JP4176447B2

JP4176447B2 - Fuel cell

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Publication number: JP4176447B2
Application number: JP2002307999A
Authority: JP
Inventors: 長生久留; 浩二池田; 和男冨田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-10-23
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2022-10-23
Also published as: JP2004146138A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池に関し、複数のセルを有してなるユニットを複数組備えた燃料電池に適用して有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質型の燃料電池では、一般に、単セルを複数個有してなるセルを複数並設し、且つ、このセルの集合体を電気的に直列に接続した構成となっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２５０５７５号公報
【０００４】
図４には電気的な接続の具体例を示す。図示例の固体電解質型燃料電池１では、３組のユニット２Ａ，２Ｂ，２Ｃを備えている。各ユニット２Ａ〜２Ｃは何れも６組のカートリッジ３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，３Ｅ，３Ｆを備えており、このカートリッジ単位での交換が可能となっている。なお、図４では１つのカートリッジを１つの直流電源（電池）の図記号で表している。各カートリッジ３Ａ〜３Ｆは、セルチューブ（図２参照）を複数本並設してなるものである。
【０００５】
そして、この燃料電池の電気的な接続は図４のようになっている。即ち、各ユニット２Ａ〜２Ｃ同士は直列に接続されている。各ユニット２Ａ〜２Ｃでは何れも、カートリッジ３Ａ〜３Ｃの３組が並列接続され、カートリッジ３Ｄ〜３Ｆの３組も並列接続されており、且つ、このカートリッジ３Ａ〜３Ｃの３組と、カートリッジ３Ｄ〜３Ｆの３組とが直列接続されている。
【０００６】
一方、燃料ガス（水素、水素リッチな改質ガスなど）は図４中の矢印Ａのようにユニット２Ａ、ユニット２Ｂ、ユニット２Ｃの順に直列に流す構成となっている。即ち、燃料ガスの流れ方向に沿って、ユニット２Ａは最上流側に位置し、ユニット２Ｂは中流に位置し、ユニット２Ｃは最下流側に位置している。なお、各ユニット２Ａ〜２Ｃにおいては、並設されたセルチューブに並列に燃料ガスが流れるようになっている。燃料ガスは各セルチューブの燃料極側に供給され、同時に各セルチューブの酸素極側には酸化ガス（酸素、空気など）が供給される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の燃料電池ではユニット２Ａ〜２Ｃの何れも、電気的な接続が同じであるため、電流密度は同じである。例えば何れのユニット２Ａ〜２Ｃも定格出力時に３００ｍＡ／ｃｍ²となる。一方、燃料ガスはユニット２Ａ〜２Ｃを直列に流れるため、燃料ガスの流れ方向の下流側にいくほど燃料ガス（水素）の割合が低減し、燃料ガス（水素）と酸化ガス（酸素）との反応によって生成される水の割合が多くなる。例えば最下流側のユニット２Ｃの燃料ガス出口部では燃料ガス（水素）の割合が２０に対し、生成水の割合が８０となる。
【０００８】
このため、従来のように何れのユニット２Ａ〜２Ｃも同じ電流密度とした場合、十分な燃料ガス（水素）が供給される最上流側のユニット２Ａのセルチューブ（単セル）に比べ、特に最下流側のユニット２Ｃでは端子電圧が低下し経時劣化が促進される可能性がある。
【０００９】
図５に例示する端子電圧−電流密度曲線（Ｖ−Ｉ曲線）に基づいて説明すると、十分な燃料ガス（水素）が供給される上流側のユニット２Ａのセルチューブ（単セル）では例えばＶＩ₁ようなＶ−Ｉ曲線となり、その経時劣化もＶＩ₂のように比較的少ない一方、燃料ガス（水素）濃度が低くなる下流側のユニット２Ｃのセルチューブ（単セル）では例えばＶＩ₃のようなＶ−Ｉ曲線となり、その経時劣化もＶＩ₄のように大きくなる恐れがあり、電流密度に対する端子電圧の低下が大きい。このため、同じ電流密度（例えばＩ₁）にした場合、最上流側のユニット２Ａのセルチューブ（単セル）では端子電圧に十分な余裕があっても、特に最下流側のユニット２Ｃのセルチューブ（単セル）では端子電圧の低下が大きく、経時劣化が促進される恐れがある。
【００１０】
従って本発明は上記の事情に鑑み、燃料ガスの流れ方向の下流側に位置するセルチューブ（単セル）においても、経時劣化を抑制し、長時間安定して発電することができる燃料電池を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する第１発明の燃料電池は、複数のセルを有してなるユニットを複数組備えるとともに、これら複数組のユニットに直列に燃料ガスが流れる構成とし、且つ、電流も前記複数組のユニットに直列に流れる構成とした燃料電池において、
前記の各ユニットにおけるセルの電気的な接続は、前記燃料ガスの流れ方向の上流側に位置する１組又は２組以上のユニットに比べて、前記燃料ガスの流れ方向の下流側に位置する１組又は２組以上のユニットのほうが電流密度が小さくなるように、前記燃料ガスの流れ方向の上流側に位置する１組又は２組以上のユニットに比べて、前記燃料ガスの流れ方向の下流側に位置する１組又は２組以上のユニットのほうが並列接続されるセルの数が多くなるようにしたことを特徴とする。
【００１２】
第２発明の燃料電池は、複数のセルを有してなるユニットを複数組備えるとともに、これら複数組のユニットに直列に燃料ガスが流れる構成とした燃料電池において、
前記複数組のユニットを１組ずつ又は２組以上ずつ別のインバータに接続し、これらのインバータにより、前記燃料ガスの流れ方向上流側に位置する１組又は２組以上のユニットに比べて、前記燃料ガスの流れ方向下流側に位置する１組又は２組以上のユニットのほうが電流密度が小さくなるように出力電流制御をする構成としたことを特徴とする。
【００１３】
第３発明の燃料電池は、第２発明の燃料電池において、
前記インバータでは、前記ユニットの端子電圧の低下に応じて前記ユニットの電流密度を小さくするように出力電流制御をすることを特徴とする。
第４発明の燃料電池は、複数組のカートリッジを有してなるユニットを複数組備えるとともに、これら複数組のユニットに直列に燃料ガスが流れる構成とし、且つ、電流も前記複数組のユニットに直列に流れる構成とした燃料電池において、
