 40 and is not determined to be overheated In the same manner as above, the air is heated by the air heat exchanger 22 for heating the power generation air. The temperature of the heated power generation air is lowered by mixing with the second air that is not heated. By supplying the power generation air whose temperature has been lowered into the fuel cell module 2, the temperature in the fuel cell module 2 can be lowered, and the overheated state can be eliminated.

このとき、発電用空気と第2空気との流量割合を、発電用空気を下げるように調整することで冷却効果が上がるため、過昇温の程度がひどくなったときに有効である。   At this time, the cooling effect is increased by adjusting the flow rate ratio between the power generation air and the second air so that the power generation air is lowered, which is effective when the degree of excessive temperature rise becomes serious.

上述した課題を解決するために、本発明は、供給された燃料及び酸化剤ガスを利用して燃料電池セルで発電反応を生じさせて発電する燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールに発電に利用する燃料を供給する燃料供給手段と、酸化剤ガス供給源から燃料電池モジュールに発電に利用する第1酸化剤ガスを供給する第1発電用酸化剤ガス供給手段と、燃料供給手段により供給された燃料のうち、発電に使用されずに残った残余燃料を燃焼させることにより燃料電池モジュールを加熱する燃焼部と、第1発電用酸化剤ガス供給手段に設けられ、燃焼部で生じた排ガスと第1発電用酸化剤ガスとの間で熱交換を行う熱交換部と、燃料供給手段及び第1発電用酸化剤ガス供給手段を制御する制御手段と、を有する固体酸化物型燃料電池装置において、酸化剤ガス供給源から燃料電池モジュールに、発電に利用する第2発電用酸化剤ガスを供給する第2発電用酸化剤ガス供給手段を備え、制御手段は、燃料電池モジュール内の過剰な温度上昇の発生を推定する過昇温推定手段と、過昇温推定手段によって過剰な温度上昇の発生が推定された場合に、第2発電用酸化剤ガスを燃料電池モジュールに流入させることにより、燃料電池モジュール内の温度を低下させる強制冷却手段と、を有し、第2発電用酸化剤ガス供給手段は、第1発電用酸化剤ガスよりも第2発電用酸化剤ガスの温度が低くなるよう、第2発電用酸化剤ガスが熱交換部の少なくとも一部をバイパスして燃料電池モジュールに流入されるように構成されていることを特徴としている。   In order to solve the above-described problems, the present invention uses a supplied fuel and oxidant gas to generate a power generation reaction in a fuel battery cell, and uses the fuel cell module for power generation. Fuel supply means for supplying fuel, first oxidant gas supply means for power generation for supplying first oxidant gas used for power generation from the oxidant gas supply source to the fuel cell module, and fuel supplied by the fuel supply means Among these, the combustion part that heats the fuel cell module by burning the remaining fuel that is not used for power generation, and the first oxidant gas supply means for power generation, the exhaust gas generated in the combustion part and the first In a solid oxide fuel cell device, comprising: a heat exchanging unit that exchanges heat with an oxidant gas for power generation; and a control unit that controls the fuel supply unit and the first oxidant gas supply unit for power generation. And a second power generation oxidant gas supply means for supplying a second power generation oxidant gas used for power generation from the oxidant gas supply source to the fuel cell module, and the control means includes an excessive temperature in the fuel cell module. An excessive temperature rise estimation means for estimating the occurrence of the rise, and when the occurrence of an excessive temperature rise is estimated by the excess temperature rise estimation means, the second power generating oxidant gas is caused to flow into the fuel cell module, thereby Forcibly cooling means for lowering the temperature in the battery module, and the second power generation oxidant gas supply means is configured such that the temperature of the second power generation oxidant gas is lower than that of the first power generation oxidant gas. The second power generation oxidant gas is configured to flow into the fuel cell module by bypassing at least a part of the heat exchange section.

