JP4859359B2 - Operation method of fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、ハウジング内に複数の燃料電池セルを収納してなる燃料電池の運転方法に関する。
The present invention relates OPERATION method for a fuel cell formed by accommodating a plurality of fuel cells in a housing.

従来、固体電解質を用いた燃料電池は作動温度が600〜1000℃と高いため、この温度まで燃料電池セルを加熱する必要があり、実質的に発電するまでの時間が長いという問題があった。このような問題を解決するため、従来、収納容器の外部に酸素含有ガス(空気)を予熱する予熱器を設け、この予熱器で酸素含有ガスを加熱した後、セルスタックに供給し、これによりセルを加熱し、起動時間を短縮させることが提案されている。   Conventionally, since the operating temperature of a fuel cell using a solid electrolyte is as high as 600 to 1000 ° C., it is necessary to heat the fuel cell up to this temperature, and there is a problem that it takes a long time to generate power. In order to solve such problems, conventionally, a preheater for preheating oxygen-containing gas (air) is provided outside the storage container, and the oxygen-containing gas is heated by the preheater and then supplied to the cell stack. It has been proposed to heat the cell and shorten the startup time.

また、発電に用いられなかった燃料ガスと酸素含有ガスを燃焼させ、この高温の燃焼ガスを収納容器外部まで配管により引き回し、酸素含有ガスを収納容器内部に供給するための配管に沿わせて熱交換を行い、燃焼ガスを有効に用いて酸素含有ガスを予熱することが提案されている。   In addition, the fuel gas and oxygen-containing gas that were not used for power generation are combusted, this high-temperature combustion gas is routed to the outside of the storage container by piping, and heat is supplied along the piping for supplying the oxygen-containing gas to the inside of the storage container. It has been proposed to pre-heat the oxygen-containing gas by exchanging and effectively using the combustion gas.

さらに、近年では、収納容器内に酸素含有ガスを加熱するバーナを設け、このバーナで酸素含有ガスを加熱し、この予熱された酸素含有ガスをセルスタックに供給することが行われている(例えば、特許文献1参照)。   Further, in recent years, a burner for heating an oxygen-containing gas is provided in a storage container, the oxygen-containing gas is heated by the burner, and the preheated oxygen-containing gas is supplied to the cell stack (for example, , See Patent Document 1).

さらにまた、近年では、起動時間を短縮させるため、燃料電池セルを加熱する起動用バーナを設けたものが知られている(例えば、特許文献2〜4参照)。
特開2000−149976号 2004−119316号公報 2003−282129号公報 2003−249250号公報
Furthermore, in recent years, in order to shorten the start-up time, one provided with a start-up burner for heating the fuel cell is known (see, for example, Patent Documents 2 to 4).
JP 2000-149976 2004-119316 No. 2003-282129 No. 2003-249250

しかしながら、上記特許文献1〜4に記載された燃料電池では、燃料電池セルを加熱して起動を早くすることはできるものの、外部負荷(電力需要)に対して迅速に負荷変動することができないという問題があった。また、起動する際にも、別個に燃料ガスを供給して燃焼する起動用バーナが必要であるという問題があった。   However, in the fuel cells described in Patent Documents 1 to 4, although the fuel cell can be heated to start up quickly, the load cannot be quickly changed with respect to the external load (power demand). There was a problem. In addition, when starting up, there is a problem that a starting burner for supplying and burning fuel gas separately is required.

即ち、例えば、燃料電池が家庭で使用される場合、図6に示すように、電力を非常に多く使用する朝食時間帯と夕食時間帯が存在し、一方で電力を殆ど使用しない夜中や昼間の時間帯が存在するが、電力需要にかかわらず、一定の発電量を発電する発電システムでは、電力を殆ど使用しない夜中や昼間では無駄な発電をすることになる。このため、使用する燃料ガスの量も多くなり、コストが高く、しかもCO排出量も多くなるという問題があった。 That is, for example, when a fuel cell is used at home, as shown in FIG. 6, there are a breakfast time zone and a dinner time zone where electricity is used very much, while at night and daytime when electricity is hardly used. Although there is a time zone, a power generation system that generates a certain amount of power generation regardless of power demand generates wasteful power generation at night or in the daytime when little power is used. For this reason, there is a problem that the amount of fuel gas to be used increases, the cost is high, and the amount of CO 2 emission increases.

一方、電力需要に追従して発電量を変化させて運転する発電システムでは、部分負荷運転時において電力需要が高くなる時に、燃料電池による発電が間に合わず、急激な電力需要に対応しきれないという問題があった。   On the other hand, in a power generation system that operates by changing the power generation amount following the power demand, when the power demand becomes high during partial load operation, the power generation by the fuel cell is not in time, and it can not cope with the rapid power demand There was a problem.

本発明は、電力需要が急激に高くなる場合でも、急激な電力需要に迅速に対応できる燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。
The present invention, even when the power demand rapidly increases, and an object thereof is to provide a OPERATION method of the fuel cell can respond quickly to sudden power demand.

また、本発明の燃料電池の運転方法は、ハウジング内に、複数の燃料電池セルと、該複数の燃料電池セルで発生した電力を用いて発熱するヒータとを具備し、一定の発電量を発電する定常運転と、外部負荷の要求電力に対して発電量を変化させる部分負荷運転とを組み合わせて発電を行なう燃料電池の運転方法において、前記部分負荷運転時における前記ハウジング内の温度が前記定常運転時の温度より低下している時において、前記外部負荷の要求電力が高くなる時間帯の所定時間前に、その時点での前記外部負荷の要求電力よりも多い電力量を発電するとともに、余剰発電電力を前記ヒータに供給して、該ヒータを発熱させることを特徴とする。
The fuel cell operating method of the present invention includes a plurality of fuel cells and a heater that generates heat using the power generated in the plurality of fuel cells in a housing, and generates a certain amount of power generation. In a fuel cell operation method for generating power by combining a steady operation that performs power generation and a partial load operation that changes the amount of power generation with respect to the required power of an external load, the temperature in the housing during the partial load operation When the temperature is lower than the current temperature, before the predetermined time before the time when the required power of the external load becomes high, a power amount larger than the required power of the external load at that time is generated and surplus supplying power to the heater, wherein the benzalkonium exothermed the heater.