前記の各ユニットにおけるカートリッジの電気的な接続は、前記燃料ガスの流れ方向の上流側に位置する１組又は２組以上のユニットに比べて、前記燃料ガスの流れ方向の下流側に位置する１組又は２組以上のユニットのほうが電流密度が小さくなるように、前記燃料ガスの流れ方向の上流側に位置する１組又は２組以上のユニットに比べて、前記燃料ガスの流れ方向の下流側に位置する１組又は２組以上のユニットのほうが並列接続されるカートリッジの組数が多くなるようにしたことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１５】
［実施の形態１］
図１は本発明の実施の形態１に係る固体電解質型燃料電池の構成図、図２はセルチューブの構成を示す断面図である。
【００１６】
＜構成＞
図１に示す固体電解質型の燃料電池１１では、立形の耐圧容器１２の内部に３組のユニット１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃが上下方向に配置された構成となっている。なお、これに限定するものではなく、本発明はユニットを水平方向に並べて配置した横形の燃料電池にも適用することができる。
【００１７】
各ユニット１３Ａ〜１３Ｃは何れも６組のカートリッジ１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ，１４Ｅ，１４Ｆを備えており、このカートリッジ単位での交換が可能となっている。なお、図１では１つのカートリッジを１つの直流電源（電池）の図記号で表している。各カートリッジ１４Ａ〜１４Ｆは、図２に示すセルチューブ１５を複数本（例えば数１００本）並設してなるものである。
【００１８】
図２に示すように、セルチューブ１５は円筒状で多孔質の基体管１６の外周面に複数個の単セル１７を設けてなるものである。単セル１７は固体電解質膜２０を燃料極１８と酸素極１９とで挟んだ構成となっている。１つの単セル１７の出力電圧は小さいため、セルチューブ全体で所定の出力電圧が得られるように適宜の個数の単セル１７を、基体管１６の長手方向に沿って配列し且つインターコネクタ２１によって電気的に直列接続している。
【００１９】
このセルチューブ１５では、燃料ガス（水素、水素リッチな改質ガスなど）が図２中の矢印Ｂのように基体管１５内を流れて各単セル１７の燃料極１８側に供給され、同時に各単セル１７の酸素極１９側に酸化ガス（酸素、空気など）が供給されて、各単セル１７ごとに発電する。このとき、燃料極１８側では燃料ガス（水素）と酸化ガス（酸素）との反応によって水が生成されるが、この水は残りの燃料ガスとともに下流へと流される。
【００２０】
燃料電池全体では、図１に矢印Ｃで示すように燃料ガスは、図示しない入口部から耐圧容器１２内に流入し、ユニット１３Ａ、ユニット１３Ｂ、ユニット１３Ｃの順に直列に流れて各ユニット１３Ａ〜１３Ｃの各セルチューブ１５（単セル１７）に供給された後、残りが図示しない出口部より耐圧容器１２外へと排出される構成となっている。即ち、燃料ガスの流れ方向に沿って、ユニット１３Ａは最上流側に位置し、ユニット１３Ｂは中流に位置し、ユニット１３Ｃは最下流側に位置している。
【００２１】
従って、燃料ガスの流れ方向の下流側にいくほど燃料ガス（水素）の割合が低減し、燃料ガス（水素）と酸化ガス（酸素）との反応によって生成される水の割合が多くなり、例えば最下流側のユニット１３Ｃの燃料ガス出口部では、燃料ガス（水素）の割合が２０、生成水の割合が８０となる。なお、各ユニット１３Ａ〜１３Ｃにおいては、並設されたセルチューブ１５に並列に燃料ガスが流れるようになっている。
【００２２】
一方、電気的な接続は図１のようになっている。即ち、各ユニット１３Ａ〜１３Ｃは直列に接続されている。両端子２３Ａ，２３Ｂはインバータ２２に接続されており、このインバータ２２によって直列接続のユニット１３Ａ〜１３Ｃから出力される直流電流を交流電流に変換して図示しない負荷に供給する。
【００２３】
そして、最上流側のユニット１３Ａでは、カートリッジ１４Ａ，１４Ｂの２組が並列接続され、カートリッジ１４Ｃ，１４Ｄの２組も並列接続され、カートリッジ１４Ｅ，１４Ｆの２組も並列接続されており、且つ、カートリッジ１４Ａ，１４Ｂの２組と、カートリッジ１４Ｃ，１４Ｄの２組と、カートリッジ１４Ｅ，１４Ｆの２組が直列接続されている。この場合、ユニット１３Ａにおけるセルチューブ１５（単セル１７）の電流密度は例えば定格出力時に４５０ｍＡ／ｃｍ²となる。
【００２４】
中流のユニット１３Ｂでは、カートリッジ１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃの３組が並列接続され、カートリッジ１４Ｄ，１４Ｅ，１４Ｆの３組も並列接続されており、且つ、カートリッジ１４Ａ〜１４Ｃの３組と、カートリッジ１４Ｄ〜１４Ｆの３が直列接続されている。このとき、ユニット１３Ｂにおけるセルチューブ１５（単セル１７）の電流密度は、ユニット１３Ａの電流密度が４５０ｍＡ／ｃｍ²の場合、３００ｍＡ／ｃｍ²に低減される。
【００２５】
最下流のユニット１３Ｃでは、６組のカートリッジ１４Ａ〜１４Ｆが並列接続されている。このとき、ユニット１３Ｃにおけるセルチューブ１５（単セル１７）の電流密度は、ユニット１３Ａの電流密度が４５０ｍＡ／ｃｍ²の場合、１５０ｍＡ／ｃｍ²に低減される。即ち、ユニット１３Ａ〜１３Ｃの電流密度の比は１．５：１．０：０．５であり、上流側（入口側）のユニット１３Ａでは平均より高い電流密度、中流のユニット１３Ｂでは平均の電流密度、下流側（出口側）のユニット１３Ｃでは平均より低い電流密度に設定されている。
【００２６】
なお、各カートリッジ１４Ａ〜１４Ｆにおける電気的な接続については、セルチューブ１５が全て並列接続されていてもよく、或いは並列接続と直列接続の組み合わせとなっていてもよい。
【００２７】
＜作用・効果＞
以上のように本実施の形態１によれば、複数組のカートリッジ１４Ａ〜１４Ｆ（即ち、複数本のセルチューブ１５）を有してなるユニット１３Ａ〜１３Ｃを備え、これら３組のユニット１３Ａ〜１３Ｃに直列に燃料ガスが流れる構成とし、且つ、電流も３組のユニット１３Ａ〜１３Ｃに直列に流れる構成とした燃料電池１１において、各ユニット１３Ａ〜１３Ｃにおけるカートリッジ１４Ａ〜１４Ｆ（即ち、セルチューブ１５）の電気的な接続は、燃料ガスの流れ方向の上流側に位置するユニットに比べて、燃料ガスの流れ方向の下流側に位置するユニットのほうが電流密度が小さくなるように接続したため（例えばユニット１３Ａ〜１３Ｃの電流密度の比が１．５：１．０：０．５となるように接続したため）、図５に矢印Ｄで示すように最下流側のユニット１３Ｃのセルチューブ１５（単セル１７）では、電流密度が例えばＩ₂に低減されて端子電圧の向上する。このため、最下流側のユニット１３Ｃのセルチューブ１５（単セル１７）においても、経時劣化が抑制され、長時間安定して発電することができる。
【００２８】
なお、上記では３組のユニット１３Ａ〜１３Ｃを有する場合を例に挙げて説明したが、勿論、これに限定するものではなく、本発明は２組或いは４組以上のユニットを有する場合にも適用することができる。また、各ユニットのセルチューブの本数も上記のように同じする必要はなく、各ユニットごとに適宜調整して所望の電流密度が得られるようにすることができ、また、各ユニットにおけるセルチューブの電気的な接続の仕方も適宜調整して所望の電流密度となるようにすることができる。