このように構成された本発明においては、燃料供給手段及び第1発電用酸化剤ガス供給手段、第2発電用酸化剤ガス供給手段は、燃料電池セルを用いた発電に利用するために、燃料電池モジュールに燃料、第1発電用酸化剤ガス及び第2発電用酸化剤ガスを夫々供給する。燃料電池モジュールは供給された燃料、第1発電用酸化剤ガス及び第2発電用酸化剤ガスにより発電すると共に、発電に利用されずに残った残余燃料は燃焼部で燃焼され、燃料電池モジュール内が加熱される。また、燃焼によって生じた排ガスは、燃料電池モジュールの上流で、第1発電用酸化剤ガスとの熱交換によって発電用酸化剤ガスを昇温させることに利用される。制御手段は、需要電力検出手段により検出された需要電力に基づいて燃料供給手段を制御する。過剰な温度上昇が発生すると、制御手段に備えられた過昇温推定手段によって過昇温の危険があると判断され、第1発電用酸化剤ガスよりも温度が低い第2発電用酸化剤ガスを燃料電池モジュールに流入させることにより、燃料電池モジュール内の温度を低下させる強制冷却手段を作動させる。   In the present invention configured as described above, the fuel supply means, the first power generation oxidant gas supply means, and the second power generation oxidant gas supply means are used to generate power using fuel cells. The fuel, the first power generation oxidant gas, and the second power generation oxidant gas are supplied to the battery module, respectively. The fuel cell module generates power using the supplied fuel, the first power generation oxidant gas and the second power generation oxidant gas, and the remaining fuel not used for power generation is burned in the combustion section, Is heated. Further, the exhaust gas generated by the combustion is used to raise the temperature of the power generation oxidant gas by heat exchange with the first power generation oxidant gas upstream of the fuel cell module. The control means controls the fuel supply means based on the demand power detected by the demand power detection means. When excessive temperature rise occurs, it is determined that there is a risk of overheating by the overheating temperature estimation means provided in the control means, and the second power generation oxidant gas having a temperature lower than that of the first power generation oxidant gas. Is forced to flow into the fuel cell module to activate the forced cooling means for lowering the temperature in the fuel cell module.

本発明の固体酸化物型燃料電池によれば、強制冷却手段が第2発電用酸化剤ガスを燃料電池モジュールに供給する際、第2発電用酸化剤ガスが熱交換部をバイパスするように供給することで、第1発電用酸化剤ガスと同じ酸化剤ガス供給源から導入した第2発電用酸化剤ガスの温度を第1発電用酸化剤ガスより低くする。温度の低い第2発電用酸化剤ガスを燃料電池モジュールに流入させることで燃料電池モジュール内の温度を低下させるので、従来のように第1発電用酸化剤ガスの供給量を増やすことによって燃料電池モジュール内を冷却する場合に比べて、少ない流量で効果的に過剰な温度上昇を回避することができる。そのため、第1発電用酸化剤ガスを増量して燃料電池モジュール内の圧力が高まり、燃料ガスが燃料電池モジュール内に入り難くなることに起因して生じる燃料枯れを防ぐことができる。また、過剰なスペックのブロアを搭載する必要もなく、好適である。   According to the solid oxide fuel cell of the present invention, when the forced cooling means supplies the second power generation oxidant gas to the fuel cell module, the second power generation oxidant gas is supplied so as to bypass the heat exchange section. Thus, the temperature of the second power generation oxidant gas introduced from the same oxidant gas supply source as that of the first power generation oxidant gas is made lower than that of the first power generation oxidant gas. Since the temperature in the fuel cell module is lowered by allowing the second power generating oxidant gas to flow into the fuel cell module, the fuel cell can be increased by increasing the supply amount of the first power generating oxidant gas as in the conventional case. Compared to the case of cooling the inside of the module, an excessive temperature rise can be effectively avoided with a small flow rate. Therefore, the amount of the first power generation oxidant gas is increased, the pressure in the fuel cell module is increased, and it is possible to prevent fuel depletion caused by the fuel gas becoming difficult to enter the fuel cell module. Moreover, it is not necessary to install a blower having an excessive specification, which is preferable.

上述した通り、第2発電用酸化剤ガスを供給することで過昇温の問題を解決することができるが、燃料電池セルに温度が低い第2発電用酸化剤ガスを直接当ててしまうと、直接第2発電用酸化剤ガスが当った部分が、直接当っていない部分に比べて冷やされすぎてしまい、第2発電用酸化剤ガスが直接当った部分と直接当っていない部分との間に温度差が生じて熱膨張量に差が生じ、応力がかかって燃料電池セルが破損してしまう懸念がある。   As described above, the problem of excessive temperature rise can be solved by supplying the second power generation oxidant gas, but if the second power generation oxidant gas having a low temperature is directly applied to the fuel cell, The portion directly hit by the oxidant gas for second power generation is cooled too much as compared with the portion not directly hit, and the portion directly hit by the oxidant gas for second power generation and the portion not hit directly. There is a concern that a difference in thermal expansion occurs due to a temperature difference, and stress is applied to damage the fuel cell.

