JP2022131744A - Fuel cell temperature evaluation device, control device, and temperature evaluation method - Google Patents

Fuel cell temperature evaluation device, control device, and temperature evaluation method Download PDF

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Norihisa Matake
龍太郎 森
Ryutaro Mori
大悟 小林
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Abstract

To continuously evaluate a power generation chamber temperature of a fuel cell over a long period of time while suppressing an increase in maintenance costs.SOLUTION: A fuel cell temperature evaluation device stores, in a storage unit, a characteristic map showing the difference between the initial internal heat generation amount and the internal heat generation amount at the time of temperature estimation, and the correlation between the fuel cell and a power generation chamber temperature. Then, on the basis of the characteristic map stored in the storage unit, evaluation is performed by calculating the power generation chamber temperature corresponding to the calculation result of the difference in the internal heat generation amount of the fuel cell.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本開示は、燃料電池の温度評価装置、制御装置、及び、温度評価方法に関する。 The present disclosure relates to a fuel cell temperature evaluation device, a control device, and a temperature evaluation method.

燃料ガスと酸化性ガスとを化学反応させることにより発電する燃料電池は、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有している。このうち、固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、水素、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、及び炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガス等のガスなどを燃料ガスとして供給して、およそ高温雰囲気で反応させて発電を行っている。 A fuel cell that generates power by chemically reacting a fuel gas and an oxidizing gas has characteristics such as excellent power generation efficiency and environmental friendliness. Among these, solid oxide fuel cells (Solid Oxide Fuel Cells: SOFC) use ceramics such as zirconia ceramics as electrolytes, and hydrogen, city gas, natural gas, petroleum, methanol, and carbon-containing raw materials are used in gasification equipment. A gas such as gasification gas produced by is supplied as a fuel gas, and is reacted in a high-temperature atmosphere to generate power.

燃料電池は、例えば、複数の燃料電池セルを含む発電室を有する燃料電池カートリッジを備えてなる。発電室の温度は、上述の固体酸化物形燃料電池では、700℃~1000℃が適正温度とされており、燃料電池の運転時に適切に監視する必要がある。例えば特許文献1では、温度センサである熱電対を、発電室内部における燃料電池セルの温度測定部位に設置し、その検出値を取得することにより発電室の温度監視を行っている。また特許文献2では燃料ガスの温度および流量、酸化剤ガスの温度及び流量、並びに燃料電池スタックから取り出す電流の電流値からそれぞれの燃料電池セルの最高温度を算出するセル状態算出部を有する装置が開示されている。 A fuel cell comprises, for example, a fuel cell cartridge having a generator chamber containing a plurality of fuel cells. In the solid oxide fuel cell described above, the proper temperature of the generation chamber is 700° C. to 1000° C., and it is necessary to appropriately monitor the temperature during operation of the fuel cell. For example, in Patent Document 1, a thermocouple, which is a temperature sensor, is installed at a temperature measurement portion of the fuel cell inside the power generation chamber, and the temperature of the power generation chamber is monitored by acquiring the detected value. Further, in Patent Document 2, a device having a cell state calculation unit that calculates the maximum temperature of each fuel cell from the temperature and flow rate of the fuel gas, the temperature and flow rate of the oxidant gas, and the current value of the current taken out from the fuel cell stack is disclosed. disclosed.

特開2019-185853公報Japanese Patent Laid-Open No. 2019-185853 特開2015-103442公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-103442

上記特許文献1では、温度センサである熱電対を発電室内部に位置する温度測定部位に設置することで、発電室温度の監視を行っている。このような熱電対は、一般的に耐久性が数年程度であり、10年程度の耐久性を目標として開発が進められている燃料電池に比べて短い。特に、熱電対が配置される発電室は高温であり、熱電対にとって苛酷な環境である。そのため、燃料電池の発電室温度の監視を継続的に行うためには、熱電対を交換するための工事等が必要となり、燃料電池のメンテナンスコストが増大してしまうことが考えられる。 In Patent Literature 1, the temperature of the generating chamber is monitored by installing a thermocouple, which is a temperature sensor, at a temperature measuring portion located inside the generating chamber. Such thermocouples generally have a durability of several years, which is shorter than that of fuel cells, which are being developed with a goal of durability of about 10 years. In particular, the generator chamber in which the thermocouples are arranged has a high temperature and is a harsh environment for the thermocouples. Therefore, in order to continuously monitor the temperature of the generating chamber of the fuel cell, it is necessary to replace the thermocouple, which may increase the maintenance cost of the fuel cell.

また上記特許文献2では供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの温度、流量とスタックから取り出す電流値から燃料電池セルの最高温度を求めるため、スタックの性能変化に伴う発熱量の増加の影響は考慮されない。 In addition, in Patent Document 2, since the maximum temperature of the fuel cell is obtained from the temperature and flow rate of the supplied fuel gas and oxidant gas and the current value taken out from the stack, the influence of the increase in the amount of heat generated due to the change in the performance of the stack is taken into consideration. not.

本開示の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、メンテナンスコストの増大を抑えつつ、長期にわたって燃料電池の発電室温度を継続的に評価可能な燃料電池の温度評価装置、制御装置、及び、温度評価方法を提供することを目的とする。 At least one embodiment of the present disclosure has been devised in view of the above circumstances, and is a fuel cell temperature evaluation device and control device capable of continuously evaluating the temperature of the generation chamber of a fuel cell over a long period of time while suppressing an increase in maintenance costs. An object is to provide an apparatus and a temperature evaluation method.

本開示の少なくとも一実施形態に係る燃料電池の温度評価装置は、上記課題を解決するために、
燃料電池の初期の内部発熱量と温度推定時の内部発熱量との差分を算出するための内部発熱量差分算出部と、
前記内部発熱量の差分と前記燃料電池の発電室温度との相関を示す特性マップを記憶するための記憶部と、
前記記憶部に記憶された特性マップに基づいて、前記内部発熱量差分算出部で算出された前記内部発熱量の差分に対応する前記発電室温度を算出するための発電室温度算出部と、
を備える。
In order to solve the above problems, a fuel cell temperature evaluation device according to at least one embodiment of the present disclosure includes:
an internal calorific value difference calculator for calculating the difference between the initial internal calorific value of the fuel cell and the internal calorific value at the time of temperature estimation;
a storage unit for storing a characteristic map indicating the correlation between the difference in the internal heat generation amount and the temperature of the generation chamber of the fuel cell;
a generator chamber temperature calculator for calculating the generator chamber temperature corresponding to the difference in the internal calorific value calculated by the internal calorific value difference calculator, based on the characteristic map stored in the storage unit;
Prepare.

本開示の少なくとも一実施形態に係る燃料電池の制御装置は、上記課題を解決するために、
本開示の少なくとも一実施形態に係る燃料電池の温度評価装置と、
前記発電室温度算出部で算出された前記発電室温度に基づいて前記燃料電池を制御するための制御部と、
を備える。
In order to solve the above problems, a fuel cell control device according to at least one embodiment of the present disclosure includes:
a fuel cell temperature evaluation device according to at least one embodiment of the present disclosure;
a controller for controlling the fuel cell based on the generator chamber temperature calculated by the generator chamber temperature calculator;
Prepare.

本開示の少なくとも一実施形態に係る燃料電池の温度評価方法は、上記課題を解決するために、
燃料電池の初期の内部発熱量と温度推定時の内部発熱量との差分を算出する工程と、
前記内部発熱量の差分と前記燃料電池の発電室温度との相関を示す特性マップに基づいて、前記内部発熱量の差分に対応する前記発電室温度を算出する工程と、
を備える。
In order to solve the above problems, a fuel cell temperature evaluation method according to at least one embodiment of the present disclosure includes:
a step of calculating a difference between an initial internal calorific value of the fuel cell and an internal calorific value at the time of temperature estimation;
calculating the temperature of the power generation chamber corresponding to the difference in the amount of internal heat generation based on a characteristic map showing the correlation between the difference in the amount of internal heat generation and the temperature of the generation chamber of the fuel cell;
Prepare.

本開示の少なくとも一実施形態によれば、メンテナンスコストの増大を抑えつつ、長期にわたって燃料電池の発電室温度を継続的に評価可能な燃料電池の温度評価装置、制御装置、及び、温度評価方法を提供できる。 According to at least one embodiment of the present disclosure, a fuel cell temperature evaluation device, a control device, and a temperature evaluation method capable of continuously evaluating the generation chamber temperature of a fuel cell over a long period of time while suppressing an increase in maintenance costs are provided. can provide.

一実施形態に係る燃料電池が備えるセルスタックを示す図である。1 is a diagram showing a cell stack included in a fuel cell according to one embodiment; FIG. 一実施形態に係るSOFCモジュールを示す図である。FIG. 2 illustrates an SOFC module according to one embodiment; 一実施形態に係るSOFCカートリッジを示す断面図である。1 is a cross-sectional view of an SOFC cartridge according to one embodiment; FIG. 図2の圧力容器内における複数のSOFCカートリッジの配置例を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing an example arrangement of a plurality of SOFC cartridges in the pressure vessel of FIG. 2; 一実施形態に係る燃料電池の制御装置のブロック構成図である。1 is a block configuration diagram of a control device for a fuel cell according to one embodiment; FIG. 一実施形態に係る温度評価方法を示すフローチャートである。4 is a flowchart illustrating a temperature evaluation method according to one embodiment; 図6のステップS10で選択された燃料電池カートリッジを周辺構成とともに簡略的に示す構成図である。FIG. 7 is a configuration diagram schematically showing the fuel cell cartridge selected in step S10 of FIG. 6 together with its peripheral configuration; 記憶部に記憶された特性マップの一例である。It is an example of the characteristic map memorize|stored in the memory|storage part. 他の実施形態に係る燃料電池の制御装置のブロック構成図である。FIG. 4 is a block configuration diagram of a control device for a fuel cell according to another embodiment; 記憶部に記憶された特性マップの他の例である。It is another example of the characteristic map memorize|stored in the memory|storage part. 図5の制御部によって実施される燃料電池モジュールの制御方法を示すフローチャートである。6 is a flow chart showing a control method of the fuel cell module implemented by the controller of FIG. 5; 図10のステップS25における目標値の修正例である。It is an example of correction of the target value in step S25 of FIG. 図10のステップS25における目標値の他の修正例である。FIG. 11 is another correction example of the target value in step S25 of FIG. 10. FIG.

以下に、本発明に係る燃料電池の制御装置及び制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。 An embodiment of a fuel cell control device and control method according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて説明した各構成要素の位置関係は、各々鉛直上方側、鉛直下方側を示すものである。また、本実施形態では、上下方向と水平方向で同様な効果を得られるものは、紙面における上下方向が必ずしも鉛直上下方向に限定することなく、例えば鉛直方向に直交する水平方向に対応してもよい。 In the following, for convenience of explanation, the positional relationship of each component described using the expressions "above" and "below" with respect to the paper plane indicates the vertically upper side and the vertically lower side, respectively. Further, in this embodiment, the same effect can be obtained in the vertical direction and the horizontal direction. good.

まず温度評価装置の評価対象である燃料電池の構成について説明する。以下の説明では、燃料電池の一例として固体酸化物形燃料電池(SOFC)について述べる。また固体酸化物形燃料電池(SOFC)のセルスタック101として円筒形(筒状)を例として説明するが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。基体上に燃料電池セルを形成するが、基体ではなく電極(燃料極もしくは空気極)が厚く形成されて、基体を兼用したものでもよい。 First, the configuration of the fuel cell, which is the evaluation target of the temperature evaluation device, will be described. In the following description, a solid oxide fuel cell (SOFC) is described as an example of a fuel cell. Further, although a cylindrical (cylindrical) cell stack 101 of a solid oxide fuel cell (SOFC) is described as an example, it is not necessarily limited to this, and for example, a flat cell stack may be used. Although the fuel cell is formed on the substrate, the electrode (fuel electrode or air electrode) may be thickly formed instead of the substrate to serve as the substrate.

図1は一実施形態に係る燃料電池が備えるセルスタック101を示す図である。図1では、セルスタック101の一例として、基体管を用いる円筒形セルスタックが示されている。基体管を用いない場合は、例えば燃料極を厚く形成して基体管を兼用してもよく、基体管の使用に限定されることはない。また、本実施形態での基体管は円筒形状を用いたもので説明するが、基体管は筒状であればよく、必ずしも断面が円形に限定されなく、例えば楕円形状でもよい。円筒の周側面を垂直に押し潰した扁平円筒(Flat tubular)等のセルスタックでもよい。 FIG. 1 is a diagram showing a cell stack 101 included in a fuel cell according to one embodiment. FIG. 1 shows a cylindrical cell stack using substrate tubes as an example of the cell stack 101 . When the substrate tube is not used, for example, the fuel electrode may be formed thick and used as the substrate tube, and the use of the substrate tube is not limited. Further, although the substrate tube in this embodiment is described as having a cylindrical shape, the substrate tube may be cylindrical, and the cross section is not necessarily limited to a circular shape, and may be an elliptical shape, for example. A cell stack such as a flat tubular in which the peripheral surface of the cylinder is vertically crushed may be used.