このような燃料電池の運転方法では、例えば、部分負荷運転時におけるハウジング内の温度が低い場合に、該ハウジング内の温度を定常運転時の温度まで昇温する場合に、さらに電力需要が少ない夜間時に、ヒータを発熱させ、高電力需要に備える。即ち、本発明では、電力需要が急激に高くなる、例えば朝食時間帯の所定時間前の、夜中の低電力需要時間帯に、燃料電池セルで発電した電力を用いてヒータを発熱させ、ハウジング内の発電室を加熱し、加速度的に燃料電池セルの発電量を増加させ、朝食時間帯の急激な電力需要に備えることができる。 In such a fuel cell operation method, for example, when the temperature in the housing is low during partial load operation, when the temperature in the housing is raised to the temperature during steady operation, the power demand is further reduced at night. Occasionally, the heater is heated to prepare for high power demand. That is, according to the present invention, the heater is heated using the power generated by the fuel cell in the low power demand time zone at night, for example, a predetermined time before the breakfast time zone, when the power demand increases rapidly, The power generation chamber can be heated to increase the amount of power generated by the fuel cells at an accelerated rate, thereby preparing for sudden power demand during breakfast hours.

また、ハウジング内の温度が低い場合で、該ハウジング内の温度を定常運転時の発電室温度まで昇温する場合とは、例えば、夕食時間の所定時間前は昼間であり、通常電力需要が少ないが、この時間帯に、燃料電池セルで発電した電力を用いてヒータを発熱させ、ハウジング内の発電室を加熱し、夕食時間帯の急激な電力需要に備えることができる。   Further, when the temperature in the housing is low and the temperature in the housing is raised to the temperature of the power generation room during steady operation, for example, it is daytime a predetermined time before dinner time, and there is usually little demand for power However, in this time zone, the heater can be heated using the power generated by the fuel cell, and the power generation chamber in the housing can be heated to prepare for a sudden power demand in the dinner time zone.

また、通常、夜中では電力需要は低いため、ベースロード運転を行うが、その際にも需要電力よりも大きな電力を発電し、この余剰電力を用いてヒータを発熱させることもできる。   Usually, since the power demand is low at night, base load operation is performed. At that time, power larger than the demand power can be generated, and the heater can be heated using this surplus power.

ヒータを発熱させる時間は、一定期間内の高電力使用パターンを学習し、一定期間のうちの一定時間帯にヒータを発熱させることができる。学習機能を有する場合には、電力需要に対してより細かな運転方法を採用できる。
Time to heat the heater can be one high power usage pattern learned the inside constant period, generating heat of the heater for a predetermined time period of the predetermined period. If it has a learning function can adopt a more finely operating process with respect to power demand.

また、以下の様な運転方法も出来る。部分負荷運転が長時間続くなどして、ハウジング内の温度(発電室温度)が定常運転時の発電室温度より低下している状態において、それまでより大きな需要電力が必要となった場合、初期の発電室温度が低いため、出力が要求値に達しても発電効率の低い時間が長く続くという現象があった。これはランニングコストが高くなるという問題に繋がる。   In addition, the following operation method is also possible. In the state where the temperature in the housing (power generation room temperature) is lower than the power generation room temperature during steady operation, such as when partial load operation continues for a long time, the initial Due to the low temperature of the power generation chamber, there was a phenomenon in which the time during which the power generation efficiency was low continued for a long time even when the output reached the required value. This leads to the problem of high running costs.

これを解消するため、本発明においては、部分負荷運転が長時間続くなどして、発電室温度が定常運転時の発電室温度より低下している状態において、それまでより大きな需要電力が必要となった場合、要求電力量以上の発電を行い、燃料電池の発電量から要求電力量を差し引いた余剰電力を上述のヒータで消費させる。余剰電力をヒータで消費させる理由は、第一に系統電力に逆潮させないようにすること、第二に発電室温度を余剰電力で速やかに上昇させることにある。この様な運転方法により、発電室温度が速やかに上がり発電効率の高い運転が可能となり、ランニングコストが安く抑えられる。   In order to eliminate this, in the present invention, in the state where the power generation chamber temperature is lower than the power generation chamber temperature during steady operation, for example, when partial load operation continues for a long time, a larger power demand is required. In this case, the power generation is performed more than the required power amount, and surplus power obtained by subtracting the required power amount from the power generation amount of the fuel cell is consumed by the above-described heater. The reason why surplus power is consumed by the heater is to first prevent the power from flowing back to the grid power, and secondly to quickly raise the temperature of the power generation chamber with the surplus power. By such an operation method, the temperature of the power generation chamber can be quickly increased and operation with high power generation efficiency can be performed, and the running cost can be reduced.

さらに、本発明の燃料電池の運転方法は、固体電解質形燃料電池を用い、分散型発電を行うことを特徴とする。固体電解質形燃料電池を用いるため、高効率の発電を行うことができ、さらには燃料としてメタン、CO等も用いることができ、燃料処理部が簡素化でき、低コストの分散型発電を行うことが可能となる。   Further, the fuel cell operating method of the present invention is characterized in that a distributed power generation is performed using a solid oxide fuel cell. Since solid oxide fuel cells are used, highly efficient power generation can be performed. Further, methane, CO, etc. can be used as fuel, the fuel processing unit can be simplified, and low-cost distributed power generation can be performed. Is possible.

本発明の燃料電池の運転方法では、電力需要が急激に高くなる、例えば朝食時間帯の所定時間前の、夜中の低電力需要時間帯に、燃料電池セルで発電した電力を用いてヒータを発熱させ、ハウジング内の発電室を加熱し、加速度的に燃料電池セルの発電量を増加させ、朝食時間帯の急激な電力需要に備えることができる。   In the fuel cell operation method of the present invention, the heater generates heat using the power generated by the fuel cell in the low power demand time of the night, for example, a predetermined time before the breakfast time, when the power demand increases rapidly. In addition, the power generation chamber in the housing can be heated to increase the power generation amount of the fuel cell at an accelerated rate, thereby preparing for a sudden power demand during the breakfast hours.

本発明の燃料電池の運転方法において、発電部を有する燃料電池(以下、燃料電池組立体ともいう)は図1、2及び図3を参照して説明すると、略直方体形状のハウジング2を具備している。このハウジング2の6個の壁面の外面には適宜の断熱材から形成された断熱壁(遮熱部材)、即ち上断熱壁4、下断熱壁6、右側断熱壁8、左側断熱壁9、前断熱壁10及び後断熱壁11が配設されている。ハウジング2内には発電・燃焼室12が規定されている。
In the fuel cell operation method of the present invention, a fuel cell having a power generation unit (hereinafter also referred to as a fuel cell assembly) includes a housing 2 having a substantially rectangular parallelepiped shape as described with reference to FIGS. ing. The outer surface of the six wall surfaces of the housing 2 is a heat insulating wall (heat insulating member) formed of an appropriate heat insulating material, that is, the upper heat insulating wall 4, the lower heat insulating wall 6, the right heat insulating wall 8, the left heat insulating wall 9, and the front A heat insulating wall 10 and a rear heat insulating wall 11 are provided. A power generation / combustion chamber 12 is defined in the housing 2.