そこで本発明において、好ましくは、燃料電池モジュールに第2発電用酸化剤ガスを供給する前に、バイパスさせた第2発電用酸化剤ガスを昇温させる昇温手段を有することが好ましい。
このように構成された本発明によれば、温度の低い第2発電用酸化剤ガスが直接燃料電池セルに当らないようにすることが可能となる。これによって、燃料電池セルの部位間に温度差が生じることを抑制することも可能となるため、燃料電池モジュールの温度低下を図りつつ、燃料電池セルが破損することを抑制することができる。
Therefore, in the present invention, it is preferable to have a temperature raising means for raising the temperature of the bypassed second power generation oxidant gas before supplying the second power generation oxidant gas to the fuel cell module.
According to the present invention configured as described above, it is possible to prevent the second power generating oxidant gas having a low temperature from directly hitting the fuel cell. As a result, it is also possible to suppress the occurrence of a temperature difference between the portions of the fuel battery cells, so that the fuel battery cells can be prevented from being damaged while the temperature of the fuel battery module is lowered.

さらに本発明では、昇温手段は、燃料電池モジュールに第2発電用酸化剤ガスを供給する前に、バイパスさせた第2発電用酸化剤ガスと第1発電用酸化剤ガスとを混合する混合部を備えることが好ましい。
このように構成された本発明によれば、第2発電用酸化剤ガスを第1発電用酸化剤ガスと合流させて混合し、第1発電用酸化剤ガスと第2発電用酸化剤ガスとの温度を均熱化させた状態で燃料電池モジュールに供給することができるため、既存の構成を兼用して温度の低い第2発電用酸化剤ガスが直接燃料電池セルに当らないようにすることが可能となる。これによって、燃料電池セルの部位間に温度差が生じることを抑制することも可能となるため、燃料電池モジュールの温度低下を図りつつ、燃料電池セルが破損することを抑制することができる。
Further, in the present invention, the temperature raising means mixes the bypassed second power generation oxidant gas and the first power generation oxidant gas before supplying the second power generation oxidant gas to the fuel cell module. It is preferable to provide a part.
According to the present invention thus configured, the second power generation oxidant gas is merged with the first power generation oxidant gas and mixed, and the first power generation oxidant gas, the second power generation oxidant gas, Since the fuel cell module can be supplied with the temperature of the soak soaked, the second power generation oxidant gas having a low temperature is prevented from directly hitting the fuel cell by using the existing configuration. Is possible. As a result, it is also possible to suppress the occurrence of a temperature difference between the portions of the fuel battery cells, so that the fuel battery cells can be prevented from being damaged while the temperature of the fuel battery module is lowered.

また、第2発電用酸化剤ガスを供給する経路と燃料電池モジュールとの連通部を、第1発電用酸化剤ガスを供給する経路と燃料電池モジュールとの連通部とは別に設けると、第2発電用酸化剤ガスを供給しない間は供給経路の圧力が低いので、連通部を逆流して第2発電用酸化剤ガスを供給する経路に燃料電池モジュール内の雰囲気が流れる虞がある。燃料電池モジュール内の雰囲気が第2発電用酸化剤ガスの供給経路を逆流すると、燃料電池モジュール内の温度が低下し、熱効率が悪くなることが考えられる。本発明によれば、バイパスした後の第2発電用酸化剤ガスを第1発電用酸化剤ガスに合流させて、燃料電池モジュールと連通する供給経路を第1発電用酸化剤ガスの供給経路のみとしたことによって、燃料電池モジュール内の雰囲気が漏れ出し、温度が低下することを抑制することができる。   Further, if the communication part between the path for supplying the second power generation oxidant gas and the fuel cell module is provided separately from the communication part between the path for supplying the first power generation oxidant gas and the fuel cell module, Since the pressure of the supply path is low while the power generation oxidant gas is not supplied, there is a possibility that the atmosphere in the fuel cell module flows in the path for supplying the second power generation oxidant gas by flowing backward through the communicating portion. If the atmosphere in the fuel cell module flows backward through the supply path of the second power generating oxidant gas, the temperature in the fuel cell module may decrease, and the thermal efficiency may deteriorate. According to the present invention, the second power generation oxidant gas after bypassing is merged with the first power generation oxidant gas, and the supply path communicating with the fuel cell module is only the first power generation oxidant gas supply path. By doing so, it is possible to prevent the atmosphere in the fuel cell module from leaking and the temperature from decreasing.