【００２９】
また、上記では各ユニット１３Ａ〜１３Ｃごとに電気的な接続が異なっているが、これに限定するものでもない。例えば、４組のユニットがある場合、上流側の２組のユニットではカートリッジ（セルチューブ）を同じように接続にして同じ第１の電流密度とし、これらよりも下流側の１組のユニットでは前記第１の電流密度よりも小さい第２の電流密度となるようにカートリッジ（セルチューブ）を接続し、更に下流側の１組のユニットでは第２の電流密度よりも更に小さい第３の電流密度となるようにカートリッジ（セルチューブ）を接続してもよい。
【００３０】
即ち、各ユニットにおけるセルチューブの電気的な接続は、燃料ガスの流れ方向の上流側に位置する１組又は２組以上のユニットに比べて、燃料ガスの流れ方向の下流側に位置する１組又は２組以上のユニットのほうが電流密度が小さくなるように接続すればよく、このことによって下流側のユニットのセルチューブ（単セル）においても、経時劣化が抑制され、長時間安定して発電することができるようになる。
【００３１】
また、上記では、複数のセルチューブをまとめて交換可能なカートリッジとしているが、勿論、本発明では必ずもこのようなカートリッジとなっている必要はなく、単に複数のセルを備えたユニットであってもよい。
【００３２】
［実施の形態２］
図３は本発明の実施の形態２に係る固体電解質型燃料電池の構成図である。なお、セルチューブの構成については上記実施の形態１と同様であるため、ここでの説明及び図示は省略する（図２参照）。
【００３３】
＜構成＞
図３に示す固体電解質型の燃料電池３１では、立形の耐圧容器３２の内部に３組のユニット３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃが上下方向に配置された構成となっている。なお、これに限定するものではなく、本発明はユニット３３Ａ〜３３Ｃを水平方向に並べて配置した場合にも適用することができる。
【００３４】
各ユニット３３Ａ〜３３Ｃは何れも６組のカートリッジ３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄ，３４Ｅ，３４Ｆを備えており、このカートリッジ単位での交換が可能となっている。なお、図３では１つのカートリッジを１つの直流電源（電池）の図記号で表している。各カートリッジ３４Ａ〜３４Ｆは、図２に示すセルチューブ１５を複数本（例えば数百本）並設してなるものである。
【００３５】
この燃料電池３１において、燃料ガスは図３に矢印Ｅで示すように図示しない入口部から耐圧容器３２内に流入し、ユニット３３Ａ、ユニット３３Ｂ、ユニット３３Ｃの順に直列に流れて各ユニット３３Ａ〜３３Ｃの各セルチューブ１５（単セル１７）に供給された後、残りが図示しない出口部より耐圧容器１２外へ排出される構成となっている。即ち、燃料ガスの流れ方向に沿って、ユニット３３Ａは最上流側に位置し、ユニット３３Ｂは中流に位置し、ユニット３３Ｃは最下流側に位置している。
【００３６】
従って、燃料ガスの流れ方向の下流側にいくほど燃料ガス（水素）の割合が低減し、燃料ガス（水素）と酸化ガス（酸素）との反応によって生成される水の割合が多くなり、例えば最下流側のユニット３３Ｃの燃料ガス出口部では、燃料ガス（水素）の割合が２０、生成水の割合が８０となる。なお、各ユニット３３Ａ〜３３Ｃにおいては、並設されたセルチューブ１５に並列に燃料ガスが流れるようになっている。
【００３７】
一方、電気的な接続は図３のようになっている。即ち、各ユニット３３Ａ〜３３Ｃとも、同じ接続状態、即ち、カートリッジ３４Ａ〜３４Ｃの３組が並列接続され、カートリッジ３４Ｄ〜３４Ｆの３組も並列接続されており、且つ、カートリッジ３４Ａ〜３４Ｃの３組と、カートリッジ３４Ｄ〜３４Ｆの３組が直列接続されている。なお、各カートリッジ３４Ａ〜３４Ｆにおける電気的な接続については、セルチューブ１５が全て並列接続されていてもよく、或いは並列接続と直列接続の組み合わせとなっていてもよい。
【００３８】
そして、本実施の形態２では、各ユニット３３Ａ〜３３Ｃの両端子３６Ａ，３６Ｂと、３６Ｃ，３６Ｄと、３６Ｅ，３６Ｆは、それぞれ別のインバータ３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃに接続されている。各インバータ３５Ａ〜３５Ｃでは、各ユニット３３Ａ〜３３Ｃから出力された直流電流をそれぞれ個別に交流電流に変換して負荷に供給するようになっている。
【００３９】
インバータ３５Ａでは、ユニット３３Ａにおけるセルチューブ１５（単セル１７）の電流密度が他のユニット３３Ｂ，３３Ｃに比べて最も大きくなるように（例えば定格出力時に平均よりも高い４５０ｍＡ／ｃｍ²となるように）ユニット３３Ａの出力電流制御を行う。インバータ３５Ｂでは、ユニット３３Ｂにおけるセルチューブ１５（単セル１７）の電流密度が、ユニット３３Ａの電流密度よりも小さくなるように（例えば定格出力時に平均の３００ｍＡ／ｃｍ²となるように）ユニット３３Ｂの出力電流制御を行う。インバータ３５Ｃでは、ユニット３３Ｃにおけるセルチューブ１５（単セル１７）の電流密度が、ユニット３３Ｂの電流密度よりも更に小さくなるように（例えば定格出力時に平均よりも低い１５０ｍＡ／ｃｍ²となるように）ユニット３３Ｂの出力電流制御を行う。
【００４０】
また、この場合、電流密度の制御値を固定するのではなく、各インバータ３５Ａ〜３５Ｃでは、各ユニット３３Ａ〜３３Ｃの端子電圧を監視し、経時劣化による各ユニット３３Ａ〜３３Ｃの端子電圧の低下に応じて各ユニット３３Ａ〜３３Ｃの電流密度を小さくするようにしてもよい。例えば、インバータ３５Ｃにおいては、運転の初期にはユニット３３Ｃの電流密度を１５０ｍＡ／ｃｍ²よりも少し高めに制御し、その後、経時劣化によるユニット３３Ｃの端子電圧の低下に応じてユニット３３Ｃの電流密度を小さくすることもできる。
【００４１】
＜作用・効果＞
以上のように本実施の形態２によれば、複数組のカートリッジ３４Ａ〜３４Ｆ（即ち複数本のセルチューブ１５）を有してなる３組のユニット３３Ａ〜３３Ｃを備え、これら３組のユニット３３Ａ〜３３Ｃに直列に燃料ガスが流れる構成とした燃料電池３１において、３組のユニット３３Ａ〜３３Ｃをそれぞれ別のインバータ３５Ａ〜３５Ｃに接続し、これらのインバータ３５Ａ〜３５Ｃにより、燃料ガスの流れ方向上流側に位置するユニットに比べて、燃料ガスの流れ方向下流側に位置するユニットのほうが電流密度が小さくなるように出力電流制御をする構成としたため（例えばユニット３５Ａ〜３５Ｃの電流密度の比が１．５：１．０：０．５となるように出力電流制御をするため）、図５に矢印Ｄで示すように最下流側のユニット３３Ｃにおけるセルチューブ１５（単セル１７）では、電流密度が例えばＩ₂に低減されて端子電圧が向上する。このため、最下流側のユニット３３Ｃのセルチューブ１５（単セル１７）においても、経時劣化が抑制され、長時間安定して発電することができる。
【００４２】