前断熱壁10及び/又は後断熱壁11は着脱自在或いは開閉自在に装着されており、前断熱壁10及び/又は後断熱壁11を離脱或いは開動せしめることによって発電・燃焼室12内にアクセスすることができる。所望ならば、各断熱壁の外面に金属板製でよい外壁を配設することができる。   The front heat insulation wall 10 and / or the rear heat insulation wall 11 is detachably or removably attached, and the front heat insulation wall 10 and / or the rear heat insulation wall 11 is detached or opened to access the power generation / combustion chamber 12. be able to. If desired, an outer wall, which may be made of a metal plate, can be disposed on the outer surface of each heat insulating wall.

ハウジング2内の上端部には空気室(ガス室)16が配設されている。空気室16は上下方向寸法が比較的小さい直方体形状のケース17内に規定されている。空気室16には、発電・燃焼室に向かって空気(酸素含有ガス)を送り込むための空気導入管(ガス供給手段)22の上端が連通している。空気導入管22は複数本あり、その形状は円筒や中空板構造などが考えられる。図1、2では円筒の空気導入管22を記載した。空気導入管22は後述するセルスタック間に配置されており、セルの下端部において開口し、この開口部から空気が噴出する構造となっている。空気導入管22はセラミックスなどの耐熱性の高い材料で作製するのが好適である。   An air chamber (gas chamber) 16 is disposed at the upper end of the housing 2. The air chamber 16 is defined in a rectangular parallelepiped case 17 having a relatively small vertical dimension. The air chamber 16 communicates with the upper end of an air introduction pipe (gas supply means) 22 for sending air (oxygen-containing gas) toward the power generation / combustion chamber. There are a plurality of air introduction pipes 22 and the shape thereof may be a cylinder or a hollow plate structure. 1 and 2, a cylindrical air introduction tube 22 is shown. The air introduction pipe 22 is disposed between the cell stacks described later, and has an opening at the lower end portion of the cell, and air is ejected from the opening portion. The air introduction tube 22 is preferably made of a material having high heat resistance such as ceramics.

そして、空気室16には、低温ガス供給管18が設けられており、この低温ガス供給管18は、上断熱壁4を貫通し、外部に延設されている。   The air chamber 16 is provided with a low-temperature gas supply pipe 18, and the low-temperature gas supply pipe 18 penetrates the upper heat insulating wall 4 and extends to the outside.

この低温ガス供給管18は、空気室16内に供給されるガスと同一種、即ち、低温の空気を空気室16内に供給するものであり、低温ガス供給管18により供給される空気は、予熱された空気の温度よりも低温である必要がある。特には、室温程度が望ましい。   The low-temperature gas supply pipe 18 supplies the same type of gas as that supplied into the air chamber 16, that is, low-temperature air, into the air chamber 16. The air supplied through the low-temperature gas supply pipe 18 is It must be cooler than the temperature of the preheated air. In particular, about room temperature is desirable.

低温ガス供給管18は、図2に示すように、発電ユニット56a、56b、56c及び56d、即ち、燃料電池セル集合体の中央部を冷却するような空気室16の位置に接続されている。言い換えれば、発電ユニット56a、56b、56c及び56d間に配設された空気導入管22のケース17側板への開口部集合体中央に対して、対向するケース17側板の位置に開口するように低温ガス供給管18が設けられている。   As shown in FIG. 2, the low temperature gas supply pipe 18 is connected to a position of the air chamber 16 that cools the power generation units 56a, 56b, 56c, and 56d, that is, the central portion of the fuel cell assembly. In other words, the air introduction pipe 22 disposed between the power generation units 56a, 56b, 56c, and 56d has a low temperature so as to open at the position of the opposing case 17 side plate with respect to the center of the opening assembly to the case 17 side plate. A gas supply pipe 18 is provided.

ハウジング2の両側部、更に詳しくは右側断熱壁8の内側及び左側断熱壁9の内側には、全体として平板形状である熱交換器24が配設されている。熱交換器24の各々は実質上鉛直に延在する中空平板形態のケース26から構成されている。   A heat exchanger 24 having a flat plate shape as a whole is disposed on both sides of the housing 2, more specifically, inside the right heat insulating wall 8 and inside the left heat insulating wall 9. Each of the heat exchangers 24 is constituted by a case 26 having a hollow flat plate shape extending substantially vertically.

かかるケース26内にはその横方向中間に位置する仕切板28が配設されており、ケース26内は内側に位置する排出路30と外側に位置する流入路32とに区画されている。排出路30内には上下方向に間隔をおいて3枚の仕切壁34及び36が配置されている。更に詳述すると、排出路30内には、その前縁はケース26の前壁(図示していない)から後方に離隔して位置するがその後縁はケース26の後壁(図示していない)に接続されている形態の仕切壁34と、その前縁はケース26の前壁に接続されているがその後縁はケース26の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁36とが交互に配置されており、かくして燃焼ガス排出路30はジグザグ形態にせしめられている。なお、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。   A partition plate 28 located in the middle in the lateral direction is disposed in the case 26, and the inside of the case 26 is partitioned into a discharge path 30 positioned on the inner side and an inflow path 32 positioned on the outer side. Three partition walls 34 and 36 are arranged in the discharge path 30 at intervals in the vertical direction. More specifically, in the discharge passage 30, the front edge is located rearwardly away from the front wall (not shown) of the case 26, but the rear edge is the rear wall (not shown) of the case 26. And a partition wall 36 whose front edge is connected to the front wall of the case 26 but whose rear edge is spaced forward from the rear wall of the case 26. Are alternately arranged, and thus the combustion gas discharge passage 30 is zigzag-shaped. If desired, a form other than the zigzag flow path may be used.

同様に、流入路32内にも上下方向に間隔をおいて3枚の仕切壁38及び40、即ちその前縁はケース26の前壁(図示していない)から後方に離隔して位置するがその後縁はケース26の後壁(図示していない)に接続されている形態の仕切壁38と、その前縁はケース26の前壁に接続されているがその後縁はケース26の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁40とが交互に配置されており、かくして流入路32もジグザグ形態にせしめられている。なお、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。   Similarly, the three partition walls 38 and 40, that is, the front edges thereof are also spaced apart from the front wall (not shown) of the case 26 in the inflow path 32 with a space in the vertical direction. The rear wall is connected to the rear wall (not shown) of the case 26, and the front edge of the partition wall 38 is connected to the front wall of the case 26. The partition walls 40 spaced apart from the front are alternately arranged, and thus the inflow passage 32 is also zigzag-shaped. If desired, a form other than the zigzag flow path may be used.