また、このように構成することによって、燃料電池モジュール内に第2発電用酸化剤ガスを供給する経路を、第1発電用酸化剤ガス供給手段と兼用することができるため、装置を簡素に構成することができる。   Also, by configuring in this way, the path for supplying the second power generation oxidant gas into the fuel cell module can also be used as the first power generation oxidant gas supply means, so that the apparatus is simply configured. can do.

ところで、固体酸化物型燃料電池装置の起動時には部分酸化改質反応と水蒸気改質反応とを並存して改質するオートサーマル改質反応を行うため、改質用の酸化剤ガスを供給する改質用酸化剤ガス供給手段が設けられているが、燃料電池モジュール内が高温になり、オートサーマル改質反応よりも改質効率の高い水蒸気改質反応のみを行うことができるようになった後は、部分酸化改質反応を生じさせることがなくなるため、改質用酸化剤ガス供給手段は不要となる。
そこで、本発明において、好ましくは、改質用酸化剤ガス供給手段が不要となる水蒸気改質反応の期間においては、改質用酸化剤ガス供給手段を第2発電用酸化剤ガスの供給手段として兼用することもできる。こうすることで、第2発電用酸化剤ガスの供給手段を別途設ける必要がなく、簡素な構成で過昇温を抑制することができる。
By the way, when the solid oxide fuel cell device is started, an auto-thermal reforming reaction is performed in which a partial oxidation reforming reaction and a steam reforming reaction coexist. After the oxidant gas supply means for quality is provided, after the fuel cell module becomes hot and only the steam reforming reaction having higher reforming efficiency than the autothermal reforming reaction can be performed. Since no partial oxidation reforming reaction occurs, the reforming oxidant gas supply means becomes unnecessary.
Therefore, in the present invention, preferably, the reforming oxidant gas supply means is used as the second power generation oxidant gas supply means in the period of the steam reforming reaction in which the reforming oxidant gas supply means is unnecessary. It can also be used. By doing so, it is not necessary to separately provide a means for supplying the second power generating oxidant gas, and overheating can be suppressed with a simple configuration.

また、第2発電用酸化剤ガスの供給手段と第1発電用酸化剤ガス供給手段とは別の部材を用いることによって、第1発電用酸化剤ガス供給手段は、本来発電用に必要な性能を備えた最小限の装置で構成することができるため、安価でコンパクトにすることができる。   In addition, by using a member different from the second power generation oxidant gas supply unit and the first power generation oxidant gas supply unit, the first power generation oxidant gas supply unit has the performance originally required for power generation. Therefore, the apparatus can be made inexpensive and compact.

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。例えば、上述した実施形態においては、空気熱交換器22の空気流路管74全てをバイパスして空気分配室72で合流させるようにしたが、発電用空気と第2空気との合流部分の位置は、合流するときの第2空気の温度をどの程度に調整する必要があるかによって種々設計可能である。空気熱交換器22の主な加熱部である空気流路管74を一部バイパスして加熱部の途中で合流させる、若しくは空気熱交換器22に流入させた後、空気熱交換器22の空気流路管74の途中からバイパスして空気熱交換器22の下流で合流させるようにすれば、例えば燃料電池セルに直接吹き付けても壊れない程度の温度まで第2空気を加熱することもできる。また、上述した実施形態のように、空気熱交換器22の空気流路管74全てをバイパスして空気分配室72やその下流に配置された空器導入管76で合流させるようにすれば、冷却効果を高めることができる。例えば空器導入管76の下流端に近い、燃料電池モジュール2内に供給する直前に合流部分を設けるようにすれば、冷却効果を最大限に発揮させることができるため、カバーできる過昇温の範囲が最大限広がる。   As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, a various change can be added to embodiment mentioned above. For example, in the above-described embodiment, all the air flow path pipes 74 of the air heat exchanger 22 are bypassed and merged in the air distribution chamber 72. However, the position of the merged portion of the power generation air and the second air Can be designed in various ways depending on how much the temperature of the second air at the time of merging needs to be adjusted. After partially bypassing the air flow path pipe 74 which is the main heating part of the air heat exchanger 22 and joining in the middle of the heating part or flowing into the air heat exchanger 22, the air in the air heat exchanger 22 By bypassing from the middle of the flow path pipe 74 and joining downstream of the air heat exchanger 22, for example, the second air can be heated to a temperature that does not break even when directly sprayed onto the fuel cell. Further, as in the above-described embodiment, if all the air flow path pipes 74 of the air heat exchanger 22 are bypassed and merged with the air distribution chamber 72 or the air introduction pipe 76 disposed downstream thereof, The cooling effect can be enhanced. For example, if a confluence portion is provided immediately before the supply to the fuel cell module 2 near the downstream end of the empty vessel introduction pipe 76, the cooling effect can be exerted to the maximum. The range is maximized.