しかも、各インバータ３５Ａ〜３５Ｃごとに電気的には分離されているため、ユニット３５Ａ〜３５Ｃの何れかにおいて不具合があっても、他の健全なユニットにおいて発電を継続することができ、信頼性が向上する。
【００４３】
また、上記のようにインバータ３５Ａ〜３５Ｃにおいて、各ユニット３３Ａ〜３３Ｃの端子電圧の低下に応じて各ユニット３３Ａ〜３３Ｃの電流密度を小さくするように出力電流制御をする場合には、ユニットごとに異なる経時劣化に対応した制御が可能となり、より効率的で安定した発電が可能となる。
【００４４】
なお、上記では３組のユニット３３Ａ〜３３Ｃを有する場合を例に挙げて説明したが、勿論、これに限定するものではなく、本発明は２組或いは４組以上のユニットを有する場合にも適用することができる。また、各ユニットにおけるセルチューブの本数や電気的な接続の仕方も、上記のように同じする必要はなく、適宜設定することができる。
【００４５】
また、上記では各ユニットごとに別のインバータに接続しているが、これに限定するものでもない。例えば、４組のユニットがある場合、上流側の２組のユニットは同じインバータに直列或いは並列に接続し、これらよりも下流側の１組のユニットは別のインバータに接続し、更に下流側の１組のユニットは更に別のインバータに接続することもできる。
【００４６】
即ち、複数組のユニットを１組ずつ又は２組以上ずつ別のインバータに接続し、これらのインバータにより、燃料ガスの流れ方向上流側に位置する１組又は２組以上のユニットに比べて、燃料ガスの流れ方向下流側に位置する１組又は２組以上のユニットのほうが電流密度が小さくなるように出力電流制御をする構成とすればよく、このことによって下流側のユニットのセルチューブ（単セル）でも、経時劣化が抑制され、長時間安定して発電することができるようになる。
【００４７】
また、上記では、複数のセルチューブをまとめて交換可能なカートリッジとしているが、勿論、本発明では必ずもこのようなカートリッジとなっている必要はなく、単に複数のセルを備えたユニットであってもよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上、実施の形態とともに具体的に説明したように、第１発明の燃料電池によれば、複数のセルを有してなるユニットを複数組備えるとともに、これら複数組のユニットに直列に燃料ガスが流れる構成とし、且つ、電流も前記複数組のユニットに直列に流れる構成とした燃料電池において、前記の各ユニットにおけるセルの電気的な接続は、前記燃料ガスの流れ方向の上流側に位置する１組又は２組以上のユニットに比べて、前記燃料ガスの流れ方向の下流側に位置する１組又は２組以上のユニットのほうが電流密度が小さくなるように、前記燃料ガスの流れ方向の上流側に位置する１組又は２組以上のユニットに比べて、前記燃料ガスの流れ方向の下流側に位置する１組又は２組以上のユニットのほうが並列接続されるセルの数が多くなるようにしたことを特徴とするため、下流側のユニットのセル（単セル）においても、経時劣化が抑制され、長時間安定して発電することができるようになる。
【００４９】
また、第２発明の燃料電池によれば、複数のセルを有してなるユニットを複数組備えるとともに、これら複数組のユニットに直列に燃料ガスが流れる構成とした燃料電池において、前記複数組のユニットを１組ずつ又は２組以上ずつ別のインバータに接続し、これらのインバータにより、前記燃料ガスの流れ方向上流側に位置する１組又は２組以上のユニットに比べて、前記燃料ガスの流れ方向下流側に位置する１組又は２組以上のユニットのほうが電流密度が小さくなるように出力電流制御をする構成としたことを特徴とするため、下流側のユニットのセル（単セル）でも、経時劣化が抑制され、長時間安定して発電することができるようになる。しかも、各インバータごとに電気的には分離されているため、ユニットの何れかにおいて不具合があっても、他の健全なユニットにおいて発電を継続することができ、信頼性が向上する。
【００５０】
また、第３発明の燃料電池によれば、第２発明の燃料電池において、前記インバータでは、前記ユニットの端子電圧の低下に応じて前記ユニットの電流密度を小さくするように出力電流制御をすることを特徴とするため、ユニットごとに異なる経時劣化に対応した制御が可能となり、より効率的で安定した発電が可能となる。
また、第４発明の燃料電池は、複数組のカートリッジを有してなるユニットを複数組備えるとともに、これら複数組のユニットに直列に燃料ガスが流れる構成とし、且つ、電流も前記複数組のユニットに直列に流れる構成とした燃料電池において、前記の各ユニットにおけるカートリッジの電気的な接続は、前記燃料ガスの流れ方向の上流側に位置する１組又は２組以上のユニットに比べて、前記燃料ガスの流れ方向の下流側に位置する１組又は２組以上のユニットのほうが電流密度が小さくなるように、前記燃料ガスの流れ方向の上流側に位置する１組又は２組以上のユニットに比べて、前記燃料ガスの流れ方向の下流側に位置する１組又は２組以上のユニットのほうが並列接続されるカートリッジの組数が多くなるようにしたことを特徴とするため、下流側のユニットのセルチューブにおいても、経時劣化が抑制され、長時間安定して発電することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る固体電解質型燃料電池の構成図である。
【図２】セルチューブの構成を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る固体電解質型燃料電池の構成図である。
【図４】従来の燃料電池の電気的な接続例を示す説明図である。
【図５】燃料電池の端子電圧−電流密度曲線（Ｖ−Ｉ曲線）の一例を示す図である。
【符号の説明】
１１燃料電池
１２耐圧容器
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃユニット
１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ，１４Ｅ，１４Ｆカートリッジ
１５セルチューブ
１６基体管
１７単セル
１８燃料極
１９酸素極
２０固体電解質膜
２１インターコネクタ
２２インバータ
２３Ａ，２３Ｂ端子
３１燃料電池
３２耐圧容器
３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃユニット
３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄ，３４Ｅ，３４Ｆカートリッジ
３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃインバータ
３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃ，３６Ｄ，３６Ｅ，３６Ｆ端子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell, and is useful when applied to a fuel cell including a plurality of units each having a plurality of cells.