セルスタック101は、一例として円筒形状の基体管103と、基体管103の外周面に複数形成された燃料電池セル105と、隣り合う燃料電池セル105の間に形成されたインターコネクタ107とを備える。燃料電池セル105は、燃料極109と固体電解質膜111と空気極113とが積層して形成されている。また、セルスタック101は、基体管103の外周面に形成された複数の燃料電池セル105の内、基体管103の軸方向において最も端の一端に形成された燃料電池セル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たリード膜115を備え、最も端の他端に形成された燃料電池セル105の燃料極109に電気的に接続されたリード膜115を備える。 The cell stack 101 includes, for example, a cylindrical base tube 103, a plurality of fuel cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103, and an interconnector 107 formed between adjacent fuel cells 105. . The fuel cell 105 is formed by laminating a fuel electrode 109, a solid electrolyte membrane 111, and an air electrode 113. As shown in FIG. In addition, the cell stack 101 is attached to the air electrode 113 of the fuel cell 105 formed at one end of the base tube 103, which is the most 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. , a lead film 115 electrically connected via an interconnector 107, and a lead film 115 electrically connected to the fuel electrode 109 of the fuel cell 105 formed at the other end of the most end.

基体管103は、多孔質材料からなり、例えば、CaO安定化ZrO(CSZ)、CSZと酸化ニッケル(NiO)との混合物(CSZ+NiO)、又はY安定化ZrO(YSZ)、又はMgAlなどを主成分とされる。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とを支持すると共に、基体管103の内周面に供給される燃料ガスを基体管103の細孔を介して基体管103の外周面に形成される燃料極109に拡散させるものである。 The substrate tube 103 is made of a porous material, such as CaO - stabilized ZrO2 ( CSZ), a mixture of CSZ and nickel oxide (NiO) (CSZ+NiO), or Y2O3 - stabilized ZrO2 ( YSZ), or The main component is MgAl 2 O 4 or the like. The substrate tube 103 supports the fuel cell 105, the interconnector 107, and the lead film 115, and also allows the fuel gas supplied to the inner peripheral surface of the substrate tube 103 to pass through the substrate tube 103 through the pores of the substrate tube 103. is diffused to the fuel electrode 109 formed on the outer peripheral surface of the .

燃料極109は、Niとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ni/YSZが用いられる。燃料極109の厚さは50μm~250μmであり、燃料極109はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。この場合、燃料極109は、燃料極109の成分であるNiが燃料ガスに対して触媒作用を備える。この触媒作用は、基体管103を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン(CH)と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素(H)と一酸化炭素(CO)に改質するものである。また、燃料極109は、改質により得られる水素(H)及び一酸化炭素(CO)と、固体電解質膜111を介して供給される酸素イオン(O2-)とを固体電解質膜111との界面付近において電気化学的に反応させて水(HO)及び二酸化炭素(CO)を生成するものである。なお、燃料電池セル105は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。 The fuel electrode 109 is composed of a composite oxide of Ni and a zirconia-based electrolyte material, such as Ni/YSZ. The thickness of the fuel electrode 109 is 50 μm to 250 μm, and the fuel electrode 109 may be formed by screen printing slurry. In this case, the fuel electrode 109 has Ni, which is a component of the fuel electrode 109, catalyzing the fuel gas. This catalytic action causes the fuel gas supplied through the substrate tube 103, such as a mixed gas of methane (CH 4 ) and water vapor, to react and reform into hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO). It is. In addition, the fuel electrode 109 combines hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) obtained by reforming and oxygen ions (O 2− ) supplied through the solid electrolyte membrane 111 with the solid electrolyte membrane 111. are electrochemically reacted near the interface to produce water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ). At this time, the fuel cell 105 generates electricity by electrons released from the oxygen ions.

燃料極109に供給し利用できる燃料ガスとしては、水素(H)、アンモニア(NH)及び一酸化炭素(CO)、メタン(CH)等の炭化水素系ガス、都市ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、及び石炭等の炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガスなどが挙げられる。 Fuel gases that can be supplied to and used by the fuel electrode 109 include hydrocarbon gases such as hydrogen (H 2 ), ammonia (NH 3 ), carbon monoxide (CO), and methane (CH 4 ), city gas, and natural gas. Other examples include gasification gas produced by gasification equipment from carbon-containing raw materials such as petroleum, methanol, and coal.

固体電解質膜111は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを備えるYSZが主として用いられる。この固体電解質膜111は、空気極で生成される酸素イオン(O2-)を燃料極に移動させるものである。燃料極109の表面上に位置する固体電解質膜111の膜厚は10μm~100μmであり固体電解質膜111はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。 The solid electrolyte membrane 111 is mainly made of YSZ, which has airtightness and high oxygen ion conductivity at high temperatures. This solid electrolyte membrane 111 moves oxygen ions (O 2− ) generated at the air electrode to the fuel electrode. The thickness of the solid electrolyte membrane 111 located on the surface of the fuel electrode 109 is 10 μm to 100 μm, and the solid electrolyte membrane 111 may be formed by screen printing slurry.

空気極113は、例えば、LaSrMnO系酸化物、又はLaCoO系酸化物で構成され、空気極113はスラリーをスクリーン印刷又はディスペンサを用いて塗布される。この空気極113は、固体電解質膜111との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン(O2-)を生成するものである。 The air electrode 113 is made of, for example, LaSrMnO 3 -based oxide or LaCoO 3 -based oxide, and slurry is applied to the air electrode 113 by screen printing or using a dispenser. This air electrode 113 generates oxygen ions (O 2− ) by dissociating oxygen in an oxidizing gas such as supplied air near the interface with the solid electrolyte membrane 111 .

空気極113は2層構成とすることもできる。この場合、固体電解質膜111側の空気極層(空気極中間層)は高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。空気極中間層上の空気極層(空気極導電層)は、Sr及びCaドープLaMnOで表されるペロブスカイト型酸化物で構成されても良い。こうすることにより、発電性能をより向上させることができる。 The air electrode 113 can also have a two-layer structure. In this case, the air electrode layer (intermediate air electrode layer) on the solid electrolyte membrane 111 side exhibits high ion conductivity and is composed of a material with excellent catalytic activity. The cathode layer (cathode conductive layer) on the cathode intermediate layer may be composed of a perovskite oxide represented by Sr- and Ca-doped LaMnO 3 . By doing so, power generation performance can be further improved.

酸化性ガスとは,酸素を略15%~30%含むガス であり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。 The oxidizing gas is a gas containing approximately 15% to 30% oxygen, and air is typically suitable. is available.

インターコネクタ107は、SrTiO系などのM1-xTiO(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から構成され、スラリーをスクリーン印刷する。インターコネクタ107は、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ107は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した耐久性と電気導電性を備える。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109とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル105同士を直列に接続するものである。 The interconnector 107 is composed of a conductive perovskite-type oxide represented by M 1-x L x TiO 3 (M is an alkaline earth metal element, L is a lanthanide element) such as SrTiO 3 system, and the slurry is screen-printed. do. The interconnector 107 is a dense film that prevents mixing of the fuel gas and the oxidizing gas. In addition, the interconnector 107 has stable durability and electrical conductivity in both an oxidizing atmosphere and a reducing atmosphere. This interconnector 107 electrically connects the air electrode 113 of one fuel cell 105 and the fuel electrode 109 of the other fuel cell 105 in the adjacent fuel cells 105, and connects the adjacent fuel cells 105 to each other. are connected in series.

リード膜115は、電子伝導性を備えること、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、Ni/YSZ等のNiとジルコニア系電解質材料との複合材やSrTiO系などのM1-xLxTiO(Mはアルカリ土類金属元素、Lはランタノイド元素)で構成されている。このリード膜115は、インターコネクタ107により直列に接続され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ものである。 The lead film 115 is required to have electronic conductivity and to have a coefficient of thermal expansion close to that of other materials constituting the cell stack 101. Therefore, the combination of Ni such as Ni/YSZ and the zirconia-based electrolyte material is preferable. It is composed of M1-xLxTiO 3 (M is an alkaline earth metal element, L is a lanthanide element) such as a composite material or SrTiO 3 system. This lead film 115 guides the DC power generated by the plurality of fuel cells 105 connected in series by the interconnector 107 to near the end of the cell stack 101 .

次に、図2及び図3を参照して一実施形態に係るSOFCモジュール201(燃料電池モジュール)及びSOFCカートリッジ203(燃料電池カートリッジ)について説明する。ここで、図2は一実施形態に係るSOFCモジュール201を示す図であり、図3は一実施形態に係るSOFCカートリッジ203を示す断面図である。 Next, an SOFC module 201 (fuel cell module) and an SOFC cartridge 203 (fuel cell cartridge) according to one embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 3. FIG. Here, FIG. 2 is a diagram showing an SOFC module 201 according to one embodiment, and FIG. 3 is a cross-sectional diagram showing an SOFC cartridge 203 according to one embodiment.

SOFCモジュール201は、図2に示すように、例えば、複数のSOFCカートリッジ203と、これら複数のSOFCカートリッジ203を収納する圧力容器205とを備える。尚、図2には円筒形のSOFCのセルスタック101を例示しているが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。また、SOFCモジュール201は、燃料ガス供給管207と複数の燃料ガス供給枝管207a及び燃料ガス排出管209と複数の燃料ガス排出枝管209aとを備える。また、SOFCモジュール201は、酸化性ガス供給管(不図示)と複数の酸化性ガス供給枝管(図7を参照)及び酸化性ガス排出管(不図示)と複数の酸化性ガス排出枝管(図7を参照)とを備える。 The SOFC module 201 includes, for example, a plurality of SOFC cartridges 203 and a pressure vessel 205 that houses the plurality of SOFC cartridges 203, as shown in FIG. Although the cylindrical SOFC cell stack 101 is illustrated in FIG. 2, it is not necessarily limited to this, and for example, a flat cell stack may be used. The SOFC module 201 also includes a fuel gas supply pipe 207, a plurality of fuel gas supply branch pipes 207a, a fuel gas discharge pipe 209, and a plurality of fuel gas discharge branch pipes 209a. The SOFC module 201 also includes an oxidizing gas supply pipe (not shown), a plurality of oxidizing gas supply branch pipes (see FIG. 7), an oxidizing gas discharge pipe (not shown) and a plurality of oxidizing gas discharge branch pipes. (See FIG. 7).

燃料ガス供給管207は、圧力容器205の外部に設けられ、SOFCモジュール201の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを供給する燃料ガス供給部に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管207aに接続されている。この燃料ガス供給管207は、上述の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管207aに分岐して導くものである。また、燃料ガス供給枝管207aは、燃料ガス供給管207に接続されると共に、複数のSOFCカートリッジ203に接続されている。この燃料ガス供給枝管207aは、燃料ガス供給管207から供給される燃料ガスを複数のSOFCカートリッジ203に略均等の流量で導き、複数のSOFCカートリッジ203の発電性能を略均一化させるものである。 The fuel gas supply pipe 207 is provided outside the pressure vessel 205 and is connected to a fuel gas supply unit that supplies fuel gas with a predetermined gas composition and a predetermined flow rate corresponding to the power generation amount of the SOFC module 201. It is connected to the fuel gas supply branch pipe 207a. The fuel gas supply pipe 207 branches and guides a predetermined flow rate of the fuel gas supplied from the fuel gas supply section described above to a plurality of fuel gas supply branch pipes 207a. Further, the fuel gas supply branch pipe 207 a is connected to the fuel gas supply pipe 207 and also to the plurality of SOFC cartridges 203 . The fuel gas supply branch pipe 207a guides the fuel gas supplied from the fuel gas supply pipe 207 to the plurality of SOFC cartridges 203 at a substantially uniform flow rate, thereby substantially uniforming the power generation performance of the plurality of SOFC cartridges 203. .

燃料ガス排出枝管209aは、複数のSOFCカートリッジ203に接続されると共に、燃料ガス排出管209に接続されている。この燃料ガス排出枝管209aは、SOFCカートリッジ203から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管209に導くものである。また、燃料ガス排出管209は、複数の燃料ガス排出枝管209aに接続されると共に、一部が圧力容器205の外部に配置されている。この燃料ガス排出管209は、燃料ガス排出枝管209aから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器205の外部に導くものである。 The fuel gas discharge branch pipe 209 a is connected to the plurality of SOFC cartridges 203 and to the fuel gas discharge pipe 209 . This fuel gas discharge branch pipe 209 a guides the exhaust fuel gas discharged from the SOFC cartridge 203 to the fuel gas discharge pipe 209 . Further, the fuel gas discharge pipe 209 is connected to a plurality of fuel gas discharge branch pipes 209 a and part of it is arranged outside the pressure vessel 205 . This fuel gas discharge pipe 209 guides the exhaust fuel gas discharged from the fuel gas discharge branch pipe 209 a at a substantially uniform flow rate to the outside of the pressure vessel 205 .