ケース26の内側壁の上端部には排出開口42が形成されており、排出路30は排出開口42を介して発電・燃焼室12と連通せしめられている。図示の実施形態においては、熱交換器24の各々の発電・燃焼室12側、即ち、燃料電池セル側、及び燃料電池セルの上下には、蓄熱材からなる蓄熱壁(遮熱部材)が配置されている。即ち右側蓄熱壁44a、左側蓄熱壁44b、前蓄熱壁44c及び後蓄熱壁44d、下蓄熱壁44e、上蓄熱壁44fが、セル集合体を取り囲むように配設されている。かかる右側蓄熱壁44a、左側蓄熱壁44bの上部には、排出開口42の下縁と実質上同高に位置して開口する開口部45が形成されており、排出開口42は開口部45を通して発電・燃焼室12に連通せしめられている。   A discharge opening 42 is formed at the upper end of the inner wall of the case 26, and the discharge path 30 is communicated with the power generation / combustion chamber 12 through the discharge opening 42. In the illustrated embodiment, heat storage walls (heat shielding members) made of a heat storage material are arranged on the power generation / combustion chamber 12 side of the heat exchanger 24, that is, on the fuel cell side and above and below the fuel cell. Has been. That is, the right heat storage wall 44a, the left heat storage wall 44b, the front heat storage wall 44c, the rear heat storage wall 44d, the lower heat storage wall 44e, and the upper heat storage wall 44f are disposed so as to surround the cell assembly. An opening 45 is formed in the upper part of the right heat storage wall 44 a and the left heat storage wall 44 b so as to be located at substantially the same height as the lower edge of the discharge opening 42, and the discharge opening 42 generates power through the opening 45. -It is connected to the combustion chamber 12.

ハウジング2の6個の壁面の外面に形成された断熱壁4、6、8、9、10、11は、アルミナ/シリカ系の汎用断熱材から形成されており、セル集合体を取り囲むように形成された蓄熱壁44a、44b、44c、44d、44e、44fは、密度が前記断熱材4、6、8、9、10より大きいアルミナ純度の高い断熱材から形成されている。断熱壁4、6、8、9、10、11と蓄熱壁44a、44b、44c、44d、44e、44fは同一材料から形成されていても良いが、蓄熱材の密度は断熱材よりも大きいことが望ましい。断熱壁4、6、8、9、10、11の密度は0.26g/cm以下、蓄熱壁44a、44b、44c、44d、44e、44fの密度は0.32g/cm以下で、両者の熱伝導率は0.1〜0.4W/(m・K)であることが望ましい。 The heat insulating walls 4, 6, 8, 9, 10, and 11 formed on the outer surface of the six wall surfaces of the housing 2 are formed of an alumina / silica general-purpose heat insulating material so as to surround the cell assembly. The heat storage walls 44 a, 44 b, 44 c, 44 d, 44 e, 44 f are formed from a heat insulating material having a higher alumina purity than the heat insulating materials 4, 6, 8, 9, 10. The heat insulating walls 4, 6, 8, 9, 10, 11 and the heat storage walls 44a, 44b, 44c, 44d, 44e, 44f may be formed of the same material, but the density of the heat storage material is larger than that of the heat insulating material. Is desirable. The heat insulating walls 4, 6, 8, 9, 10, 11 have a density of 0.26 g / cm 3 or less, and the heat storage walls 44a, 44b, 44c, 44d, 44e, 44f have a density of 0.32 g / cm 3 or less. The thermal conductivity of is preferably 0.1 to 0.4 W / (m · K).

ケース26の上壁における外側部には流入開口48が形成されており、流入路32はかかる流入開口48を介して空気室16に連通せしめられている。熱交換器24、流入開口48は、ガス供給流路を構成している。流入路32の各々の後方には上下方向に細長く延びる二重筒体50(図1にその上端部のみを図示している)が配設されており、かかる二重筒体50は外側筒部材52と内側筒部材54とから構成されている。排出路30の下端部は外側筒部材52と内側筒部材54との間に規定されている排出路の下端部に接続されており、流入路32の下端部は内側筒部材54内に規定されている流入路に接続されている。   An inflow opening 48 is formed on the outer side of the upper wall of the case 26, and the inflow path 32 is communicated with the air chamber 16 through the inflow opening 48. The heat exchanger 24 and the inflow opening 48 constitute a gas supply channel. A double cylinder 50 (only the upper end portion is shown in FIG. 1) extending in the vertical direction is disposed behind each of the inflow passages 32. The double cylinder 50 is an outer cylinder member. 52 and an inner cylindrical member 54. The lower end of the discharge path 30 is connected to the lower end of the discharge path defined between the outer cylinder member 52 and the inner cylinder member 54, and the lower end of the inflow path 32 is defined in the inner cylinder member 54. Connected to the inflow channel.

而して、図示の燃料電池組立体における上述したとおりの構成は、本出願人の出願にかかる特願2003−295790号の明細書及び図面に開示されている燃料電池組立体と実質上同一であるので、上述した構成の詳細については上記特願2003−295790号の明細書及び図面に委ね、本明細書においては説明を省略する。   Thus, the configuration of the fuel cell assembly shown in the drawing is substantially the same as the fuel cell assembly disclosed in the specification and drawings of Japanese Patent Application No. 2003-295790 filed by the present applicant. Therefore, the details of the configuration described above are left to the specification and drawings of Japanese Patent Application No. 2003-295790, and the description thereof is omitted in this specification.

上述した発電・燃焼室の下部には4個の発電ユニット56a、56b、56c及び56dが配置されている。発電ユニット56a、56b、56c及び56dは、夫々、上述した空気導入管22間に位置せしめられている。言い換えれば、発電ユニット56a、56b、56c及び56d間に、空気導入管22が配設されている。図1、2と共に、図3、4を参照して説明を続けると、発電ユニット56aは前後方向(図1において紙面に垂直な方向)に細長く延びる直方体形状の燃料ガスケース58aを具備している。   Four power generation units 56a, 56b, 56c and 56d are arranged in the lower part of the above-described power generation / combustion chamber. The power generation units 56a, 56b, 56c, and 56d are respectively positioned between the air introduction pipes 22 described above. In other words, the air introduction pipe 22 is disposed between the power generation units 56a, 56b, 56c and 56d. 3 and 4 together with FIGS. 1 and 2, the power generation unit 56a includes a rectangular parallelepiped fuel gas case 58a extending in the front-rear direction (direction perpendicular to the paper surface in FIG. 1). .