[0002]
[Prior art]
In general, a solid electrolyte fuel cell has a configuration in which a plurality of cells each having a plurality of single cells are arranged in parallel, and an assembly of the cells is electrically connected in series (for example, a patent) Reference 1).
[0003]
[Patent Document 1]
JP 2001-250575 A
[0004]
FIG. 4 shows a specific example of electrical connection. The solid oxide fuel cell 1 in the illustrated example includes three sets of units 2A, 2B, and 2C. Each of the units 2A to 2C includes six sets of cartridges 3A, 3B, 3C, 3D, 3E, and 3F, and can be replaced in units of cartridges. In FIG. 4, one cartridge is represented by a graphic symbol of one DC power supply (battery). Each of the cartridges 3A to 3F is formed by arranging a plurality of cell tubes (see FIG. 2).
[0005]
And the electrical connection of this fuel cell is as shown in FIG. That is, the units 2A to 2C are connected in series. In each of the units 2A to 2C, three sets of cartridges 3A to 3C are connected in parallel, and three sets of cartridges 3D to 3F are connected in parallel, and the three sets of cartridges 3A to 3C and the cartridges 3D to 3C are connected. Three sets of 3F are connected in series.
[0006]
On the other hand, fuel gas (hydrogen, hydrogen-rich reformed gas, etc.) is configured to flow in series in the order of unit 2A, unit 2B, and unit 2C as indicated by arrow A in FIG. That is, along the flow direction of the fuel gas, the unit 2A is located on the most upstream side, the unit 2B is located on the middle stream, and the unit 2C is located on the most downstream side. In each of the units 2A to 2C, fuel gas flows in parallel to the cell tubes arranged in parallel. The fuel gas is supplied to the fuel electrode side of each cell tube, and simultaneously, the oxidizing gas (oxygen, air, etc.) is supplied to the oxygen electrode side of each cell tube.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described conventional fuel cell, since all of the units 2A to 2C have the same electrical connection, the current density is the same. For example, any unit 2A-2C is 300mA / cm at rated output²It becomes. On the other hand, since the fuel gas flows through the units 2A to 2C in series, the ratio of the fuel gas (hydrogen) decreases toward the downstream side in the flow direction of the fuel gas, and the fuel gas (hydrogen) and the oxidizing gas (oxygen) The proportion of water produced by the reaction increases. For example, at the fuel gas outlet of the unit 2C on the most downstream side, the ratio of the produced gas is 80 while the ratio of the fuel gas (hydrogen) is 20.
[0008]
For this reason, when all the units 2A to 2C have the same current density as in the conventional case, the unit 2A to 2C is particularly the highest in comparison with the cell tube (single cell) of the most upstream unit 2A to which sufficient fuel gas (hydrogen) is supplied. In the downstream unit 2 </ b> C, the terminal voltage may decrease, and deterioration with time may be promoted.
[0009]
If it demonstrates based on the terminal voltage-current density curve (VI curve) illustrated in FIG. 5, in the cell tube (single cell) of the upstream unit 2A to which sufficient fuel gas (hydrogen) is supplied, for example, VI₁VI curve like this, and its aging degradation is VI₂In the cell tube (single cell) of the downstream unit 2C where the fuel gas (hydrogen) concentration is relatively low,_ThreeVI curve as shown in FIG._FourThe terminal voltage with respect to the current density is greatly reduced. For this reason, the same current density (eg I₁), Even if there is a sufficient margin in the terminal voltage of the cell tube (single cell) of the unit 2A on the most upstream side, the terminal voltage decreases particularly in the cell tube (single cell) of the unit 2C on the most downstream side. There is a risk that deterioration with time is accelerated.
[0010]
Accordingly, in view of the above circumstances, the present invention provides a fuel cell capable of suppressing power deterioration over time and stably generating power for a long time even in a cell tube (single cell) located downstream in the flow direction of fuel gas. The task is to do.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
  A fuel cell according to a first aspect of the present invention that solves the above-described problem is provided with a plurality of units each having a plurality of cells, and is configured so that fuel gas flows in series in the plurality of units, and the current also includes the plurality of units. In the fuel cell configured to flow in series with the unit,
  The electrical connection of the cells in each unit is 1 located on the downstream side in the flow direction of the fuel gas as compared with one set or two or more sets located on the upstream side in the flow direction of the fuel gas. The current density is smaller for a pair or two or more units.Compared with one or more sets of units located upstream in the fuel gas flow direction, one or more sets of units located downstream in the fuel gas flow direction are connected in parallel. To increase the number of cellsIt is characterized by that.
[0012]
The fuel cell of the second invention comprises a plurality of units each having a plurality of cells, and a fuel cell in which fuel gas flows in series with the plurality of units.
The plurality of units are connected to another inverter one by one or two or more sets, and by these inverters, compared to one unit or two or more units located upstream in the flow direction of the fuel gas, One or two or more sets of units located downstream in the fuel gas flow direction are configured to control output current so that the current density is smaller.
[0013]
  A fuel cell of a third invention is the fuel cell of the second invention,
  In the inverter, output current control is performed so as to reduce the current density of the unit in accordance with a decrease in the terminal voltage of the unit.