圧力容器205は、内部の圧力が0.1MPa~約3MPa、内部の温度が大気温度~約550℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばSUS304などのステンレス系材が好適である。 Since the pressure vessel 205 is operated at an internal pressure of 0.1 MPa to about 3 MPa and an internal temperature of from the atmospheric temperature to about 550° C., it has durability and corrosion resistance to oxidants such as oxygen contained in the oxidizing gas. The materials we have are used. For example, a stainless steel material such as SUS304 is suitable.

ここで、本実施形態においては、複数のSOFCカートリッジ203が集合化されて圧力容器205に収納される。図4は図2の圧力容器205内における複数のSOFCカートリッジ203の配置例を示す模式図である。圧力容器205内における複数のSOFCカートリッジ203の配置レイアウトや数は任意でもよいが、本実施形態では、複数のSOFCカートリッジ203が互いに隣接するように配列されている。 Here, in this embodiment, a plurality of SOFC cartridges 203 are grouped and housed in the pressure vessel 205 . FIG. 4 is a schematic diagram showing an arrangement example of a plurality of SOFC cartridges 203 inside the pressure vessel 205 of FIG. The arrangement layout and number of the plurality of SOFC cartridges 203 in the pressure vessel 205 may be arbitrary, but in this embodiment, the plurality of SOFC cartridges 203 are arranged adjacent to each other.

図4では、圧力容器205内における一つのレイアウト例として、4つのSOFCカートリッジ203A、203B、203C、203Dが一方向に沿って順に配列された場合が示されている。最も左側に配置されたSOFCカートリッジ203Aは、一方側が外部(圧力容器205内の雰囲気又は圧力容器205の内壁面)に露出しており、他方側に隣接するSOFCカートリッジ203Bが配置されている。SOFCカートリッジ203Bは、その両側にSOFCカートリッジ203A及び203Cがそれぞれ隣接して配置されている。SOFCカートリッジ203Cは、その両側にSOFCカートリッジ203B及び203Dがそれぞれ隣接して配置されている。SOFCカートリッジ203Dは、一方側にSOFCカートリッジ203Cが隣接して配置され、他方側は外部(圧力容器205内の雰囲気又は圧力容器205の内壁面)に露出している。 FIG. 4 shows a case where four SOFC cartridges 203A, 203B, 203C, and 203D are arranged in order along one direction as one layout example inside the pressure vessel 205. As shown in FIG. One side of the leftmost SOFC cartridge 203A is exposed to the outside (atmosphere in the pressure vessel 205 or the inner wall surface of the pressure vessel 205), and the adjacent SOFC cartridge 203B is disposed on the other side. SOFC cartridge 203B has SOFC cartridges 203A and 203C adjacent to each other on both sides thereof. The SOFC cartridge 203C is flanked by SOFC cartridges 203B and 203D on both sides thereof. The SOFC cartridge 203D is arranged adjacent to the SOFC cartridge 203C on one side, and the other side is exposed to the outside (the atmosphere inside the pressure vessel 205 or the inner wall surface of the pressure vessel 205).

SOFCカートリッジ203は、図3に示す通り、複数のセルスタック101と、発電室215と、燃料ガス供給ヘッダ217と、燃料ガス排出ヘッダ219と、酸化性ガス供給ヘッダ221と、酸化性ガス排出ヘッダ223とを備える。また、SOFCカートリッジ203は、上部管板225aと、下部管板225bと、上部断熱体227aと、下部断熱体227bとを備える。なお、本実施形態においては、SOFCカートリッジ203は、燃料ガス供給ヘッダ217と燃料ガス排出ヘッダ219と酸化性ガス供給ヘッダ221と酸化性ガス排出ヘッダ223とが図3のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタック101の内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタック101の長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。 The SOFC cartridge 203, as shown in FIG. 223. The SOFC cartridge 203 also includes an upper tube sheet 225a, a lower tube sheet 225b, an upper heat insulator 227a, and a lower heat insulator 227b. In the present embodiment, the SOFC cartridge 203 has the fuel gas supply header 217, the fuel gas discharge header 219, the oxidizing gas supply header 221, and the oxidizing gas discharge header 223 arranged as shown in FIG. , the fuel gas and the oxidizing gas flow inside and outside the cell stack 101 facing each other. Alternatively, the oxidizing gas may flow in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the cell stack 101 .

発電室215は、上部断熱体227aと下部断熱体227bとの間に形成された領域である。この発電室215は、セルスタック101の燃料電池セル105が配置された領域であり、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。また、この発電室215のセルスタック101長手方向の中央部付近での温度は、後述する温度評価装置によって評価されることによって監視され、燃料電池モジュール201の定常運転時に、およそ700℃~1000℃の高温雰囲気となる。 The power generation chamber 215 is a region formed between the upper heat insulator 227a and the lower heat insulator 227b. The power generation chamber 215 is a region in which the fuel cells 105 of the cell stack 101 are arranged, and is a region in which the fuel gas and the oxidizing gas are electrochemically reacted to generate power. Further, the temperature near the central portion of the cell stack 101 in the longitudinal direction of the power generation chamber 215 is monitored by being evaluated by a temperature evaluation device to be described later. becomes a high-temperature atmosphere.

燃料ガス供給ヘッダ217は、SOFCカートリッジ203の上部ケーシング229aと上部管板225aとに囲まれた領域であり、上部ケーシング229aの上部に設けられた燃料ガス供給孔231aによって、燃料ガス供給枝管207aと連通されている。また、複数のセルスタック101は、上部管板225aとシール部材237aにより接合されており、燃料ガス供給ヘッダ217は、燃料ガス供給枝管207aから燃料ガス供給孔231aを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック101の基体管103の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック101の発電性能を略均一化させるものである。 The fuel gas supply header 217 is an area surrounded by the upper casing 229a and the upper tube plate 225a of the SOFC cartridge 203. The fuel gas supply branch pipe 207a is connected to the fuel gas supply branch pipe 207a by the fuel gas supply hole 231a provided in the upper part of the upper casing 229a. is communicated with. The plurality of cell stacks 101 are joined to the upper tube plate 225a and the sealing member 237a. is introduced into the substrate tubes 103 of the plurality of cell stacks 101 at a substantially uniform flow rate to substantially uniform the power generation performance of the plurality of cell stacks 101 .

燃料ガス排出ヘッダ219は、SOFCカートリッジ203の下部ケーシング229bと下部管板225bとに囲まれた領域であり、下部ケーシング229bに備えられた燃料ガス排出孔231bによって、図示しない燃料ガス排出枝管209aと連通されている。また、複数のセルスタック101は、下部管板225bとシール部材237bにより接合されており、燃料ガス排出ヘッダ219は、複数のセルスタック101の基体管103の内部を通過して燃料ガス排出ヘッダ219に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔231bを介して燃料ガス排出枝管209aに導くものである。 The fuel gas discharge header 219 is an area surrounded by the lower casing 229b and the lower tube plate 225b of the SOFC cartridge 203. The fuel gas discharge branch pipe 209a (not shown) is opened by the fuel gas discharge hole 231b provided in the lower casing 229b. is communicated with. In addition, the plurality of cell stacks 101 are joined to the lower tube plate 225b and the sealing member 237b, and the fuel gas discharge header 219 passes through the inside of the base tube 103 of the plurality of cell stacks 101 to the fuel gas discharge header 219. The exhaust fuel gas supplied to is collected and led to the fuel gas discharge branch pipe 209a through the fuel gas discharge hole 231b.

SOFCモジュール201の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを図示しない酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のSOFCカートリッジ203へ供給する。酸化性ガス供給ヘッダ221は、SOFCカートリッジ203の下部ケーシング229bと下部管板225bと下部断熱体227bとに囲まれた領域であり、下部ケーシング229bの側面に設けられた酸化性ガス供給孔233aによって、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給ヘッダ221は、図示しない酸化性ガス供給枝管から酸化性ガス供給孔233aを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、後述する酸化性ガス供給隙間235aを介して発電室215に導くものである。 An oxidizing gas having a predetermined gas composition and a predetermined flow rate corresponding to the amount of power generated by the SOFC module 201 is branched to an oxidizing gas supply branch pipe (not shown) and supplied to a plurality of SOFC cartridges 203 . The oxidizing gas supply header 221 is an area surrounded by the lower casing 229b, the lower tube sheet 225b, and the lower heat insulator 227b of the SOFC cartridge 203, and is supplied by the oxidizing gas supply holes 233a provided on the side surface of the lower casing 229b. , is communicated with an oxidizing gas supply branch pipe (not shown). The oxidizing gas supply header 221 receives a predetermined flow rate of oxidizing gas supplied from an oxidizing gas supply branch pipe (not shown) through an oxidizing gas supply hole 233a to generate power through an oxidizing gas supply gap 235a, which will be described later. It leads to chamber 215 .

酸化性ガス排出ヘッダ223は、SOFCカートリッジ203の上部ケーシング229aと上部管板225aと上部断熱体227aとに囲まれた領域であり、上部ケーシング229aの側面に設けられた酸化性ガス排出孔233bによって、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。この酸化性ガス排出ヘッダ223は、発電室215から、後述する酸化性ガス排出隙間235bを介して燃料ガス排出ヘッダ223に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔233bを介して図示しない酸化性ガス排出枝管に導くものである。 The oxidizing gas discharge header 223 is an area surrounded by the upper casing 229a, the upper tube plate 225a, and the upper heat insulator 227a of the SOFC cartridge 203, and is discharged by the oxidizing gas discharge holes 233b provided on the side surface of the upper casing 229a. , is communicated with an oxidizing gas discharge branch pipe (not shown). The oxidizing gas discharge header 223 is shown through an oxidizing gas discharge hole 233b, which is supplied from the power generation chamber 215 to the fuel gas discharge header 223 through an oxidizing gas discharge gap 235b, which will be described later. It leads to an oxidizing gas discharge branch pipe that does not.

上部管板225aは、上部ケーシング229aの天板と上部断熱体227aとの間に、上部管板225aと上部ケーシング229aの天板と上部断熱体227aとが略平行になるように、上部ケーシング229aの側板に固定されている。また上部管板225aは、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック101が夫々挿入されている。この上部管板225aは、複数のセルスタック101の一方の端部をシール部材237a及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス供給ヘッダ217と酸化性ガス排出ヘッダ223とを隔離するものである。 The upper tube sheet 225a is positioned between the top plate of the upper casing 229a and the upper heat insulator 227a so that the upper tube sheet 225a, the top plate of the upper casing 229a, and the upper heat insulator 227a are substantially parallel to each other. is fixed to the side plate of the The upper tube plate 225a has a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203, and the cell stacks 101 are inserted into the holes. The upper tube plate 225a airtightly supports one end of each of the plurality of cell stacks 101 via one or both of a sealing member 237a and an adhesive member, and also includes a fuel gas supply header 217 and an oxidizing gas discharge header. 223.

上部断熱体227aは、上部ケーシング229aの下端部に、上部断熱体227aと上部ケーシング229aの天板と上部管板225aとが略平行になるように配置され、上部ケーシング229aの側板に固定されている。また、上部断熱体227aには、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック101の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体227aは、この孔の内面と、上部断熱体227aに挿通されたセルスタック101の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間235bを備える。 The upper heat insulator 227a is arranged at the lower end of the upper casing 229a so that the upper heat insulator 227a, the top plate of the upper casing 229a, and the upper tube plate 225a are substantially parallel, and are fixed to the side plates of the upper casing 229a. there is Also, the upper heat insulator 227 a is provided with a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203 . The diameter of this hole is set larger than the outer diameter of the cell stack 101 . The upper heat insulator 227a has an oxidizing gas discharge gap 235b formed between the inner surface of this hole and the outer surface of the cell stack 101 inserted through the upper heat insulator 227a.