燃料ガス室を規定している燃料ガスケース58aの上面上にはセルスタック60aが装着されている。セルスタック60aは上下方向に細長く延びる直立セル62を燃料ガスケース58aの長手方向(即ち前後方向)に複数個縦列配置して構成されている。図5に明確に図示する如く、セル62の各々は電極支持基板64、内側電極層である燃料極層66、固体電解質層68、外側電極層である酸素極層70、及びインターコネクタ72から構成されている。   A cell stack 60a is mounted on the upper surface of the fuel gas case 58a that defines the fuel gas chamber. The cell stack 60a is configured by arranging a plurality of upright cells 62 extending in the vertical direction in the longitudinal direction of the fuel gas case 58a (that is, in the front-rear direction). As clearly shown in FIG. 5, each cell 62 includes an electrode support substrate 64, a fuel electrode layer 66 that is an inner electrode layer, a solid electrolyte layer 68, an oxygen electrode layer 70 that is an outer electrode layer, and an interconnector 72. Has been.

電極支持基板64は上下方向に細長く延びる柱状の板状片であり、その断面形状は平坦な両面と半円形状の両側面を有する。電極支持基板64にはこれを鉛直方向に貫通する複数個(図示の場合は6個)の燃料ガス通路74が形成されている。電極支持基板64の各々は燃料ガスケース58aの上壁上に、例えば耐熱性に優れたセラミック接着剤によって接合される。   The electrode support substrate 64 is a columnar plate-like piece that is elongated in the vertical direction, and the cross-sectional shape thereof has both flat surfaces and both sides of a semicircular shape. The electrode support substrate 64 is formed with a plurality (six in the illustrated example) of fuel gas passages 74 penetrating the electrode support substrate 64 in the vertical direction. Each of the electrode support substrates 64 is bonded to the upper wall of the fuel gas case 58a by, for example, a ceramic adhesive having excellent heat resistance.

燃料ガスケース58aの上壁には図1において紙面に垂直な方向に間隔をおいて左右方向に延びる複数個のスリット(図示していない)が形成されており、電極支持基板64の各々に形成されている燃料ガス通路74がスリットの各々に従って燃料ガス室に連通せしめられる。   On the upper wall of the fuel gas case 58a, a plurality of slits (not shown) extending in the left-right direction are formed at intervals in a direction perpendicular to the paper surface in FIG. A fuel gas passage 74 is communicated with the fuel gas chamber according to each of the slits.

インターコネクタ72は電極支持基板64の片面(図5のセルスタック60aにおいて上面)上に配設されている。燃料極層66は電極支持基板64の他面(図5のセルスタック60aにおいて下面)及び両側面に配設されており、その両端はインターコネクタ72の両端に接合せしめられている。固体電解質層68は燃料極層66の全体を覆うように配設され、その両端はインターコネクタ72の両端に接合せしめられている。酸素極層70は、固体電解質層68の主部上、即ち電極支持基板64の他面を覆う部分上に配置され、電極支持基板板64を挟んでインターコネクタ72に対向して位置せしめられている。   The interconnector 72 is disposed on one side of the electrode support substrate 64 (upper surface in the cell stack 60a in FIG. 5). The fuel electrode layer 66 is disposed on the other surface (the lower surface in the cell stack 60a of FIG. 5) and both side surfaces of the electrode support substrate 64, and both ends thereof are joined to both ends of the interconnector 72. The solid electrolyte layer 68 is disposed so as to cover the entire fuel electrode layer 66, and both ends thereof are joined to both ends of the interconnector 72. The oxygen electrode layer 70 is disposed on the main part of the solid electrolyte layer 68, that is, on the portion covering the other surface of the electrode support substrate 64, and is positioned to face the interconnector 72 with the electrode support substrate plate 64 interposed therebetween. Yes.

セルスタック60aにおける隣接するセル62間には集電部材76が配設されており、一方のセル62のインターコネクタ72と他方のセル62の酸素極層70とを接続している。セルスタック60aの両端、即ち図5において上端及び下端に位置するセル62の片面及び他面にも集電部材76が配設されている。セルスタック60aの両端に位置する集電部材76には電力取出手段(図示していない)が接続されており、かかる電力取出手段はハウジング2の前断熱壁10、後断熱壁11、または下断熱材6を通してハウジング2外に延在せしめられている。所望ならば、セルスタック60a、60b、60c及び60dの各々に電力取出手段を配設することに代えて、適宜の接続手段によってセルスタック60a、60b、60c及び60dを相互に直列接続し、4個のセルスタック60a、60b、60c及び60dに関して共通の電力取出手段を配設することもできる。   A current collecting member 76 is disposed between adjacent cells 62 in the cell stack 60a, and connects the interconnector 72 of one cell 62 and the oxygen electrode layer 70 of the other cell 62. Current collecting members 76 are disposed on both ends of the cell stack 60a, that is, on one side and the other side of the cell 62 positioned at the upper end and the lower end in FIG. Electric power extraction means (not shown) is connected to the current collecting members 76 located at both ends of the cell stack 60a, and the electric power extraction means is the front heat insulation wall 10, the rear heat insulation wall 11 or the lower heat insulation wall of the housing 2. The material 6 extends outside the housing 2. If desired, the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d are connected in series with each other by appropriate connection means instead of disposing the power extraction means in each of the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d. Common power extraction means may be provided for the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d.

セル62について更に詳述すると、電極支持基板64は燃料ガスを燃料極層66まで透過させるためにガス透過性であること、そしてまたインターコネクタ72を介して集電するために導電性であることが要求され、かかる要求を満足する多孔質の導電性セラミック(若しくはサーメット)から形成することができる。   More specifically about the cell 62, the electrode support substrate 64 is gas permeable to allow fuel gas to permeate to the anode layer 66, and is also conductive to collect current through the interconnector 72. Can be formed from a porous conductive ceramic (or cermet) that satisfies such requirements.

燃料極層66及び/又は固体電解質層68との同時焼成によりセル62を製造するためには、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから電極支持基板64を形成することが好ましい。所要ガス透過性を備えるために開気孔率が30%以上、特に35乃至50%の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は300S/cm以上、特に440S/cm以上であるのが好ましい。   In order to manufacture the cell 62 by co-firing with the fuel electrode layer 66 and / or the solid electrolyte layer 68, it is preferable to form the electrode support substrate 64 from the iron group metal component and the specific rare earth oxide. In order to provide the required gas permeability, it is preferred that the open porosity is in the range of 30% or more, in particular 35 to 50%, and the conductivity is also 300 S / cm or more, in particular 440 S / cm or more. Is preferred.