  A fuel cell according to a fourth aspect of the present invention includes a plurality of units each having a plurality of sets of cartridges, and a configuration in which fuel gas flows in series in the plurality of sets of units, and a current is also serially connected to the plurality of sets of units. In a fuel cell configured to flow through
  The electrical connection of the cartridge in each unit is 1 located on the downstream side in the flow direction of the fuel gas as compared to one set or two or more sets located on the upstream side in the flow direction of the fuel gas. Compared to one or more units located upstream in the fuel gas flow direction, the downstream side in the fuel gas flow direction so that the current density of the set or two or more units is smaller. One set or two or more sets of units located in the number of cartridges connected in parallel is increased.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0015]
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a configuration diagram of a solid oxide fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view showing a configuration of a cell tube.
[0016]
<Configuration>
The solid electrolyte fuel cell 11 shown in FIG. 1 has a configuration in which three sets of units 13A, 13B, and 13C are vertically arranged inside a vertical pressure vessel 12. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can also be applied to a horizontal fuel cell in which units are arranged in a horizontal direction.
[0017]
Each of the units 13A to 13C includes six sets of cartridges 14A, 14B, 14C, 14D, 14E, and 14F, and can be replaced in units of cartridges. In FIG. 1, one cartridge is represented by a symbol of one DC power supply (battery). Each of the cartridges 14A to 14F is formed by arranging a plurality (for example, several hundreds) of the cell tubes 15 shown in FIG.
[0018]
As shown in FIG. 2, the cell tube 15 is provided with a plurality of single cells 17 on the outer peripheral surface of a cylindrical and porous base tube 16. The single cell 17 has a configuration in which a solid electrolyte membrane 20 is sandwiched between a fuel electrode 18 and an oxygen electrode 19. Since the output voltage of one single cell 17 is small, an appropriate number of single cells 17 are arranged along the longitudinal direction of the base tube 16 so as to obtain a predetermined output voltage in the entire cell tube, and are interconnected by the interconnector 21. Electrically connected in series.
[0019]
In the cell tube 15, fuel gas (hydrogen, hydrogen-rich reformed gas, etc.) flows through the base tube 15 as indicated by an arrow B in FIG. 2 and is supplied to the fuel electrode 18 side of each single cell 17. An oxidizing gas (oxygen, air, etc.) is supplied to the oxygen electrode 19 side of each unit cell 17 to generate power for each unit cell 17. At this time, water is generated on the fuel electrode 18 side by the reaction of the fuel gas (hydrogen) and the oxidizing gas (oxygen), and this water flows downstream together with the remaining fuel gas.
[0020]
In the fuel cell as a whole, as shown by an arrow C in FIG. 1, the fuel gas flows into the pressure vessel 12 from an inlet (not shown), flows in series in the order of the unit 13A, the unit 13B, and the unit 13C, and then the units 13A to 13C. After being supplied to each cell tube 15 (single cell 17), the remainder is discharged from the pressure vessel 12 through an outlet (not shown). That is, along the flow direction of the fuel gas, the unit 13A is located on the most upstream side, the unit 13B is located on the middle stream, and the unit 13C is located on the most downstream side.
[0021]
Therefore, the proportion of the fuel gas (hydrogen) decreases as it goes downstream in the flow direction of the fuel gas, and the proportion of water generated by the reaction between the fuel gas (hydrogen) and the oxidizing gas (oxygen) increases. At the fuel gas outlet of the most downstream unit 13C, the fuel gas (hydrogen) ratio is 20, and the generated water ratio is 80. In each of the units 13A to 13C, fuel gas flows in parallel to the cell tubes 15 arranged in parallel.
[0022]
On the other hand, the electrical connection is as shown in FIG. That is, the units 13A to 13C are connected in series. Both terminals 23A and 23B are connected to an inverter 22. The inverter 22 converts a direct current output from the units 13A to 13C connected in series into an alternating current and supplies the alternating current to a load (not shown).
[0023]
In the most upstream unit 13A, two sets of cartridges 14A and 14B are connected in parallel, two sets of cartridges 14C and 14D are connected in parallel, and two sets of cartridges 14E and 14F are connected in parallel, and Two sets of cartridges 14A and 14B, two sets of cartridges 14C and 14D, and two sets of cartridges 14E and 14F are connected in series. In this case, the current density of the cell tube 15 (single cell 17) in the unit 13A is, for example, 450 mA / cm at the rated output.²It becomes.
[0024]
In the middle unit 13B, three sets of cartridges 14A, 14B, and 14C are connected in parallel, and three sets of cartridges 14D, 14E, and 14F are also connected in parallel, and three sets of cartridges 14A to 14C and cartridges 14D to 14D are connected. 14F 3 is connected in series. At this time, the current density of the cell tube 15 (single cell 17) in the unit 13B is 450 mA / cm.²In the case of 300 mA / cm²Reduced to
[0025]
In the most downstream unit 13C, six sets of cartridges 14A to 14F are connected in parallel. At this time, the current density of the cell tube 15 (single cell 17) in the unit 13C is 450 mA / cm.²In the case of 150 mA / cm²Reduced to That is, the ratio of the current densities of the units 13A to 13C is 1.5: 1.0: 0.5, the current density higher than the average in the upstream (inlet side) unit 13A, and the average current in the midstream unit 13B. In the density, downstream (outlet side) unit 13C, the current density is set lower than the average.
[0026]
In addition, about the electrical connection in each cartridge 14A-14F, all the cell tubes 15 may be connected in parallel, or may be a combination of parallel connection and series connection.
[0027]
<Action and effect>
As described above, according to the first embodiment, units 13A to 13C having a plurality of sets of cartridges 14A to 14F (that is, a plurality of cell tubes 15) are provided, and these three sets of units 13A to 13C are provided. In the fuel cell 11 in which the fuel gas flows in series with each other and the current also flows in series in the three sets of units 13A to 13C, the cartridges 14A to 14F (that is, the cell tube 15) in each unit 13A to 13C. Is connected so that the current density is lower in the unit located downstream in the fuel gas flow direction than in the unit located upstream in the fuel gas flow direction (for example, the unit 13A). As the current density ratio of ˜13C is 1.5: 1.0: 0.5), as indicated by the arrow D in FIG. In the cell tube 15 on the downstream side of the unit @ 13 C (single cell 17), the current density is, for example, I₂To reduce the terminal voltage. For this reason, also in the cell tube 15 (single cell 17) of the unit 13C on the most downstream side, deterioration with time is suppressed, and power can be stably generated for a long time.