この上部断熱体227aは、発電室215と酸化性ガス排出ヘッダ223とを仕切るものであり、上部管板225aの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板225a等はニッケル基合金などの高温耐久性のある金属材料から成るが、上部管板225a等が発電室215内の高温に晒されて上部管板225a等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、上部断熱体227aは、発電室215を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間235bを通過させて酸化性ガス排出ヘッダ223に導くものである。 The upper heat insulator 227a partitions the power generation chamber 215 and the oxidizing gas discharge header 223. When the atmosphere around the upper tube sheet 225a becomes hot, its strength decreases and corrosion due to the oxidizing agent contained in the oxidizing gas occurs. suppress the increase. Although the upper tube sheet 225a and the like are made of a metal material such as a nickel-based alloy that is resistant to high temperatures, the upper tube sheet 225a and the like are exposed to the high temperature inside the power generation chamber 215, and the temperature difference within the upper tube sheet 225a and the like increases. This prevents thermal deformation. The upper heat insulator 227a guides the exhaust oxidizing gas, which has passed through the power generation chamber 215 and is exposed to high temperatures, to the oxidizing gas exhaust header 223 through the oxidizing gas exhaust gap 235b.

本実施形態によれば、上述したSOFCカートリッジ203の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管103の内部を通って発電室215に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板225a等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出ヘッダ223に供給される。また、燃料ガスは、発電室215から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室215に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室215に供給することができる。 According to this embodiment, due to the structure of the SOFC cartridge 203 described above, the fuel gas and the oxidizing gas flow inside and outside the cell stack 101 facing each other. As a result, the exhaust oxidizing gas undergoes heat exchange with the fuel gas supplied to the power generation chamber 215 through the interior of the substrate tube 103, and the upper tube sheet 225a made of a metal material is prevented from buckling. It is cooled to a temperature at which it does not deform and is supplied to the oxidizing gas discharge header 223 . Further, the temperature of the fuel gas is raised by heat exchange with the exhaust oxidizing gas discharged from the power generation chamber 215 and supplied to the power generation chamber 215 . As a result, the fuel gas preheated to a temperature suitable for power generation can be supplied to the power generation chamber 215 without using a heater or the like.

下部管板225bは、下部ケーシング229bの底板と下部断熱体227bとの間に、下部管板225bと下部ケーシング229bの底板と下部断熱体227bとが略平行になるように下部ケーシング229bの側板に固定されている。また下部管板225bは、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック101が夫々挿入されている。この下部管板225bは、複数のセルスタック101の他方の端部をシール部材237b及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス排出ヘッダ219と酸化性ガス供給ヘッダ221とを隔離するものである。 The lower tube sheet 225b is placed between the bottom plate of the lower casing 229b and the lower heat insulator 227b, and on the side plate of the lower casing 229b so that the bottom plate of the lower tube sheet 225b, the bottom plate of the lower casing 229b, and the lower heat insulator 227b are substantially parallel to each other. Fixed. The lower tube plate 225b has a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203, and the cell stacks 101 are inserted into the holes. The lower tube sheet 225b airtightly supports the other ends of the plurality of cell stacks 101 via one or both of the sealing member 237b and the adhesive member, and also includes the fuel gas discharge header 219 and the oxidizing gas supply header. 221.

下部断熱体227bは、下部ケーシング229bの上端部に、下部断熱体227bと下部ケーシング229bの底板と下部管板225bとが略平行になるように配置され、下部ケーシング229bの側板に固定されている。また、下部断熱体227bには、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック101の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体227bは、この孔の内面と、下部断熱体227bに挿通されたセルスタック101の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間235aを備える。 The lower heat insulator 227b is arranged at the upper end of the lower casing 229b so that the bottom plate of the lower heat insulator 227b, the bottom plate of the lower casing 229b, and the lower tube sheet 225b are substantially parallel, and is fixed to the side plate of the lower casing 229b. . A plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203 are provided in the lower heat insulator 227b. The diameter of this hole is set larger than the outer diameter of the cell stack 101 . The lower heat insulator 227b has an oxidizing gas supply gap 235a formed between the inner surface of this hole and the outer surface of the cell stack 101 inserted through the lower heat insulator 227b.

この下部断熱体227bは、発電室215と酸化性ガス供給ヘッダ221とを仕切るものであり、下部管板225bの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板225b等はニッケル基合金などの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板225b等が高温に晒されて下部管板225b等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体227bは、酸化性ガス供給ヘッダ221に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間235aを通過させて発電室215に導くものである。 The lower heat insulator 227b partitions the power generation chamber 215 and the oxidizing gas supply header 221. When the atmosphere around the lower tube sheet 225b becomes hot, its strength decreases and corrosion due to the oxidizing agent contained in the oxidizing gas occurs. suppress the increase. The lower tube sheet 225b and the like are made of a metal material with high temperature durability such as a nickel-based alloy, but the lower tube sheet 225b and the like are exposed to high temperatures and the temperature difference within the lower tube sheet 225b and the like increases, causing thermal deformation. This is to prevent The lower heat insulator 227b guides the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas supply header 221 to the power generation chamber 215 through the oxidizing gas supply gap 235a.

本実施形態によれば、上述したSOFCカートリッジ203の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、基体管103の内部を通って発電室215を通過した排燃料ガスは、発電室215に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板225b等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出ヘッダ219に供給される。また、酸化性ガスは排燃料ガスとの熱交換により昇温され、発電室215に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室215に供給することができる。 According to this embodiment, due to the structure of the SOFC cartridge 203 described above, the fuel gas and the oxidizing gas flow inside and outside the cell stack 101 facing each other. As a result, the exhaust fuel gas that has passed through the interior of the substrate tube 103 and the power generation chamber 215 is heat-exchanged with the oxidizing gas supplied to the power generation chamber 215, and the lower tube plate 225b made of a metal material is produced. etc. are cooled to a temperature at which they are not deformed such as buckling and supplied to the fuel gas discharge header 219 . Also, the oxidizing gas is heated by heat exchange with the exhaust fuel gas and supplied to the power generation chamber 215 . As a result, the oxidizing gas heated to a temperature required for power generation can be supplied to the power generation chamber 215 without using a heater or the like.

発電室215で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル105に設けたNi/YSZ等からなるリード膜115によりセルスタック101の端部付近まで導出した後に、SOFCカートリッジ203の集電部材(不図示)に集電板(不図示)を介して集電して、各SOFCカートリッジ203の外部へと取り出される。前記集電部材によってSOFCカートリッジ203の外部に導出された直流電力は、各SOFCカートリッジ203の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、SOFCモジュール201の外部へと導出されて、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置(インバータなど)により所定の交流電力へと変換されて、電力供給先(例えば、負荷設備や電力系統)へと供給される。 The DC power generated in the power generation chamber 215 is led out to the vicinity of the end of the cell stack 101 by the lead films 115 made of Ni/YSZ or the like provided in the plurality of fuel cells 105, and then is supplied to the current collecting member of the SOFC cartridge 203 ( (not shown) via a current collecting plate (not shown) and taken out of each SOFC cartridge 203 . The DC power led to the outside of the SOFC cartridges 203 by the current collecting member is connected to the power generated by each SOFC cartridge 203 in a predetermined series number and parallel number, and is led out to the outside of the SOFC module 201. , is converted into predetermined AC power by a power conversion device (such as an inverter) such as a power conditioner (not shown), and supplied to a power supply destination (for example, a load facility or a power system).

上記構成を有する燃料電池モジュール201は、制御ユニットとして制御装置300を備える。制御装置300は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをCPUがRAM等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。尚、プログラムは、ROMやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、CD-ROM、DVD-ROM、半導体メモリ等である。 The fuel cell module 201 having the above configuration includes a control device 300 as a control unit. The control device 300 includes, for example, a CPU (Central Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), a computer-readable storage medium, and the like. A series of processes for realizing various functions is stored in a storage medium or the like in the form of a program, for example, and the CPU reads out this program to a RAM or the like, and executes information processing and arithmetic processing. As a result, various functions are realized. The program is pre-installed in a ROM or other storage medium, provided in a state stored in a computer-readable storage medium, or distributed via wired or wireless communication means. etc. may be applied. Computer-readable storage media include magnetic disks, magneto-optical disks, CD-ROMs, DVD-ROMs, semiconductor memories, and the like.

図5は一実施形態に係る燃料電池(燃料電池モジュール201)の制御装置300のブロック構成図である。制御装置300は、温度評価装置302と、制御部304とを備える。温度評価装置302は、燃料電池モジュール201が備える燃料電池カートリッジ203における発電室215の温度(以下、適宜「発電室温度T」と称する)を評価するための構成であり、内部発熱量差分算出部306と、記憶部308と、発電室温度算出部310とを備える。制御部304は、温度評価装置302で評価された発電室温度Tに基づいて、燃料電池モジュール201を制御するための構成である。 FIG. 5 is a block configuration diagram of a control device 300 for a fuel cell (fuel cell module 201) according to one embodiment. The control device 300 includes a temperature evaluation device 302 and a control section 304 . The temperature evaluation device 302 is a configuration for evaluating the temperature of the power generation chamber 215 (hereinafter referred to as “power generation chamber temperature T” as appropriate) in the fuel cell cartridge 203 provided in the fuel cell module 201, and is an internal heat generation amount difference calculation unit. 306 , a storage unit 308 , and a generator chamber temperature calculation unit 310 . The controller 304 is configured to control the fuel cell module 201 based on the power generation chamber temperature T evaluated by the temperature evaluation device 302 .

温度評価装置302は、燃料電池モジュール201が備える複数の燃料電池カートリッジ203のうち少なくとも1つにおける発電室温度Tを評価する。つまり、温度評価装置302は、複数の複数の燃料電池カートリッジ203から選択された一部について発電室温度Tを評価してもよいし、複数の複数の燃料電池カートリッジ203の各々について発電室温度Tを評価してもよい。 The temperature evaluation device 302 evaluates the generator chamber temperature T in at least one of the plurality of fuel cell cartridges 203 included in the fuel cell module 201 . In other words, the temperature evaluation device 302 may evaluate the generating chamber temperature T for a portion selected from the plurality of fuel cell cartridges 203, or may evaluate the generating chamber temperature T for each of the plurality of fuel cell cartridges 203. may be evaluated.

本実施形態では、温度評価装置302の機能をわかりやすく説明するために、複数の燃料電池カートリッジ203から選択された1つの燃料電池カートリッジ203について発電室温度Tを評価する場合について説明する。この場合、評価対象となる燃料電池カートリッジ203は、後述するように、複数の燃料電池カートリッジ203の配置レイアウトに基づいて選択されてもよい。 In this embodiment, in order to explain the function of the temperature evaluation device 302 in an easy-to-understand manner, the case of evaluating the power generation chamber temperature T for one fuel cell cartridge 203 selected from a plurality of fuel cell cartridges 203 will be described. In this case, the fuel cell cartridge 203 to be evaluated may be selected based on the arrangement layout of the plurality of fuel cell cartridges 203, as described later.

内部発熱量差分算出部306は、評価対象となる燃料電池カートリッジ203における内部発熱量の初期状態と温度推定時の発熱量の差分ΔQ(以下、適宜、「内部発熱量差分ΔQ」と称する)を算出するための構成である。 内部発熱量差分ΔQの算出は、例えば、燃料電池カートリッジ203における熱収支(ヒートバランス)を求めることにより行われる。熱収支は、燃料電池カートリッジ203に対する既知であるカートリッジの初期状態の発電に伴う発熱量を含んだ入熱量と排熱量との収支に基づいて求められ、計測されない入熱量と排熱量との差分は燃料電池からの外部放熱損出Qlossとなる。 The internal calorific value difference calculation unit 306 calculates the difference ΔQ between the initial state of the internal calorific value in the fuel cell cartridge 203 to be evaluated and the calorific value at the time of temperature estimation (hereinafter referred to as “internal calorific value difference ΔQ” as appropriate). It is a configuration for calculating. The calculation of the difference ΔQ in the amount of internal heat generation is performed, for example, by determining the heat balance in the fuel cell cartridge 203 . The heat balance is obtained based on the balance between the amount of heat input and the amount of exhaust heat, including the amount of heat generated in the initial state of the cartridge, which is known for the fuel cell cartridge 203, and the difference between the amount of heat input and the amount of exhaust heat, which is not measured. This is the external heat radiation loss Qloss from the fuel cell.