燃料極層66は多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているZrO(安定化ジルコニアと称されている)とNi及び/又はNiOとから形成することができる。 The fuel electrode layer 66 can be formed of a porous conductive ceramic, for example, ZrO 2 (referred to as stabilized zirconia) in which a rare earth element is dissolved and Ni and / or NiO.

固体電解質層68は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと空気とのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、3〜15モル%の希土類元素が固溶したZrOから形成されている。 The solid electrolyte layer 68 has a function as an electrolyte for bridging electrons between electrodes, and at the same time needs to have a gas barrier property in order to prevent leakage between fuel gas and air. In general, it is formed from ZrO 2 in which 3 to 15 mol% of a rare earth element is dissolved.

酸素極層70は所謂ABO型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックから形成することができる。酸素極層70はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が20%以上、特に30〜50%の範囲にあることが好ましい。 The oxygen electrode layer 70 can be formed of a conductive ceramic made of a so-called ABO 3 type perovskite oxide. The oxygen electrode layer 70 is required to have gas permeability, and the open porosity is preferably 20% or more, particularly preferably in the range of 30 to 50%.

インターコネクタ72は導電性セラミックから形成することができるが、水素ガスでよい燃料ガス及び空気と接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、このためにランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO系酸化物)が好適に使用される。インターコネクタ72は電極支持基板64に形成された燃料ガス通路74を通る燃料ガス及び電極支持基板64の外側を流動する空気のリークを防止するために緻密質でなければならず、93%以上、特に95%以上の相対密度を有していることが望まれる。 Although the interconnector 72 can be formed from a conductive ceramic, it needs to have a reduction resistance and an oxidation resistance in order to come into contact with a fuel gas and air that may be hydrogen gas. A perovskite oxide (LaCrO 3 oxide) is preferably used. The interconnector 72 must be dense in order to prevent leakage of fuel gas passing through the fuel gas passage 74 formed in the electrode support substrate 64 and air flowing outside the electrode support substrate 64, and is 93% or more. In particular, it is desired to have a relative density of 95% or more.

集電部材76は弾性を有する金属又は合金から形成された適宜の形状の部材或いは金属繊維又は合金繊維から成るフェルトに所要表面処理を加えた部材から構成することができる。   The current collecting member 76 can be composed of a member having an appropriate shape formed of a metal or alloy having elasticity, or a member obtained by adding a required surface treatment to a felt made of metal fiber or alloy fiber.

図4を参照して説明を続けると、発電ユニット56aは、セルスタック60aの上方を前後方向に細長く延びる長方体形状(或いは円筒形状)であるのが好都合である改質ケース78aも具備している。改質ケース78aの前面には燃料ガス送給管80aの一端即ち上端が接続されている。   Continuing the description with reference to FIG. 4, the power generation unit 56 a also includes a reforming case 78 a that is preferably a rectangular shape (or a cylindrical shape) that extends elongated in the front-rear direction above the cell stack 60 a. ing. One end, that is, the upper end of the fuel gas supply pipe 80a is connected to the front surface of the reforming case 78a.

燃料ガス送給管80aは下方に延び、次いで湾曲して後方に延び、燃料ガス送給管80aの他端は上記燃料ガスケース58aの前面に接続されている。改質ケース78aの後面には被改質ガス供給管82aの一端が接続されている。被改質ガス供給管82aは改質ケースから下方に延び、ハウジング2の下を通ってハウジング2外に延出している。   The fuel gas supply pipe 80a extends downward, then curves and extends rearward, and the other end of the fuel gas supply pipe 80a is connected to the front surface of the fuel gas case 58a. One end of a reformed gas supply pipe 82a is connected to the rear surface of the reforming case 78a. The to-be-reformed gas supply pipe 82 a extends downward from the reforming case, and extends under the housing 2 and out of the housing 2.

被改質ガス供給管82aは都市ガス等の炭化水素ガスでよい被改質ガス供給源(図示していない)に接続されており、被改質ガス供給管82aを介して改質ケース78aに被改質ガスが供給される。改質ケース78a内には燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質するための適宜の改質触媒が収容されている。   The to-be-reformed gas supply pipe 82a is connected to a to-be-reformed gas supply source (not shown) which may be a hydrocarbon gas such as city gas, and is connected to the reforming case 78a through the to-be-reformed gas supply pipe 82a. A gas to be reformed is supplied. An appropriate reforming catalyst for reforming the fuel gas into a hydrogen-rich fuel gas is accommodated in the reforming case 78a.

図示の実施形態においては、改質ケース78aは燃料ガス送給管80aを介して燃料ガスケース58aに接続され、これによって所要位置に保持されているが、所要ならば、図4に二点鎖線で図示する如く、例えば上記被改質ガス供給管82aの下面と燃料ガスケース58aの後端部下面或いは後面との間に適宜の支持部材84aを付設することもできる。   In the illustrated embodiment, the reforming case 78a is connected to the fuel gas case 58a via the fuel gas supply pipe 80a and is held in a required position by this, but if necessary, the two-dot chain line in FIG. For example, an appropriate support member 84a can be provided between the lower surface of the reformed gas supply pipe 82a and the lower surface or rear surface of the rear end portion of the fuel gas case 58a.

図3において説明すると、発電ユニット56cは上述した発電ユニット56aと実質上同一であり、発電ユニット56b及び56dは、発電ユニット56a及び56cに対して前後方向が逆に配置されていること、従って改質ケース78b及び78dと燃料ガスケース58b及び58dとを接続する燃料ガス送給管(図示していない)が後側に配置され、被改質ガス供給管82b及び82dが改質ケースから下方に延び、ハウジング2の下を通ってハウジング2外に延出している。   Referring to FIG. 3, the power generation unit 56c is substantially the same as the power generation unit 56a described above, and the power generation units 56b and 56d are disposed in the front-rear direction opposite to the power generation units 56a and 56c. Fuel gas supply pipes (not shown) connecting the quality cases 78b and 78d and the fuel gas cases 58b and 58d are arranged on the rear side, and the reformed gas supply pipes 82b and 82d are located downward from the reforming case. It extends under the housing 2 and extends out of the housing 2.

被改質ガス供給管82a〜82dは、ハウジング2の外部において、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置91に接続されている。この燃料ガス供給装置91により、被改質ガスが被改質ガス供給管82a〜82dに所定圧力で供給される。   The reformed gas supply pipes 82 a to 82 d are connected to a fuel gas supply device 91 that supplies fuel gas outside the housing 2. The fuel gas supply device 91 supplies the reformed gas to the reformed gas supply pipes 82a to 82d at a predetermined pressure.