1 固体酸化物型燃料電池
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
7 断熱材(蓄熱材)
8 密封空間
10 発電室
12 燃料電池セル集合体
14 燃料電池セルスタック
16 燃料電池セルユニット(固体酸化物型燃料電池セル)
18 燃焼室(燃焼部)
20 改質器
22 空気用熱交換器
24 水供給源
26 純水タンク
28 水流量調整ユニット(水供給手段)
30 燃料供給源
38 燃料流量調整ユニット(燃料供給手段)
40 空気供給源
44 改質用空気流量調整ユニット
45 発電用空気流量調整ユニット(発電用酸化剤ガス供給手段)
46 第1ヒータ
48 第2ヒータ
50 温水製造装置
52 制御ボックス
54 インバータ
77 バイパス流路
83 点火装置
84 燃料電池セル
110 制御部(制御手段)
112 操作装置
114 表示装置
116 警報装置
126 電力状態検出センサ(需要電力検出手段)
132 燃料流量センサ(燃料供給量検出センサ)
138 圧力センサ(改質器圧力センサ)
140 排気温度センサ(温度検出手段)
142 発電室温度センサ(温度検出手段)
148 改質器温度センサ(温度検出手段)
150 外気温度センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid oxide fuel cell 2 Fuel cell module 4 Auxiliary machine unit 7 Heat insulation material (heat storage material)
8 Sealed space 10 Power generation chamber 12 Fuel cell assembly 14 Fuel cell stack 16 Fuel cell unit (solid oxide fuel cell)
18 Combustion chamber (combustion section)
20 Reformer 22 Heat exchanger for air 24 Water supply source 26 Pure water tank 28 Water flow rate adjustment unit (water supply means)
30 Fuel supply source 38 Fuel flow rate adjustment unit (fuel supply means)
40 Air supply source 44 Reforming air flow rate adjustment unit 45 Power generation air flow rate adjustment unit (power generation oxidizing gas supply means)
46 1st heater 48 2nd heater 50 Hot water production apparatus 52 Control box 54 Inverter 77 Bypass flow path 83 Ignition apparatus 84 Fuel cell 110 Control part (control means)
112 operation device 114 display device 116 alarm device 126 power state detection sensor (demand power detection means)
132 Fuel flow sensor (fuel supply detection sensor)
138 Pressure sensor (reformer pressure sensor)
140 Exhaust temperature sensor (temperature detection means)
142 Power generation chamber temperature sensor (temperature detection means)
148 Reformer temperature sensor (temperature detection means)
150 Outside temperature sensor

Claims (4)