記憶部308は、初期状態の内部発熱量Q0と温度推定時の内部発熱量Qとの差分ΔQと発電室温度Tとの相関を示す特性マップMを記憶するための構成である。内部発熱量差分ΔQと発電室温度Tとの間には相関があり、予め実験的、試験的又はシミュレーション的手法により特性マップMが規定される。特性マップMの傾向として、内部発熱量差分ΔQが大きいほど燃料電池カートリッジ203から排出される熱量は増加(温度上昇)し、発電室温度は上昇する。燃料電池カートリッジ203の発電特性や燃料電池カートリッジ203の運転条件を模擬した3次元温度シミュレーションを行うことでより詳細な発電室215内の温度分布を予測でき最高温度や最低温度が生じる位置を把握することが可能となる。このような特性マップMを各条件に応じて、予め記憶部308に記憶されて用意されることで、適宜読み出し可能である。 The storage unit 308 is configured to store a characteristic map M indicating the correlation between the difference ΔQ between the internal heat generation amount Q0 in the initial state and the internal heat generation amount Q at the time of temperature estimation, and the temperature T of the generator chamber. There is a correlation between the internal heat generation amount difference ΔQ and the generating chamber temperature T, and a characteristic map M is defined in advance by experimental, test, or simulation methods. As the tendency of the characteristic map M, the larger the difference ΔQ in the amount of internal heat generation, the greater the amount of heat discharged from the fuel cell cartridge 203 (the temperature rises), and the higher the temperature of the generator chamber. By performing a three-dimensional temperature simulation that simulates the power generation characteristics of the fuel cell cartridge 203 and the operating conditions of the fuel cell cartridge 203, the temperature distribution in the power generation chamber 215 can be predicted in more detail, and the positions where the maximum and minimum temperatures occur can be grasped. becomes possible. Such a characteristic map M is stored in advance in the storage unit 308 and prepared according to each condition, so that it can be read as appropriate.

発電室温度算出部310は、特性マップMに基づいて内部発熱量差分ΔQに対応する発電室温度Tを算出するための構成である。特性マップMは、上述したように内部発熱量差分ΔQと発電室温度Tとの相関を示すため、発電室温度算出部310は記憶部308にアクセスして取得した特性マップMに基づいて、内部発熱量差分算出部306で算出された内部発熱量の差分ΔQに対応する発電室温度Tを算出する。尚、内部発熱量差分ΔQに替えて初期に設定した内部発熱量Q0に内部発熱量差分ΔQを加えた内部発熱量Qから発電室温度Tを算出する特性マップを用いてもよい。 Generating chamber temperature calculation unit 310 is configured to calculate, based on characteristic map M, generating chamber temperature T corresponding to internal heat generation amount difference ΔQ. Since the characteristic map M indicates the correlation between the internal heat generation amount difference ΔQ and the generating chamber temperature T as described above, the generating chamber temperature calculation unit 310 accesses the storage unit 308 and acquires the internal temperature based on the characteristic map M. A generator chamber temperature T corresponding to the difference ΔQ in the internal calorific value calculated by the calorific value difference calculator 306 is calculated. Instead of the internal heat generation difference ΔQ, a characteristic map for calculating the generating chamber temperature T from the internal heat generation amount Q obtained by adding the internal heat generation amount difference ΔQ to the initially set internal heat generation amount Q0 may be used.

制御部304は、このように温度評価装置302で評価された発電室温度Tを取得することにより、発電室温度Tに基づいて燃料電池モジュール201の制御を行う。尚、温度評価装置302で評価された発電室温度Tは、制御部304で燃料電池モジュール201の制御に用いることに加えて、又は、代えて、例えばディスプレイのような表示部に表示することで人間が把握することで、燃料電池モジュール201の各種オペレーションに利用してもよい。 The control unit 304 acquires the power generation chamber temperature T evaluated by the temperature evaluation device 302 in this way, and controls the fuel cell module 201 based on the power generation chamber temperature T. FIG. The generator chamber temperature T evaluated by the temperature evaluation device 302 can be displayed on a display unit such as a display in addition to or instead of being used by the control unit 304 to control the fuel cell module 201. It may be used for various operations of the fuel cell module 201 by grasping by a person.

続いて上記構成を有する温度評価装置302によって実施される温度評価方法について、より具体的に説明する。図6は一実施形態に係る温度評価方法を示すフローチャートである。 Next, the temperature evaluation method performed by the temperature evaluation device 302 having the above configuration will be described more specifically. FIG. 6 is a flow chart showing a temperature evaluation method according to one embodiment.

まず温度評価装置302は、燃料電池モジュール201が備える複数の燃料電池カートリッジ203から、発電室温度Tの評価対象となる少なくとも1つの燃料電池カートリッジ203を選択する(ステップS10)。ここでは、温度評価装置302の機能をわかりやすく説明するために、複数の燃料電池カートリッジ203から選択された1つの燃料電池カートリッジ203について発電室温度Tを評価する場合について説明する。この場合、評価対象となる燃料電池カートリッジ203は、後述するように、複数の燃料電池カートリッジ203の配置レイアウトに基づいて選択されてもよい。 First, the temperature evaluation device 302 selects at least one fuel cell cartridge 203 to be evaluated for the generating chamber temperature T from the plurality of fuel cell cartridges 203 included in the fuel cell module 201 (step S10). Here, in order to explain the function of the temperature evaluation device 302 in an easy-to-understand manner, the case of evaluating the generating chamber temperature T for one fuel cell cartridge 203 selected from a plurality of fuel cell cartridges 203 will be described. In this case, the fuel cell cartridge 203 to be evaluated may be selected based on the arrangement layout of the plurality of fuel cell cartridges 203, as described later.

例えば図4を参照して前述したように、一方向に沿って複数の燃料電池カートリッジ203A、203B、203C、203Dが互いに隣接する配置レイアウトの場合、内側に配置された燃料電池カートリッジ203B、203Cは、外側に配置された燃料電池カートリッジ203A、203Dに比べて放熱が不利であるため高温になりやすいため、これらの燃料電池カートリッジ203B、203Cのいずれかを選択することで、発電室温度Tが許容範囲の上限値を超えることを監視する際に有用である。一方で、外側に配置された燃料電池カートリッジ203A、203Dは、内側に配置された燃料電池カートリッジ203B、203Cに比べて放熱が有利であるため低温になりやすいため、これらの燃料電池カートリッジ203A、203Dのいずれかを選択することで、発電室温度Tが許容範囲の下限値を下回ることを監視する際に有用である。 For example, as described above with reference to FIG. 4, in a layout in which a plurality of fuel cell cartridges 203A, 203B, 203C, and 203D are adjacent to each other along one direction, the inner fuel cell cartridges 203B and 203C are Since heat radiation is disadvantageous compared to the fuel cell cartridges 203A and 203D arranged on the outer side, the temperature tends to be high. Useful in monitoring for exceeding the upper limit of a range. On the other hand, the fuel cell cartridges 203A and 203D arranged outside are more advantageous in terms of heat dissipation than the fuel cell cartridges 203B and 203C arranged inside, and tend to be at low temperatures. is useful when monitoring that the generator chamber temperature T falls below the lower limit of the allowable range.

ここで図7は図6のステップS10で選択された燃料電池カートリッジ203を周辺構成とともに簡略的に示す構成図である。図7では、評価対象となる燃料電池カートリッジ203に対して燃料ガスを供給するための燃料ガス供給枝管207aと、燃料電池カートリッジ203から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出枝管209aと、燃料電池カートリッジ203に対して酸化性ガスを供給するための酸化性ガス供給枝管207bと、燃料電池カートリッジ203から酸化性ガスを排出するための酸化性ガス排出枝管209bとが示されている。 Here, FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of the fuel cell cartridge 203 selected in step S10 of FIG. 6 together with its peripheral configuration. In FIG. 7, a fuel gas supply branch pipe 207a for supplying fuel gas to the fuel cell cartridge 203 to be evaluated, a fuel gas discharge branch pipe 209a for discharging fuel gas from the fuel cell cartridge 203, An oxidizing gas supply branch 207b for supplying oxidizing gas to the fuel cell cartridge 203 and an oxidizing gas discharge branch 209b for discharging the oxidizing gas from the fuel cell cartridge 203 are shown. .

燃料電池カートリッジ203には、燃料ガス供給枝管207aを介して温度TF1、流量Fの燃料ガスが供給されるとともに、酸化性ガス供給枝管207bを介して温度TA1、流量Aの酸化性ガスが供給される。また燃料電池カートリッジ203からは、燃料ガス排出枝管209aを介して温度TF2の燃料ガスが排出されるとともに、酸化性ガス排出枝管209bを介して温度TA2の酸化性ガスが排出される。 The fuel cell cartridge 203 is supplied with a fuel gas having a temperature T F1 and a flow rate F F through a fuel gas supply branch pipe 207a, and is supplied with a temperature T A1 and a flow rate A F through an oxidizing gas supply branch pipe 207b. An oxidizing gas is supplied. From the fuel cell cartridge 203, the fuel gas at temperature T F2 is discharged through the fuel gas discharge branch pipe 209a, and the oxidizing gas at temperature T A2 is discharged through the oxidizing gas discharge branch pipe 209b. .

また燃料電池カートリッジ203は、前記集電部材によって外部に直流電力を導出するための出力回路320を有する。当該出力回路320から導出される直流電力は、出力電流A及び出力電圧Vを有する。 The fuel cell cartridge 203 also has an output circuit 320 for leading DC power to the outside by the current collecting member. The DC power derived from the output circuit 320 has an output current A and an output voltage V. FIG.

尚、これらの温度TF1、TF2、TA1、TA2、流量F、A、出力電流A及び出力電圧Vは、それぞれ対応するセンサによって検出可能であり、温度評価装置302は、これらのセンサの検出値を取得可能に構成される。 These temperatures T F1 , T F2 , T A1 , T A2 , flow rates F F , A F , output current A, and output voltage V can be detected by corresponding sensors, and the temperature evaluation device 302 can detect these sensor detection values can be acquired.

続いて温度評価装置302は、燃料電池モジュール201に対する出力指令を取得し(ステップS11)、当該出力指令に基づいてステップS10で選択された燃料電池カートリッジ203における出力電流Aの目標値(出力電流目標値)を設定する(ステップS12)。燃料電池カートリッジ203では、初期値又は計画値として出力電流A及び出力電圧Vに関する特性(いわゆるI-V特性)が規定されており、ステップS12では、当該特性に基づいて、ステップS11で取得された出力指令に対応する出力電流目標値が設定される。 Subsequently, the temperature evaluation device 302 acquires an output command for the fuel cell module 201 (step S11), and based on the output command, the target value of the output current A (output current target value) in the fuel cell cartridge 203 selected in step S10. value) is set (step S12). In the fuel cell cartridge 203, characteristics regarding the output current A and the output voltage V (so-called IV characteristics) are defined as initial values or planned values, and in step S12, based on the characteristics obtained in step S11. An output current target value corresponding to the output command is set.

続いて温度評価装置302は、ステップS12で設定された出力電流目標値に基づいて、燃料電池カートリッジ203に供給される燃料ガスの流量F、及び、酸化性ガスの流量Aの目標値を設定する(ステップS13)。つまり、ステップS13では、燃料電池カートリッジ203の出力電流AをステップS12で設定された出力電流目標値にするために、燃料電池カートリッジ203に供給されるべき燃料ガスの流量F及び酸化性ガスの流量Aの目標値がそれぞれ求められる。このような燃料ガスの流量F及び酸化性ガスの流量Aに関する目標値の算出は、燃料電池カートリッジ203について予め規定された燃料利用率Uf及び空気利用率Uaを用いて行われる。 Subsequently, the temperature evaluation device 302 determines the target values of the flow rate F F of the fuel gas and the flow rate A F of the oxidizing gas supplied to the fuel cell cartridge 203 based on the output current target value set in step S12. Set (step S13). That is, in step S13, in order to make the output current A of the fuel cell cartridge 203 equal to the output current target value set in step S12, the flow rate of the fuel gas to be supplied to the fuel cell cartridge 203 and the amount of oxidizing gas are A target value for the flow rate AF is determined respectively. Calculation of the target values for the fuel gas flow rate F F and the oxidizing gas flow rate A F is performed using the fuel utilization rate Uf and the air utilization rate Ua that are predetermined for the fuel cell cartridge 203 .

続いて内部発熱量差分算出部306は、燃料電池カートリッジ203における熱収支(ヒートバランス)に基づいて、内部発熱量差分ΔQを算出する(ステップS14)。ステップS14における内部発熱量差分ΔQの算出は、燃料電池カートリッジ203における熱収支に基づいて行われる。熱収支は、燃料電池カートリッジ203に対する入熱量と排熱量との収支に基づいて求められ、初期の内部発熱量Q0と温度推定時の内部発熱量Qとの差分として、内部発熱量の差分ΔQが算出される。 Subsequently, the internal calorific value difference calculator 306 calculates the internal calorific value difference ΔQ based on the heat balance in the fuel cell cartridge 203 (step S14). The calculation of the internal heat generation amount difference ΔQ in step S 14 is performed based on the heat balance in the fuel cell cartridge 203 . The heat balance is obtained based on the balance between the amount of heat input and the amount of exhaust heat with respect to the fuel cell cartridge 203. As the difference between the initial internal heat generation amount Q0 and the internal heat generation amount Q at the time of temperature estimation, the difference ΔQ in the internal heat generation amount is Calculated.