[0028]
In the above description, the case of having three sets of units 13A to 13C has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the present invention is also applicable to the case of having two sets or four or more sets of units. can do. Also, the number of cell tubes in each unit need not be the same as described above, and can be adjusted appropriately for each unit so that a desired current density can be obtained. The manner of electrical connection can also be adjusted as appropriate to achieve a desired current density.
[0029]
Moreover, although the electrical connection differs for each unit 13A-13C in the above, it is not limited to this. For example, if there are four sets of units, the cartridges (cell tubes) are connected in the same way in the two sets of upstream units so as to have the same first current density. The cartridge (cell tube) is connected so that the second current density is smaller than the first current density, and the third current density that is further smaller than the second current density is set in the downstream unit. You may connect a cartridge (cell tube) so that it may become.
[0030]
That is, the electrical connection of the cell tube in each unit is one set located downstream in the fuel gas flow direction compared to one set or two or more sets located upstream in the fuel gas flow direction. Alternatively, it is only necessary to connect two or more units so that the current density is smaller. This also suppresses deterioration over time in the cell tube (single cell) of the downstream unit, and generates power stably for a long time. Will be able to.
[0031]
In the above description, a plurality of cell tubes are collectively replaceable cartridges. Of course, in the present invention, such cartridges are not necessarily used, but simply a unit having a plurality of cells. Also good.
[0032]
[Embodiment 2]
FIG. 3 is a configuration diagram of a solid oxide fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention. Since the configuration of the cell tube is the same as that of the first embodiment, description and illustration are omitted here (see FIG. 2).
[0033]
<Configuration>
The solid electrolyte fuel cell 31 shown in FIG. 3 has a configuration in which three sets of units 33A, 33B, and 33C are vertically arranged inside a vertical pressure vessel 32. Note that the present invention is not limited to this, and the present invention can also be applied to the case where the units 33A to 33C are arranged in the horizontal direction.
[0034]
Each of the units 33A to 33C includes six sets of cartridges 34A, 34B, 34C, 34D, 34E, and 34F, and can be replaced in units of cartridges. In FIG. 3, one cartridge is represented by a symbol of one DC power supply (battery). Each of the cartridges 34A to 34F is formed by arranging a plurality of (for example, several hundred) cell tubes 15 shown in FIG.
[0035]
In this fuel cell 31, fuel gas flows into the pressure vessel 32 from an inlet (not shown) as shown by an arrow E in FIG. 3, and flows in series in the order of the unit 33A, unit 33B, and unit 33C to each of the units 33A to 33C. After being supplied to each cell tube 15 (single cell 17), the remainder is discharged from the pressure vessel 12 through an outlet (not shown). That is, along the fuel gas flow direction, the unit 33A is located on the most upstream side, the unit 33B is located on the middle stream, and the unit 33C is located on the most downstream side.
[0036]
Therefore, the proportion of the fuel gas (hydrogen) decreases as it goes downstream in the flow direction of the fuel gas, and the proportion of water generated by the reaction between the fuel gas (hydrogen) and the oxidizing gas (oxygen) increases. At the fuel gas outlet of the most downstream unit 33C, the ratio of fuel gas (hydrogen) is 20, and the ratio of produced water is 80. In each of the units 33A to 33C, fuel gas flows in parallel to the cell tubes 15 arranged in parallel.
[0037]
On the other hand, the electrical connection is as shown in FIG. That is, in each unit 33A to 33C, the same connection state, that is, three sets of cartridges 34A to 34C are connected in parallel, three sets of cartridges 34D to 34F are also connected in parallel, and three sets of cartridges 34A to 34C are connected. And three sets of cartridges 34D to 34F are connected in series. In addition, about the electrical connection in each cartridge 34A-34F, all the cell tubes 15 may be connected in parallel, or may be a combination of parallel connection and series connection.
[0038]
In the second embodiment, the terminals 36A, 36B, 36C, 36D, 36E, 36F of the units 33A-33C are connected to different inverters 35A, 35B, 35C, respectively. In each inverter 35A-35C, the direct current output from each unit 33A-33C is individually converted into alternating current, and is supplied to load.
[0039]
In the inverter 35A, the current density of the cell tube 15 (single cell 17) in the unit 33A is the highest compared to the other units 33B and 33C (for example, 450 mA / cm higher than the average at the rated output).²The output current of the unit 33A is controlled. In the inverter 35B, the current density of the cell tube 15 (single cell 17) in the unit 33B is made smaller than the current density of the unit 33A (for example, an average of 300 mA / cm at the rated output).²The output current of the unit 33B is controlled. In the inverter 35C, the current density of the cell tube 15 (single cell 17) in the unit 33C is further smaller than the current density of the unit 33B (for example, 150 mA / cm lower than the average at the rated output)²The output current of the unit 33B is controlled.
[0040]
In this case, the control value of the current density is not fixed, but the inverters 35A to 35C monitor the terminal voltages of the units 33A to 33C to reduce the terminal voltages of the units 33A to 33C due to deterioration over time. Accordingly, the current density of each of the units 33A to 33C may be reduced. For example, in the inverter 35C, the current density of the unit 33C is 150 mA / cm at the initial stage of operation.²Then, the current density of the unit 33C can be reduced in accordance with a decrease in the terminal voltage of the unit 33C due to deterioration over time.
[0041]
<Action and effect>
As described above, according to the second embodiment, three sets of units 33A to 33C each including a plurality of sets of cartridges 34A to 34F (that is, a plurality of cell tubes 15) are provided, and these three sets of units 33A are provided. In the fuel cell 31 configured so that the fuel gas flows in series to 33C, three sets of units 33A to 33C are connected to different inverters 35A to 35C, respectively, and these inverters 35A to 35C are connected upstream of the fuel gas flow direction. Since the output current control is performed so that the current density is smaller in the unit located on the downstream side in the fuel gas flow direction than in the unit located on the side (for example, the ratio of the current densities of the units 35A to 35C is 1). .5: 1.0: 0.5) in order to control the output current), as shown by the arrow D in FIG. In the cell tube 15 (single cell 17) in the C, current density is, for example, I₂As a result, the terminal voltage is improved. For this reason, also in the cell tube 15 (single cell 17) of the unit 33C on the most downstream side, deterioration with time is suppressed, and power can be stably generated for a long time.
[0042]
In addition, since each of the inverters 35A to 35C is electrically separated, even if there is a malfunction in any of the units 35A to 35C, power generation can be continued in another healthy unit, and reliability is improved. improves.