そして、本発明の燃料電池では、ハウジング2内の右側蓄熱壁44a、左側蓄熱壁44bには、W、Moなどからなる6本のヒータ95が、高さ方向に所定間隔を置いて(図1の紙面に対して垂直方向に)それぞれ設けられている。これらのヒータ95は、燃料電池セル62の側方に位置する右側蓄熱壁44a、左側蓄熱壁44bに設けられている。これらのヒータ95の両端には、制御装置(図示せず)に連結され、複数の燃料電池セル62で発生した電力を用いて発熱するように構成されている。   In the fuel cell of the present invention, six heaters 95 made of W, Mo, etc. are arranged at predetermined intervals in the height direction on the right heat storage wall 44a and the left heat storage wall 44b in the housing 2 (FIG. 1). In the direction perpendicular to the paper surface). These heaters 95 are provided on the right heat storage wall 44 a and the left heat storage wall 44 b located on the side of the fuel battery cell 62. Both ends of these heaters 95 are connected to a control device (not shown), and are configured to generate heat using electric power generated in the plurality of fuel cells 62.

ヒータ95は、ハウジング内の発電室温度が低い場合であって、定常運転時の発電室温度まで昇温する場合に、さらに電力需要が少ない夜間時に、発熱させるように制御される。
The heater 95 is a case generating chamber temperature inside housings is low, when the temperature is raised to the power generation chamber temperature during steady operation, further nighttime less power demand is controlled so as to generate heat.

本発明では、電力需要が急激に高くなる、例えば朝食時間帯の所定時間前の、夜中の低電力需要時間帯に、燃料電池セルで発電した電力を用いてヒータを発熱させ、ハウジング内の発電・燃焼室12を加熱し、加速度的に燃料電池セルの発電量を増加させ、朝食時間帯の急激な電力需要に備えることができる。   In the present invention, the power demand is rapidly increased, for example, a predetermined time before the breakfast time zone, the heater is heated using the power generated by the fuel cell in the low power demand time zone at night, and the power generation in the housing is performed. -The combustion chamber 12 can be heated to increase the amount of power generated by the fuel cells at an accelerated rate, thereby preparing for sudden power demand during breakfast hours.

また、夜中では電力需要は低いため、ベースロード運転を行うが、その際に需要電力よりも大きな電力を発電し、この余剰電力を用いてヒータを発熱させることもできる。   In addition, since the power demand is low at night, the base load operation is performed. At that time, power larger than the demand power can be generated, and the surplus power can be used to heat the heater.

ヒータを発熱させる時間は、一定期間内の高電力使用パターンを学習し、一定期間のうちの一定時間帯にヒータを発熱させることができる。学習機能を有する場合には、電力需要に対してより細かな運転方法を採用できる。
Time to heat the heater can be one high power usage pattern learned the inside constant period, generating heat of the heater for a predetermined time period of the predetermined period. If it has a learning function can adopt a more finely operating process with respect to power demand.

上述したとおりの燃料電池組立体においては、被改質ガスが被改質ガス供給管82a、82b、82c、82dを介して改質ケース78a、78b、78c及び78dに供給され、改質ケース78a、78b、78c及び78d内において水素リッチな燃料ガスに改質された後に、燃料ガス送給管80a、80b、80c、80dを通して燃料ガスケース58a、58b、58c及び58d内に規定されている燃料ガス室に供給され、次いでセルスタック60a、60b、60c及び60dに供給される。   In the fuel cell assembly as described above, the gas to be reformed is supplied to the reforming cases 78a, 78b, 78c and 78d via the gas to be reformed supply pipes 82a, 82b, 82c and 82d, and the reforming case 78a. , 78b, 78c and 78d, the fuel defined in the fuel gas cases 58a, 58b, 58c and 58d through the fuel gas supply pipes 80a, 80b, 80c and 80d after being reformed into hydrogen-rich fuel gas. It is supplied to the gas chamber and then supplied to the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d.

セルスタック60a、60b、60c及び60dの各々においては、酸素極において、
1/2O+2e→O2−(固体電解質)
の電極反応が生成され、燃料極において、
2−(固体電解質)+H→HO+2e
の電極反応が生成されて発電される。
In each of the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d, at the oxygen electrode,
1 / 2O 2 + 2e → O 2− (solid electrolyte)
The electrode reaction of
O 2− (solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e
The electrode reaction is generated and power is generated.

発電に使用されることなくセルスタック60a、60b、60c及び60dから上方に流動した燃料ガス及び空気は、起動時に発電・燃焼室12内に配設されている点火手段(図示していない)によって点火されて燃焼される。周知の如く、セルスタック60a、60b、60c及び60dにおける発電に起因して、そしてまた燃料ガスと空気との燃焼に起因して発電・燃焼室12内は例えば800℃程度の高温になる。改質ケース78a、78b、78c及び78dは発電・燃焼室12内に配設され、セルスタック60a、60b、60c及び60dの直ぐ上方に位置せしめられており、燃焼炎によって直接的にも加熱され、かくして発電・燃焼室12内に生成される高温が被改質ガスの改質に効果的に利用される。   Fuel gas and air that have flown upward from the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d without being used for power generation are ignited by an ignition means (not shown) disposed in the power generation / combustion chamber 12 at the time of startup. It is ignited and burned. As is well known, the power generation / combustion chamber 12 has a high temperature of, for example, about 800 ° C. due to power generation in the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d, and also due to combustion of fuel gas and air. The reforming cases 78a, 78b, 78c and 78d are disposed in the power generation / combustion chamber 12, and are positioned immediately above the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d, and are directly heated by the combustion flame. Thus, the high temperature generated in the power generation / combustion chamber 12 is effectively used for reforming the reformed gas.

発電・燃焼室12内に生成された燃焼ガスは熱交換器24に形成されている排出開口42から排出路30に流入し、ジグザグ状に延在する排出路30を流動した後に二重筒体50の外側筒部材52と内側筒部材54との間に規定されている排出路を通して排出される。燃焼ガスが二重筒体50における排出路を流動する際には、二重筒体50における流入路を空気が流動し、燃焼ガスと空気との間で熱交換が行われる。   The combustion gas generated in the power generation / combustion chamber 12 flows into the discharge passage 30 from the discharge opening 42 formed in the heat exchanger 24, and flows through the discharge passage 30 extending in a zigzag shape. 50 is discharged through a discharge passage defined between the outer cylinder member 52 and the inner cylinder member 54. When the combustion gas flows through the discharge path in the double cylinder 50, air flows through the inflow path in the double cylinder 50, and heat exchange is performed between the combustion gas and air.