ステップS14における初期の内部発熱量との差分ΔQの算出は、燃料電池カートリッジ203における初期の内部発熱量Q0と、温度推定時の燃料電池カートリッジ203におけるヒートマスバランスから求められる内部発熱量Qとを用いて、次式により行われる。
ΔQ=Q-Q0 (1)
The calculation of the difference ΔQ from the initial internal calorific value in step S14 is performed by combining the initial internal calorific value Q0 in the fuel cell cartridge 203 and the internal calorific value Q obtained from the heat mass balance in the fuel cell cartridge 203 at the time of temperature estimation. using the following formula:
ΔQ=Q-Q0 (1)

内部発熱量Qは、ステップS13で設定された燃料ガスの流量F及び酸化性ガスの流量Aに関する目標値、並びに、燃料電池カートリッジ203に設けられた各種センサによって検出された燃料ガスの入口側温度TF1(供給温度)及び出口側温度TF2(排出温度)、燃料電池カートリッジ203から排出される酸化性ガスの入口側温度TA1(供給温度)及び出口側温度TA2(排出温度)に基づいて熱収支を評価することにより算出される。また発電室温度推定の基準となる初期の内部発熱量Q0は、燃料電池カートリッジ203における発電に伴う発熱量として初期のカートリッジのI-V特性を基づいて算出される。 The internal calorific value Q is determined by the target values of the fuel gas flow rate FF and the oxidizing gas flow rate AF set in step S13, and the fuel gas inlet detected by various sensors provided in the fuel cell cartridge 203. Side temperature T F1 (supply temperature) and outlet side temperature T F2 (discharge temperature), inlet side temperature T A1 (supply temperature) and outlet side temperature T A2 (discharge temperature) of the oxidizing gas discharged from the fuel cell cartridge 203 calculated by evaluating the heat balance based on The initial internal heat generation amount Q0, which is used as a reference for estimating the temperature of the power generation chamber, is calculated as the heat generation amount associated with power generation in the fuel cell cartridge 203 based on the initial IV characteristics of the cartridge.

尚、本実施形態の発熱量Qを算出するための熱収支の算出では、燃料電池カートリッジ203における燃料ガス及び酸化性ガスの排出流量は電流と設定された燃料利用率Ufおよび空気利用率Uaから計算で得られる流量を用いてもよい。 In the calculation of the heat balance for calculating the calorific value Q in this embodiment, the discharge flow rate of the fuel gas and the oxidizing gas in the fuel cell cartridge 203 is calculated from the current and the set fuel utilization rate Uf and air utilization rate Ua. A calculated flow rate may be used.

続いて発電室温度算出部310は、ステップS14で算出された内部発熱量差分ΔQに基づいて発電室温度Tを算出する(ステップS15)。内部発熱量差分ΔQと発電室温度Tとの相関は、上述のように記憶部308に記憶された特性マップMとして予め記憶されており、発電室温度算出部310は特性マップMに基づいて、ステップS14で算出された内部発熱量差分ΔQに対応する発電室温度Tを求める。 Subsequently, the generator chamber temperature calculator 310 calculates the generator chamber temperature T based on the internal heat generation amount difference ΔQ calculated in step S14 (step S15). The correlation between the internal heat generation amount difference ΔQ and the generating chamber temperature T is stored in advance as the characteristic map M stored in the storage unit 308 as described above, and the generating chamber temperature calculation unit 310 calculates the following based on the characteristic map M: A generator chamber temperature T corresponding to the internal heat generation amount difference ΔQ calculated in step S14 is obtained.

図8は記憶部308に記憶された特性マップMの一例である。特性マップMは、前述のように内部発熱量差分ΔQと発電室温度Tとの相関を規定し、内部発熱量差分ΔQが増加するにしたがって発電室温度Tが増加する傾向を有する。図8では、内部発熱量差分ΔQと発電室温度Tとが比例関係にある場合が一例として示されている。 FIG. 8 is an example of the characteristic map M stored in the storage unit 308. As shown in FIG. As described above, the characteristic map M defines the correlation between the internal heat generation difference ΔQ and the generating chamber temperature T, and tends to increase the generating chamber temperature T as the internal heat generation difference ΔQ increases. FIG. 8 shows, as an example, the case where the internal heat generation amount difference ΔQ and the generator chamber temperature T are in a proportional relationship.

このような特性マップMは、燃料電池カートリッジ203に供給される燃料ガスの種類ごとに用意されてもよい。一般的に燃料ガスの種類によって内部発熱量Qが変化するためである。例えば、燃料ガスとして都市ガスを使用した場合、発電反応で吸熱が生じるが、燃料ガスとして水素ガスを使用した場合、発電反応において吸熱が生じないため、燃料ガスの種類によって発電室温度Tが影響を受ける。 Such characteristic map M may be prepared for each type of fuel gas supplied to fuel cell cartridge 203 . This is because the internal calorific value Q generally varies depending on the type of fuel gas. For example, when city gas is used as fuel gas, heat is absorbed in the power generation reaction, but when hydrogen gas is used as fuel gas, heat is not absorbed in the power generation reaction. Therefore, the type of fuel gas affects the power generation chamber temperature T. receive.

このように温度評価装置302では、発電室215に熱電対のような温度センサを配置することなく、発電室温度Tを好適に評価することができる。そのため、温度センサの交換工事のようなメンテナンスが不要であり、長期にわたって発電室温度Tの監視が可能である。 Thus, the temperature evaluation device 302 can suitably evaluate the generator chamber temperature T without arranging a temperature sensor such as a thermocouple in the generator chamber 215 . Therefore, maintenance such as replacement work of the temperature sensor is not required, and the generator chamber temperature T can be monitored over a long period of time.

ここで図9Aは他の実施形態に係る燃料電池(燃料電池モジュール201)の制御装置300´のブロック構成図である。制御装置300´は前述の制御装置300(図5を参照)と比較して、温度評価装置302が内部発熱量差分算出部306に代えて温度検出部307を備える点で異なっている。 Here, FIG. 9A is a block configuration diagram of a control device 300' for a fuel cell (fuel cell module 201) according to another embodiment. The control device 300′ differs from the control device 300 (see FIG. 5) described above in that the temperature evaluation device 302 includes a temperature detection unit 307 instead of the internal heat generation amount difference calculation unit 306. FIG.

ここで発電室温度をより簡易的に推定する実施例について説明する。
温度検出部307は、燃料電池カートリッジ203の排燃料ガスの温度TF2、及び、排酸化性ガスの温度TA2を検出するための構成である。制御装置300´では、排燃料ガスの温度TF2及び排酸化性ガスの温度TA2と、発電室温度Tとの相関が特性マップMとして記憶部308に記憶されている。そして、発電室温度算出部310は、燃料電池モジュール201が略一定な運転状態にある場合に、記憶部308に記憶された特性マップMに基づいて、温度検出部307の検出結果に対応する発電室温度Tを算出する。
An example for estimating the generator chamber temperature more simply will now be described.
The temperature detection unit 307 is configured to detect the temperature T F2 of the exhaust fuel gas of the fuel cell cartridge 203 and the temperature T A2 of the exhaust oxidizing gas. In the controller 300', the correlation between the exhaust fuel gas temperature TF2 and the exhaust oxidizing gas temperature TA2 , and the generator chamber temperature T is stored as a characteristic map M in the storage unit 308. Then, when the fuel cell module 201 is in a substantially constant operating state, the power generation chamber temperature calculation unit 310 calculates the power generation corresponding to the detection result of the temperature detection unit 307 based on the characteristic map M stored in the storage unit 308. Room temperature T is calculated.

図9Bは記憶部308に記憶された特性マップMの他の例である。特性マップMは、前述のように排燃料ガスの温度TF2及び排酸化性ガスの温度TA2と、発電室温度Tとの相関を規定したものである。発電出力や供給空気流量など発電室温度への影響が大きい条件毎に特性マップを複数枚設定・記憶し、運転条件に近い特性マップを適宜選択できるようにしておくことで簡易的により精度の高い発電室温度の推定が可能となる。 FIG. 9B is another example of the characteristic map M stored in the storage unit 308. FIG. The characteristic map M defines the correlation between the temperature T F2 of the exhaust fuel gas and the temperature T A2 of the exhaust oxidizing gas and the temperature T of the generator chamber, as described above. Multiple characteristic maps are set and stored for each condition that has a large effect on the temperature of the generator chamber, such as power output and supply air flow rate. It becomes possible to estimate the generator chamber temperature.

このように制御装置300´では、燃料電池モジュール201が略一定な運転状態にある場合、燃料電池カートリッジ203の極端な状態変化(例えばカートリッジ内部での燃料リークの大量発生など)がなければ熱収支は安定しているため、発電室温度との相関が大きい燃料電池カートリッジ203からの排出される燃料ガスの温度TF2、及び、酸化性ガスの温度TA2に基づいて、簡易的に発電室温度Tを評価することができる。 In this way, in the control device 300', when the fuel cell module 201 is in a substantially constant operating state, if there is no extreme change in the state of the fuel cell cartridge 203 (for example, a large amount of fuel leaks inside the cartridge), the heat balance is maintained. is stable, based on the temperature T F2 of the fuel gas discharged from the fuel cell cartridge 203 and the temperature T A2 of the oxidizing gas, which are highly correlated with the temperature of the power generation chamber, the temperature of the power generation chamber can be simply calculated as follows: T can be evaluated.

制御部304は、上述のように評価された発電室温度Tに基づいて燃料電池モジュール201を制御するための構成である。具体的には、制御部304は、温度評価装置302から取得した発電室温度Tが、予め設定された許容範囲になるように、燃料電池モジュール201の制御パラメータの少なくとも1つを調整する。 The control unit 304 is configured to control the fuel cell module 201 based on the power generation chamber temperature T evaluated as described above. Specifically, the control unit 304 adjusts at least one control parameter of the fuel cell module 201 so that the power generation chamber temperature T obtained from the temperature evaluation device 302 falls within a preset allowable range.

図10は図5の制御部304によって実施される燃料電池モジュール201の制御方法を示すフローチャートである。 FIG. 10 is a flow chart showing a control method for the fuel cell module 201 implemented by the controller 304 of FIG.

まず制御部304は、温度評価装置302から評価結果である発電室温度Tを取得する(ステップS20)。続いて制御部304は、発電室温度Tの許容範囲TRを取得する(ステップS21)。発電室温度Tの許容範囲TRは、図8に示すように、燃料電池カートリッジ203にとって適正な上限温度TH及び下限温度TLによって特定される温度範囲として予め設定される。 First, the control unit 304 acquires the generator chamber temperature T, which is the evaluation result, from the temperature evaluation device 302 (step S20). Subsequently, the control unit 304 acquires the allowable range TR of the generator chamber temperature T (step S21). The allowable range TR of the generator chamber temperature T is set in advance as a temperature range specified by the upper limit temperature TH and the lower limit temperature TL appropriate for the fuel cell cartridge 203, as shown in FIG.

尚、発電室温度Tの許容範囲TRには、所定の誤差に対応するマージンが含まれていてもよい。例えば、燃料電池モジュール201を構成する複数の燃料電池カートリッジ203には少なからず個体差が存在するため、当該個体差を考慮して許容範囲TRを設定してもよい。 Note that the allowable range TR of the generator chamber temperature T may include a margin corresponding to a predetermined error. For example, since the plurality of fuel cell cartridges 203 constituting the fuel cell module 201 have not a little individual difference, the allowable range TR may be set in consideration of the individual difference.

続いて制御部304は、燃料電池モジュール201に対する出力指令に基づいて制御パラメータの目標値を算出し(ステップS22)、ステップS20で取得した発電室温度Tと、ステップS21で取得した許容範囲TRとを比較することにより、発電室温度Tが許容範囲TR内であるか否かを判定する(ステップS23)。その結果、発電室温度Tが許容範囲TR内である場合(ステップS23:YES)、ステップS22で算出された目標値になるように制御パラメータを調整することにより、燃料電池モジュール201の制御を実施する(ステップS24)。 Subsequently, the control unit 304 calculates the target value of the control parameter based on the output command to the fuel cell module 201 (step S22). is compared to determine whether or not the generator chamber temperature T is within the allowable range TR (step S23). As a result, if the generator chamber temperature T is within the allowable range TR (step S23: YES), the fuel cell module 201 is controlled by adjusting the control parameters so as to achieve the target value calculated in step S22. (step S24).

一方、発電室温度Tが許容範囲TR内でない場合(ステップS23:NO)、制御部304は、ステップS22で算出された燃料電池モジュール201に対する出力指令に基づく制御パラメータの目標値を修正し(ステップS25)、修正後の目標値になるように制御パラメータを調整することにより、燃料電池モジュール201の制御を実施する(ステップS24)。その結果、燃料電池モジュール201は、発電室温度Tが許容範囲TR内になるように制御される。 On the other hand, if the generator chamber temperature T is not within the allowable range TR (step S23: NO), the control unit 304 corrects the target value of the control parameter based on the output command to the fuel cell module 201 calculated in step S22 (step S25), the fuel cell module 201 is controlled by adjusting the control parameters so as to achieve the corrected target values (step S24). As a result, the fuel cell module 201 is controlled such that the power generation chamber temperature T is within the allowable range TR.