[0043]
Further, in the inverters 35A to 35C as described above, when the output current control is performed so as to reduce the current density of each unit 33A to 33C in accordance with the decrease in the terminal voltage of each unit 33A to 33C, Control corresponding to different deterioration over time becomes possible, and more efficient and stable power generation becomes possible.
[0044]
In the above description, the case of having three sets of units 33A to 33C has been described as an example. However, the present invention is of course not limited to this, and the present invention is also applicable to the case of having two sets or four or more sets of units. can do. Further, the number of cell tubes and the way of electrical connection in each unit need not be the same as described above, and can be set as appropriate.
[0045]
In the above description, each unit is connected to another inverter, but the present invention is not limited to this. For example, when there are four sets of units, two sets of upstream units are connected in series or in parallel to the same inverter, one set of units downstream of these is connected to another inverter, and further downstream units are connected. One set of units can also be connected to another inverter.
[0046]
That is, a plurality of sets of units are connected to another inverter, one set or two sets or more, and by these inverters, the fuel is compared with one set or two or more sets positioned upstream in the fuel gas flow direction. The output current may be controlled so that the current density is reduced in one or more units located downstream in the gas flow direction. This allows the cell tube (single cell) of the downstream unit to be controlled. However, deterioration over time is suppressed, and power can be generated stably for a long time.
[0047]
In the above description, a plurality of cell tubes are collectively replaceable cartridges. Of course, in the present invention, such cartridges are not necessarily used, but simply a unit having a plurality of cells. Also good.
[0048]
【The invention's effect】
  As specifically described above with the embodiment, according to the fuel cell of the first invention, a plurality of units each having a plurality of cells are provided, and the fuel gas is serially connected to the plurality of units. In the fuel cell configured to flow and the current also flows in series to the plurality of sets of units, the electrical connection of the cells in each unit is located upstream in the flow direction of the fuel gas. Compared with the unit or two or more units, the current density is smaller in one unit or two or more units located downstream in the flow direction of the fuel gas.Compared with one or more sets of units located upstream in the fuel gas flow direction, one or more sets of units located downstream in the fuel gas flow direction are connected in parallel. To increase the number of cellsTherefore, even in the unit cell (single cell) on the downstream side, deterioration with time is suppressed, and power can be stably generated for a long time.
[0049]
Further, according to the fuel cell of the second invention, in the fuel cell comprising a plurality of units each having a plurality of cells, the fuel gas is configured to flow in series in the plurality of units. One unit or two or more units are connected to another inverter, and these inverters allow the flow of the fuel gas to be compared to one or more units located upstream in the fuel gas flow direction. One or two or more sets of units located downstream in the direction are characterized by a configuration in which the output current control is performed so that the current density is smaller. Even in the unit cell (single cell) on the downstream side, Deterioration with time is suppressed, and power can be generated stably for a long time. Moreover, since each inverter is electrically separated, even if there is a malfunction in any of the units, power generation can be continued in another healthy unit, and reliability is improved.
[0050]
  According to the fuel cell of the third invention, in the fuel cell of the second invention, the inverter controls the output current so as to decrease the current density of the unit in accordance with a decrease in the terminal voltage of the unit. Therefore, control corresponding to deterioration with time different for each unit is possible, and more efficient and stable power generation is possible.
  A fuel cell according to a fourth aspect of the present invention includes a plurality of units each including a plurality of sets of cartridges, and is configured so that fuel gas flows in series in the plurality of sets of units, and the current is also the plurality of units. In the fuel cell configured to flow in series with each other, the electrical connection of the cartridge in each of the units is greater than that of one or more sets of units located upstream in the flow direction of the fuel gas. Compared to one or more sets of units located upstream in the flow direction of the fuel gas so that the current density is smaller in one or more sets of units located downstream in the gas flow direction. In addition, one or two or more units located on the downstream side in the fuel gas flow direction have a larger number of cartridges connected in parallel. To reason, even in the cell tube unit on the downstream side, the deterioration over time suppressed, it is possible to stably generate power for a long time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a solid oxide fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a cell tube.
FIG. 3 is a configuration diagram of a solid oxide fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory view showing an example of electrical connection of a conventional fuel cell.
FIG. 5 is a diagram showing an example of a terminal voltage-current density curve (VI curve) of a fuel cell.
[Explanation of symbols]
11 Fuel cell
12 Pressure vessel
13A, 13B, 13C unit
14A, 14B, 14C, 14D, 14E, 14F Cartridge
15 cell tube
16 Base tube
17 single cell
18 Fuel electrode
19 Oxygen electrode
20 Solid electrolyte membrane
21 Interconnector
22 Inverter
23A, 23B terminals
31 Fuel cell
32 pressure vessel
33A, 33B, 33C unit
34A, 34B, 34C, 34D, 34E, 34F Cartridge
35A, 35B, 35C inverter
36A, 36B, 36C, 36D, 36E, 36F Terminal

Claims

In a fuel cell comprising a plurality of units each having a plurality of cells, a structure in which fuel gas flows in series in the plurality of sets of units, and a structure in which current also flows in series in the plurality of sets of units.
The electrical connection of the cells in each unit is 1 located on the downstream side in the flow direction of the fuel gas as compared with one set or two or more sets located on the upstream side in the flow direction of the fuel gas. Compared to one or more units located upstream in the fuel gas flow direction, the downstream side in the fuel gas flow direction so that the current density of the set or two or more units is smaller. A fuel cell characterized in that the number of cells connected in parallel is larger in one set or two or more sets of units .

In a fuel cell comprising a plurality of units each having a plurality of cells, and configured so that fuel gas flows in series in the plurality of units,
The plurality of units are connected to another inverter one by one or two or more sets, and by these inverters, compared to one unit or two or more units located upstream in the flow direction of the fuel gas, A fuel cell characterized in that the output current is controlled so that the current density is reduced in one or more units located downstream in the fuel gas flow direction.

The fuel cell according to claim 2, wherein
In the inverter, the output current is controlled so as to reduce the current density of the unit in accordance with a decrease in the terminal voltage of the unit.

In a fuel cell comprising a plurality of units each having a plurality of sets of cartridges, a configuration in which fuel gas flows in series in the plurality of sets of units, and a current also flows in series in the plurality of sets of units. ,
The electrical connection of the cartridge in each unit is 1 located on the downstream side in the flow direction of the fuel gas as compared to one set or two or more sets located on the upstream side in the flow direction of the fuel gas. Compared to one or more units located upstream in the fuel gas flow direction, the downstream side in the fuel gas flow direction so that the current density of the set or two or more units is smaller. The fuel cell is characterized in that one set or two or more sets of units located in the number of cartridges connected in parallel is increased.