供給された燃料及び酸化剤ガスを利用して燃料電池セルで発電反応を生じさせて発電する燃料電池モジュールと、
上記燃料電池モジュールに発電に利用する燃料を供給する燃料供給手段と、
酸化剤ガス供給源から上記燃料電池モジュールに発電に利用する第1酸化剤ガスを供給する第1発電用酸化剤ガス供給手段と、
上記燃料供給手段により供給された燃料のうち、発電に使用されずに残った残余燃料を燃焼させることにより上記燃料電池モジュールを加熱する燃焼部と、
上記第1発電用酸化剤ガス供給手段に設けられ、上記燃焼部で生じた排ガスと上記第1発電用酸化剤ガスとの間で熱交換を行う熱交換部と、
上記燃料供給手段及び上記第1発電用酸化剤ガス供給手段を制御する制御手段と、を有する固体酸化物型燃料電池装置において、
上記酸化剤ガス供給源から上記燃料電池モジュールに、発電に利用する第2発電用酸化剤ガスを供給する第2発電用酸化剤ガス供給手段を備え、
上記制御手段は、上記燃料電池モジュール内の過剰な温度上昇の発生を推定する過昇温推定手段と、
上記過昇温推定手段によって過剰な温度上昇の発生が推定された場合に、上記第2発電用酸化剤ガスを上記燃料電池モジュールに流入させることにより、上記燃料電池モジュール内の温度を低下させる強制冷却手段と、を有し、
上記第2発電用酸化剤ガス供給手段は、上記第1発電用酸化剤ガスよりも上記第2発電用酸化剤ガスの温度が低くなるよう、上記第2発電用酸化剤ガスが上記熱交換部の少なくとも一部をバイパスして上記燃料電池モジュールに流入されるように構成されていることを特徴とする固体酸化物型燃料電池装置。
A fuel cell module for generating electricity by generating a power generation reaction in the fuel cell using the supplied fuel and oxidant gas; and
Fuel supply means for supplying fuel used for power generation to the fuel cell module;
First oxidant gas supply means for power generation for supplying a first oxidant gas used for power generation from the oxidant gas supply source to the fuel cell module;
Of the fuel supplied by the fuel supply means, a combustion unit that heats the fuel cell module by burning the remaining fuel that is not used for power generation; and
A heat exchanging unit provided in the first power generating oxidant gas supply means for exchanging heat between the exhaust gas generated in the combustion unit and the first power generating oxidant gas;
A solid oxide fuel cell device comprising: the fuel supply means; and a control means for controlling the first power generation oxidant gas supply means.
A second power generation oxidant gas supply means for supplying a second power generation oxidant gas used for power generation from the oxidant gas supply source to the fuel cell module;
The control means includes an excessive temperature rise estimation means for estimating the occurrence of an excessive temperature rise in the fuel cell module;
When an excessive temperature rise is estimated by the excessive temperature rise estimation means, the second power generating oxidant gas is caused to flow into the fuel cell module to forcibly reduce the temperature in the fuel cell module. Cooling means,
The second power generation oxidant gas supply means is configured to convert the second power generation oxidant gas into the heat exchange unit so that the temperature of the second power generation oxidant gas is lower than that of the first power generation oxidant gas. A solid oxide fuel cell device configured to bypass at least a portion of the fuel cell module and flow into the fuel cell module.
上記燃料電池モジュールに上記第2発電用酸化剤ガスを供給する前に、バイパスさせた上記第2発電用酸化剤ガスを昇温させる昇温手段を有することを特徴とする、請求項1記載の固体酸化物型燃料電池。   2. The temperature raising means for raising the temperature of the bypassed second power generating oxidant gas before supplying the second power generating oxidant gas to the fuel cell module, according to claim 1, Solid oxide fuel cell. 上記昇温手段は、上記燃料電池モジュールに上記第2発電用酸化剤ガスを供給する前に、バイパスさせた上記第2発電用酸化剤ガスを上記第1発電用酸化剤ガスとを混合する混合部を備えていることを特徴とする請求項2記載の固体酸化物型燃料電池。   The temperature raising means mixes the bypassed second power generating oxidant gas with the first power generating oxidant gas before supplying the second power generating oxidant gas to the fuel cell module. The solid oxide fuel cell according to claim 2, further comprising a portion. 部分酸化改質反応及び/又は水蒸気改質反応によって上記燃料を改質する改質部と、
上記改質器に改質反応用の空気を供給する改質用空気供給手段と、
上記改質器に水蒸気改質反応用の水を供給する改質用水供給手段と、をさらに備え、
上記制御部は、起動時には部分酸化改質反応と水蒸気改質反応とを改質器内で並存させて改質を行うオートサーマル改質反応を行って上記燃料電池モジュール内を昇温させ、所定の温度に達した後に部分酸化改質反応を止めて水蒸気改質反応のみを行うよう制御し、
上記第2発電用酸化剤ガスは、上記所定の温度に達した後、上記改質用空気供給手段を用いて上記燃料電池モジュールに供給されることを特徴とする、請求項3に記載された固体酸化物型燃料電池装置。
A reforming section for reforming the fuel by a partial oxidation reforming reaction and / or a steam reforming reaction;
Reforming air supply means for supplying reforming air to the reformer;
A reforming water supply means for supplying water for steam reforming reaction to the reformer,
The control unit performs an autothermal reforming reaction in which a partial oxidation reforming reaction and a steam reforming reaction coexist in the reformer at the time of start-up to raise the temperature in the fuel cell module, Control to stop the partial oxidation reforming reaction and perform only the steam reforming reaction after reaching the temperature of
4. The fuel cell module according to claim 3, wherein the second power generation oxidant gas is supplied to the fuel cell module using the reforming air supply unit after reaching the predetermined temperature. 5. Solid oxide fuel cell device.
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