例えば、図11でケース1として示されるように、温度評価装置302によって評価された発電室温度T1(内部発熱量差分ΔQ1に対応)が許容範囲TRの上限温度THを超えている場合、制御部304は、特性マップMに基づいて、発電室温度Tが上限温度TH以下になる内部発熱量差分ΔQ2を特定し、当該内部発熱量の差分ΔQ2が実現されるように制御パラメータの目標値を修正する。これにより、ケース2で示されるように、発電室温度Tが許容範囲TR内になるように、燃料電池モジュール201の制御が行われる。 For example, as shown as case 1 in FIG. 11, when the generator chamber temperature T1 (corresponding to the internal heat generation amount difference ΔQ1) evaluated by the temperature evaluation device 302 exceeds the upper limit temperature TH of the allowable range TR, the control unit 304 identifies the internal heat generation amount difference ΔQ2 at which the generator chamber temperature T becomes equal to or lower than the upper limit temperature TH based on the characteristic map M, and corrects the target value of the control parameter so that the internal heat generation amount difference ΔQ2 is realized. do. As a result, as shown in case 2, the fuel cell module 201 is controlled so that the power generation chamber temperature T is within the allowable range TR.

また例えば、図12でケース3として示されるように、温度評価装置302によって評価された発電室温度T3(内部発熱量差分ΔQ3に対応)が許容範囲TRの上限温度THを下回っている場合、制御部304は、特性マップMに基づいて、発電室温度Tが下限温度TL以上になる内部発熱量差分ΔQ4を特定し、当該内部発熱量差分ΔQ4が実現されるように制御パラメータの目標値を修正する。これにより、ケース4で示されるように、発電室温度Tが許容範囲TR内になるように、燃料電池モジュール201の制御が行われる。 Also, for example, as shown as case 3 in FIG. Based on the characteristic map M, the unit 304 identifies the internal heat generation amount difference ΔQ4 at which the generator chamber temperature T is equal to or higher than the lower limit temperature TL, and corrects the target value of the control parameter so that the internal heat generation amount difference ΔQ4 is realized. do. As a result, as shown in case 4, the fuel cell module 201 is controlled such that the power generation chamber temperature T is within the allowable range TR.

以上説明したように、上記実施形態によれば、メンテナンスコストの増大を抑えつつ、長期にわたって燃料電池の発電室温度を継続的に評価な燃料電池の温度評価装置及び温度評価方法を提供できる。また、このように評価された発電室温度を用いて、燃料電池を好適に制御可能である。 As described above, according to the above-described embodiments, it is possible to provide a fuel cell temperature evaluation apparatus and a temperature evaluation method capable of continuously evaluating the temperature of the generation chamber of the fuel cell over a long period of time while suppressing an increase in maintenance costs. Moreover, the fuel cell can be preferably controlled using the power generation chamber temperature evaluated in this way.

その他、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態を適宜組み合わせてもよい。 In addition, it is possible to appropriately replace the components in the above-described embodiments with well-known components without departing from the scope of the present disclosure, and the above-described embodiments may be combined as appropriate.

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。 The contents described in each of the above embodiments are understood as follows, for example.

(1)一態様に係る燃料電池の温度評価装置は、
燃料電池(例えば上記実施形態の燃料電池カートリッジ203)の初期の内部発熱量と温度推定時の内部発熱量との差分(例えば上記実施形態の内部発熱量差分ΔQ)を算出するための内部発熱量差分算出部(例えば上記実施形態の内部発熱量差分算出部306)と、
前記内部発熱量の差分と前記燃料電池の発電室温度(例えば上記実施形態の発電室温度T)との相関を示す特性マップ(例えば上記実施形態の特性マップM)を記憶するための記憶部(例えば上記実施形態の記憶部308)と、
前記記憶部に記憶された特性マップに基づいて、前記内部発熱量差分算出部で算出された前記内部発熱量の差分に対応する前記発電室温度を算出するための発電室温度算出部(例えば上記実施形態の発電室温度算出部310)と、
を備える。
(1) A temperature evaluation device for a fuel cell according to one aspect,
Internal calorific value for calculating the difference between the initial internal calorific value of the fuel cell (for example, the fuel cell cartridge 203 in the above embodiment) and the internal calorific value at the time of temperature estimation (for example, the internal calorific value difference ΔQ in the above embodiment) a difference calculation unit (for example, the internal calorific value difference calculation unit 306 in the above embodiment);
A storage unit for storing a characteristic map (for example, the characteristic map M in the above embodiment) showing the correlation between the difference in the internal heat generation amount and the power generation chamber temperature (for example, the power generation chamber temperature T in the above embodiment) of the fuel cell ( For example, the storage unit 308 of the above embodiment),
A generating chamber temperature calculating unit (for example, the above The power generation chamber temperature calculation unit 310 of the embodiment),
Prepare.

上記(1)の態様によれば、発電室に熱電対のような温度センサを配置することなく、発電室温度を好適に評価することができる。そのため、温度センサの交換工事のようなメンテナンスが不要であり、長期にわたって発電室温度の監視が可能である。 According to the aspect (1) above, it is possible to suitably evaluate the temperature of the generator chamber without arranging a temperature sensor such as a thermocouple in the generator chamber. Therefore, maintenance such as replacement work of temperature sensors is not required, and it is possible to monitor the generator chamber temperature over a long period of time.

(2)他の態様では、上記(1)の態様において、
前記内部発熱量差分算出部は、前記燃料電池における熱収支を求めることにより、前記内部発熱量差分を算出する。
(2) In another aspect, in the aspect of (1) above,
The internal calorific value difference calculation unit calculates the internal calorific value difference by obtaining a heat balance in the fuel cell.

上記(2)の態様によれば、燃料電池における熱収支に基づいて内部発熱量の差分を好適に算出できる。 According to the aspect (2) above, it is possible to suitably calculate the difference in the amount of internal heat generation based on the heat balance in the fuel cell.

(3)他の態様では、上記(2)の態様において、
前記熱収支は、前記燃料電池に対する燃料ガスの供給量、前記燃料ガスの入口側温度及び出口側温度、前記燃料電池に対する酸化性ガスの供給量、前記酸化性の入口側温度及び出口側温度、前記燃料電池における発電に伴う発熱量に基づいて算出される。
(3) In another aspect, in the aspect of (2) above,
The heat balance includes the amount of fuel gas supplied to the fuel cell, the inlet-side temperature and outlet-side temperature of the fuel gas, the amount of oxidizing gas supplied to the fuel cell, the oxidizing inlet-side temperature and outlet-side temperature, It is calculated based on the amount of heat generated by the power generation in the fuel cell.

上記(3)の態様によれば、これらの要素を考慮することで、燃料電池における熱収支を好適に求めることができる。 According to the aspect (3) above, the heat balance in the fuel cell can be suitably obtained by considering these factors.

(4)他の態様に係る燃料電池の温度評価装置は、
燃料電池(例えば上記実施形態の燃料電池カートリッジ203)からの排燃料ガスの温度(例えば上記実施形態の温度TF2)、及び、排酸化性ガスの温度(例えば上記実施形態の温度TA2)を検出するための温度検出部(例えば上記実施形態の温度検出部307)と、
前記燃料電池からの排燃料ガスの温度、及び、前記燃料電池からの排酸化性ガスの温度と、前記燃料電池の発電室温度(例えば上記実施形態の発電室温度T)との相関を示す特性マップ(例えば上記実施形態の特性マップM)を記憶するための記憶部(例えば上記実施形態の記憶部308)と、
前記燃料電池が略一定な運転状態にある場合、前記記憶部に記憶された特性マップに基づいて、前記温度検出部の検出結果に対応する前記前記発電室温度を算出するための発電室温度算出部(例えば上記実施形態の発電室温度算出部310)と、
を備える。
(4) A fuel cell temperature evaluation device according to another aspect includes:
The temperature of the exhaust fuel gas from the fuel cell (for example, the fuel cell cartridge 203 in the above embodiment) (for example, the temperature T F2 in the above embodiment) and the temperature of the exhaust oxidizing gas (for example, the temperature T A2 in the above embodiment) are A temperature detection unit for detecting (for example, the temperature detection unit 307 in the above embodiment),
A characteristic indicating the correlation between the temperature of the exhaust fuel gas from the fuel cell, the temperature of the exhaust oxidizing gas from the fuel cell, and the temperature of the power generation chamber of the fuel cell (for example, the power generation chamber temperature T in the above embodiment) a storage unit (for example, the storage unit 308 in the above embodiment) for storing a map (for example, the characteristic map M in the above embodiment);
generating chamber temperature calculation for calculating the generating chamber temperature corresponding to the detection result of the temperature detecting unit based on the characteristic map stored in the storage unit when the fuel cell is in a substantially constant operating state; section (for example, the power generation chamber temperature calculation section 310 in the above embodiment);
Prepare.

上記(4)の態様によれば、燃料電池の運転状態が略一定な場合には、燃料電池から排出される燃料ガス及び酸化性ガスの温度に基づいて、簡易的に発電室温度を算出することができる。 According to the aspect (4) above, when the operating state of the fuel cell is substantially constant, the generator chamber temperature is simply calculated based on the temperatures of the fuel gas and the oxidizing gas discharged from the fuel cell. be able to.

(5)他の態様では、上記(1)から(4)のいずれか一態様において、
前記燃料電池は、互いに隣接して配置された複数の燃料電池カートリッジを含み、
前記発電室温度算出部は、前記複数の燃料電池カートリッジのうち端部から最も離れた燃料電池カートリッジについて前記発電室温度を算出する。
(5) In another aspect, in any one aspect of (1) to (4) above,
said fuel cell comprising a plurality of fuel cell cartridges arranged adjacent to each other;
The generating chamber temperature calculating unit calculates the generating chamber temperature for a fuel cell cartridge farthest from an end of the plurality of fuel cell cartridges.

上記(5)の態様によれば、燃料電池が、複数の燃料電池カートリッジが一方向に沿って互いに隣接するように配列されて構成される場合、端部から最も離れた燃料電池カートリッジについて発電室温度が算出される。これにより、放熱がされにくく最も温度上昇が懸念される燃料電池カートリッジについて発電室温度を求めることで、燃料電池の温度が上限温度を超えることを好適に監視できる。 According to the aspect (5) above, when the fuel cell is configured by arranging a plurality of fuel cell cartridges adjacent to each other along one direction, the fuel cell cartridge farthest from the end portion A temperature is calculated. As a result, by determining the power generation chamber temperature of the fuel cell cartridge, which is difficult to dissipate heat and is most likely to increase in temperature, it is possible to appropriately monitor whether the temperature of the fuel cell exceeds the upper limit temperature.

(6)他の態様では、上記(1)から(5)のいずれか一態様において、
前記特性マップは、前記燃料電池に供給される燃料ガスの種類ごとに用意される。
(6) In another aspect, in any one aspect of (1) to (5) above,
The characteristic map is prepared for each type of fuel gas supplied to the fuel cell.

上記(6)の態様によれば、燃料ガスの種類によって内部発熱量が変化することに応じて、燃料ガスの種類ごとに特性マップが用意される。 According to the aspect (6) above, a characteristic map is prepared for each type of fuel gas in accordance with changes in the internal calorific value depending on the type of fuel gas.

(7)一態様に係る燃料電池の制御装置(例えば上記実施形態の制御装置300、300´)は、
上記(1)から(6)のいずれか一態様の燃料電池の温度評価装置(例えば上記実施形態の温度評価装置302)と、
前記発電室温度算出部で算出された前記発電室温度に基づいて前記燃料電池を制御するための制御部(例えば上記実施形態の制御部304)と、
を備える。
(7) A control device for a fuel cell according to one aspect (for example, the control devices 300 and 300' of the above embodiments)
a fuel cell temperature evaluation device according to any one of (1) to (6) above (for example, the temperature evaluation device 302 according to the above embodiment);
a control unit (for example, the control unit 304 in the above embodiment) for controlling the fuel cell based on the power generation chamber temperature calculated by the power generation chamber temperature calculation unit;
Prepare.

上記(7)の態様によれば、上述の温度評価装置で評価された発電室温度に基づいて、燃料電池を好適に制御できる。 According to the aspect (7) above, the fuel cell can be preferably controlled based on the power generation chamber temperature evaluated by the temperature evaluation device.

(8)他の態様では、上記(7)の態様において、
前記制御部は、前記発電室温度が許容範囲(例えば上記実施形態の許容範囲TR)になるように、前記燃料電池の制御パラメータを制御する。
(8) In another aspect, in the aspect of (7) above,
The controller controls the control parameters of the fuel cell so that the temperature of the generator chamber falls within an allowable range (for example, the allowable range TR in the above embodiment).

上記(8)の態様によれば、上述の温度評価装置で評価された発電室温度を用いて、当該発電室温度が許容範囲になるように燃料電池を好適に制御できる。 According to the aspect (8) above, the fuel cell can be suitably controlled using the power generation chamber temperature evaluated by the above-described temperature evaluation device so that the temperature of the power generation chamber is within the allowable range.

(9)他の態様では、上記(8)の態様において、
前記制御部は、前記発電室温度が前記許容範囲の上限温度より低くなるように、前記制御パラメータを制御する。
(9) In another aspect, in the aspect of (8) above,
The control unit controls the control parameter so that the temperature of the generator chamber is lower than the upper limit temperature of the allowable range.

上記(9)の態様によれば、評価結果である発電室温度が許容範囲の上限温度より高い場合には、発電室温度が許容範囲内になるように、燃料電池モジュールの制御が行われる。 According to the aspect (9) above, when the generator chamber temperature, which is the evaluation result, is higher than the upper limit temperature of the allowable range, the fuel cell module is controlled so that the generator chamber temperature is within the allowable range.

(10)他の態様では、上記(8)又は(9)の態様において、
前記許容範囲は、前記燃料電池が備える複数の燃料電池カートリッジの個体差に対応する誤差を含んで規定される。
(10) In another aspect, in the above aspect (8) or (9),
The allowable range is defined including an error corresponding to individual differences among the plurality of fuel cell cartridges included in the fuel cell.

上記(10)の態様によれば、燃料電池を構成する複数の燃料電池カートリッジ間に個体差がある場合においても、当該個体差による誤差を考慮して許容範囲を規定することで、各燃料電池カートリッジの発電室温度が許容範囲に収まるように燃料電池の制御が可能となる。 According to the above aspect (10), even if there are individual differences among the plurality of fuel cell cartridges that make up the fuel cell, each fuel cell can It becomes possible to control the fuel cell so that the temperature of the generation chamber of the cartridge is within the allowable range.

(11)一態様に係る燃料電池の温度評価方法は、
燃料電池(例えば上記実施形態の燃料電池カートリッジ203)の初期の内部発熱量と温度推定時の内部発熱量との差分(例えば上記実施形態の内部発熱量差分ΔQ)を算出する工程と、
前記内部発熱量の差分と前記燃料電池の発電室温度(例えば上記実施形態の発電室温度T)との相関を示す特性マップ(例えば上記実施形態の特性マップM)に基づいて、前記内部発熱量の差分に対応する前記発電室温度を算出する工程と、
を備える。
(11) A fuel cell temperature evaluation method according to one aspect includes:
a step of calculating a difference (for example, the internal heat value difference ΔQ in the above embodiment) between the initial internal heat value of the fuel cell (for example, the fuel cell cartridge 203 of the above embodiment) and the internal heat value at the time of temperature estimation;
Based on a characteristic map (for example, the characteristic map M in the above embodiment) showing the correlation between the difference in the internal heat generation amount and the temperature of the power generation chamber of the fuel cell (for example, the temperature of the power generation chamber T in the above embodiment), the internal heat generation amount a step of calculating the generating chamber temperature corresponding to the difference of
Prepare.

上記(11)の態様によれば、発電室に熱電対のような温度センサを配置することなく、発電室温度を好適に評価することができる。そのため、温度センサの交換工事のようなメンテナンスが不要であり、長期にわたって発電室温度の監視が可能である。 According to the aspect (11) above, it is possible to suitably evaluate the temperature of the generator chamber without arranging a temperature sensor such as a thermocouple in the generator chamber. Therefore, maintenance such as replacement work of temperature sensors is not required, and it is possible to monitor the generator chamber temperature over a long period of time.

101 セルスタック
103 基体管
105 燃料電池セル
107 インターコネクタ
109 燃料極
111 固体電解質膜
113 空気極
115 リード膜
201 燃料電池モジュール
203 燃料電池カートリッジ
205 圧力容器
207 燃料ガス供給管
207a 燃料ガス供給枝管
207b 酸化性ガス供給枝管
209 燃料ガス排出管
209a 燃料ガス排出枝管
209b 酸化性ガス排出枝管
215 発電室
217 燃料ガス供給ヘッダ
219 燃料ガス排出ヘッダ
221 酸化性ガス供給ヘッダ
223 酸化性ガス排出ヘッダ
225a 上部管板
225b 下部管板
227a 上部断熱体
227b 下部断熱体
229a 上部ケーシング
229b 下部ケーシング
231a 燃料ガス供給孔
231b 燃料ガス排出孔
233a 酸化性ガス供給孔
233b 酸化性ガス排出孔
235a 酸化性ガス供給隙間
235b 酸化性ガス排出隙間
237a,237b シール部材
300 制御装置
302 温度評価装置
304 制御部
306 内部発熱量差分算出部
307 温度検出部
308 記憶部
310 発電室温度算出部
320 出力回路

101 Cell stack 103 Base tube 105 Fuel cell 107 Interconnector 109 Fuel electrode 111 Solid electrolyte membrane 113 Air electrode 115 Lead membrane 201 Fuel cell module 203 Fuel cell cartridge 205 Pressure vessel 207 Fuel gas supply pipe 207a Fuel gas supply branch pipe 207b Oxidation Chemical gas supply branch pipe 209 Fuel gas discharge pipe 209a Fuel gas discharge branch pipe 209b Oxidizing gas discharge branch pipe 215 Power generation chamber 217 Fuel gas supply header 219 Fuel gas discharge header 221 Oxidizing gas supply header 223 Oxidizing gas discharge header 225a Upper part Tube sheet 225b Lower tube sheet 227a Upper insulator 227b Lower insulator 229a Upper casing 229b Lower casing 231a Fuel gas supply hole 231b Fuel gas discharge hole 233a Oxidizing gas supply hole 233b Oxidizing gas discharge hole 235a Oxidizing gas supply gap 235b Oxidation Gas discharge gaps 237a, 237b Seal member 300 Control device 302 Temperature evaluation device 304 Control unit 306 Internal calorific value difference calculation unit 307 Temperature detection unit 308 Storage unit 310 Power generation chamber temperature calculation unit 320 Output circuit

Claims (11)

燃料電池の初期の内部発熱量と温度推定時の内部発熱量との差分を算出するための内部発熱量差分算出部と、
前記内部発熱量の差分と前記燃料電池の発電室温度との相関を示す特性マップを記憶するための記憶部と、
前記記憶部に記憶された特性マップに基づいて、前記内部発熱量差分算出部で算出された前記内部発熱量の差分に対応する前記発電室温度を算出するための発電室温度算出部と、
を備える、燃料電池の温度評価装置。
an internal calorific value difference calculator for calculating the difference between the initial internal calorific value of the fuel cell and the internal calorific value at the time of temperature estimation;
a storage unit for storing a characteristic map indicating the correlation between the difference in the internal heat generation amount and the temperature of the generation chamber of the fuel cell;
a generator chamber temperature calculator for calculating the generator chamber temperature corresponding to the difference in the internal calorific value calculated by the internal calorific value difference calculator, based on the characteristic map stored in the storage unit;
A fuel cell temperature evaluation device comprising:
前記内部発熱量差分算出部は、前記燃料電池における熱収支を求めることにより、前記内部発熱量の差分を算出する、請求項1に記載の燃料電池の温度評価装置。 2. The temperature evaluation device for a fuel cell according to claim 1, wherein said internal heat generation amount difference calculating section calculates the difference in said internal heat generation amount by obtaining a heat balance in said fuel cell. 前記熱収支は、前記燃料電池に対する燃料ガスの供給量、前記燃料ガスの入口側温度及び出口側温度、前記燃料電池に対する酸化性ガスの供給量、前記酸化性の入口側温度及び出口側温度、前記燃料電池における発電に伴う発熱量に基づいて算出される、請求項2に記載の燃料電池の温度評価装置。 The heat balance includes the amount of fuel gas supplied to the fuel cell, the inlet-side temperature and outlet-side temperature of the fuel gas, the amount of oxidizing gas supplied to the fuel cell, the oxidizing inlet-side temperature and outlet-side temperature, 3. The fuel cell temperature evaluation device according to claim 2, wherein the temperature is calculated based on the amount of heat generated by the power generation in the fuel cell. 燃料電池からの排燃料ガスの温度、及び、前記燃料電池からの排酸化性ガスの温度を検出するための温度検出部と、
前記燃料電池からの排燃料ガスの温度、及び、前記燃料電池からの排酸化性ガスの温度と、前記燃料電池の発電室温度との相関を示す特性マップを記憶するための記憶部と、
前記燃料電池が略一定な運転状態にある場合、前記記憶部に記憶された特性マップに基づいて、前記温度検出部の検出結果に対応する前記前記発電室温度を算出するための発電室温度算出部と、
を備える、燃料電池の温度評価装置。
a temperature detection unit for detecting the temperature of the exhaust fuel gas from the fuel cell and the temperature of the exhaust oxidizing gas from the fuel cell;
a storage unit for storing a characteristic map indicating the correlation between the temperature of the exhaust fuel gas from the fuel cell, the temperature of the exhaust oxidizing gas from the fuel cell, and the temperature of the generation chamber of the fuel cell;
generating chamber temperature calculation for calculating the generating chamber temperature corresponding to the detection result of the temperature detecting unit based on the characteristic map stored in the storage unit when the fuel cell is in a substantially constant operating state; Department and
A fuel cell temperature evaluation device comprising:
前記燃料電池は、互いに隣接して配置された複数の燃料電池カートリッジを含み、
前記発電室温度算出部は、前記複数の燃料電池カートリッジのうち端部から最も離れた燃料電池カートリッジについて前記発電室温度を算出する、請求項1から4のいずれか一項に記載の燃料電池の温度評価装置。
said fuel cell comprising a plurality of fuel cell cartridges arranged adjacent to each other;
5. The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the power generation chamber temperature calculation unit calculates the power generation chamber temperature for a fuel cell cartridge farthest from an end of the plurality of fuel cell cartridges. Temperature evaluation device.
前記特性マップは、前記燃料電池に供給される燃料ガスの種類ごとに用意される、請求項1から5のいずれか一項に記載の燃料電池の温度評価装置。 6. The fuel cell temperature evaluation device according to claim 1, wherein said characteristic map is prepared for each type of fuel gas supplied to said fuel cell. 請求項1から6のいずれか一項に記載の燃料電池の温度評価装置と、
前記発電室温度算出部で算出された前記発電室温度に基づいて前記燃料電池を制御するための制御部と、
を備える、燃料電池の制御装置。
a fuel cell temperature evaluation device according to any one of claims 1 to 6;
a controller for controlling the fuel cell based on the generator chamber temperature calculated by the generator chamber temperature calculator;
A control device for a fuel cell, comprising:
前記制御部は、前記発電室温度が許容範囲になるように、前記燃料電池の制御パラメータを制御する、請求項7に記載の燃料電池の制御装置。 8. The fuel cell control device according to claim 7, wherein said control unit controls control parameters of said fuel cell so that said generator chamber temperature is within an allowable range. 前記制御部は、前記発電室温度が前記許容範囲の上限温度より低くなるように、前記制御パラメータを制御する、請求項8に記載の燃料電池の制御装置。 9. The fuel cell control device according to claim 8, wherein said control unit controls said control parameter so that said generator chamber temperature is lower than the upper limit temperature of said allowable range. 前記許容範囲は、前記燃料電池が備える複数の燃料電池カートリッジの個体差に対応する誤差を含んで規定される、請求項8又は9に記載の燃料電池の制御装置。 10. The fuel cell control device according to claim 8, wherein said allowable range is defined including an error corresponding to individual differences among a plurality of fuel cell cartridges provided in said fuel cell. 燃料電池の初期の内部発熱量と温度推定時の内部発熱量との差分を算出する工程と、
前記内部発熱量の差分と前記燃料電池の発電室温度との相関を示す特性マップに基づいて、前記内部発熱量の差分に対応する前記発電室温度を算出する工程と、
を備える、燃料電池の温度評価方法。

a step of calculating a difference between an initial internal calorific value of the fuel cell and an internal calorific value at the time of temperature estimation;
calculating the temperature of the power generation chamber corresponding to the difference in the amount of internal heat generation based on a characteristic map showing the correlation between the difference in the amount of internal heat generation and the temperature of the generation chamber of the fuel cell;
A fuel cell temperature evaluation method comprising:

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