そしてまた、燃焼ガスが熱交換器24の排出路30をジグザグ状に流動せしめられる際には、空気が熱交換器24の流入路32をジグザグ状に対向するように流動せしめられる。かくして燃焼ガスと空気との間で効果的に熱交換されて空気が予熱される。   Further, when the combustion gas is caused to flow in the exhaust passage 30 of the heat exchanger 24 in a zigzag manner, the air is caused to flow so as to face the inflow passage 32 of the heat exchanger 24 in a zigzag manner. Thus, heat is effectively exchanged between the combustion gas and air to preheat the air.

長期間に渡って発電を遂行することによってセルスタック60a、60b、60c及び60dの一部或いは全部が劣化した場合には、ハウジング2の前断熱壁10或いは後断熱壁11を離脱或いは開動せしめ、発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部をハウジング2内から取り出す。   When part or all of the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d deteriorates due to power generation over a long period of time, the front heat insulation wall 10 or the rear heat insulation wall 11 of the housing 2 is detached or opened. Part or all of the power generation units 56 a, 56 b, 56 c and 56 d are taken out from the housing 2.

そして、発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部を新しいものに交換して、或いは発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部におけるセルスタック60a、60b、60c及び60dのみを新しいものに交換して、再びハウジング2内の所要位置に装着すればよい。発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部あるいは全部における改質ケース78a、78b、78c及び78d内に収容されている改質触媒を交換することが必要な場合にも、発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部をハウジング2内から取り出し、発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部における改質ケース78a、78b、78c及び78d自体を新しいものに或いは改質ケース78a、78b、78c及び78d内の改質触媒のみを新しいものに交換すればよい。   Then, replace some or all of the power generation units 56a, 56b, 56c and 56d with new ones, or only the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d in some or all of the power generation units 56a, 56b, 56c and 56d. May be replaced with a new one and mounted again at a required position in the housing 2. Even when it is necessary to replace the reforming catalyst accommodated in the reforming cases 78a, 78b, 78c and 78d in some or all of the power generation units 56a, 56b, 56c and 56d, the power generation units 56a, 56b , 56c and 56d are removed from the housing 2, and the reforming cases 78a, 78b, 78c and 78d themselves in the power generation units 56a, 56b, 56c and 56d are replaced with new ones or reforming cases. Only the reforming catalyst in 78a, 78b, 78c and 78d may be replaced with a new one.

改質ケース78a、78b、78c及び78d内の改質触媒の交換を充分容易に遂行し得るようになすために、所望ならば改質ケース78a、78b、78c及び78dの一部を開閉自在な扉にせしめることができる。   In order to be able to perform the replacement of the reforming catalyst in the reforming cases 78a, 78b, 78c and 78d sufficiently easily, a part of the reforming cases 78a, 78b, 78c and 78d can be opened and closed if desired. It can be put on the door.

一方、空気は二重筒体50の内側筒部材54内に規定されている流入路を通して熱交換器24の流入路32に供給され、熱交換器24を通過して予熱(加熱)された空気は、空気室16に一旦貯留され、空気導入管22を通って燃焼・発電室12のセルスタック間に供給される。この際、空気導入管22はセルスタック60の燃料電池セル62の上端の燃料ガス通路74近傍で燃焼する燃焼ガス雰囲気中を通過する。従って、空気室16の予熱空気はセルスタック60上部の燃焼領域でさらに加熱され、高温に暖められた空気がセルに供給される。   On the other hand, air is supplied to the inflow path 32 of the heat exchanger 24 through the inflow path defined in the inner cylinder member 54 of the double cylinder 50, and is preheated (heated) through the heat exchanger 24. Is temporarily stored in the air chamber 16 and supplied between the cell stacks of the combustion / power generation chamber 12 through the air introduction pipe 22. At this time, the air introduction pipe 22 passes through the combustion gas atmosphere that burns in the vicinity of the fuel gas passage 74 at the upper end of the fuel cell 62 of the cell stack 60. Accordingly, the preheated air in the air chamber 16 is further heated in the combustion region above the cell stack 60, and the air heated to a high temperature is supplied to the cell.

通常運転時は前記熱交換器24で予熱された空気が空気室16に導入され、この空気室16から空気導入管22を用いて燃焼・発電室12へ空気が導入されるが、発電室の温度が想定以上に上昇した場合は、前記熱交換器24を通らない低温ガス供給管18を通ってきた低温の空気が空気室16に導入され、熱交換器24を通過して予熱された空気と混合されて、空気室16の空気温度がある程度低下する。この空気を発電室12、即ち、セルスタック間に供給することにより、通常運転時より温度の低い空気がセルスタック間に導入されるので、発電室12、即ち燃料電池セルの過度に上昇した温度が低下されるので、発電室内の温度を適宜にコントロールできる良好な燃料電池組立体が提供される。   During normal operation, air preheated by the heat exchanger 24 is introduced into the air chamber 16, and air is introduced from the air chamber 16 into the combustion / power generation chamber 12 using the air introduction pipe 22. When the temperature rises more than expected, the low-temperature air that has passed through the low-temperature gas supply pipe 18 that does not pass through the heat exchanger 24 is introduced into the air chamber 16 and preheated through the heat exchanger 24. And the air temperature of the air chamber 16 is reduced to some extent. By supplying this air between the power generation chambers 12, that is, between the cell stacks, air having a lower temperature than that during normal operation is introduced between the cell stacks. Therefore, a good fuel cell assembly that can appropriately control the temperature in the power generation chamber is provided.

また、空気室16内の空気温度は、低温ガス供給管18から供給された外気と、熱交換器24を通過して予熱された空気と混合されるため、室温ほど低温の空気ではないので、熱い燃料電池セル60に供給しても、燃料電池セル60のクラックや熱衝撃破壊を引き起こすなどの不具合を避けることが出来るので、燃料電池全体の機能劣化が抑えられ寿命が延ばすことができる。   Moreover, since the air temperature in the air chamber 16 is mixed with the outside air supplied from the low temperature gas supply pipe 18 and the air preheated through the heat exchanger 24, the air temperature is not as low as room temperature. Even if the fuel cell 60 is supplied to the hot fuel cell 60, it is possible to avoid problems such as cracking of the fuel cell 60 and thermal shock destruction, so that the deterioration of the function of the entire fuel cell can be suppressed and the life can be extended.

さらに、低温ガス供給管18による低温ガスの供給を、空気供給管22の開口部中央部に向けて供給することにより、さらに、両側の熱交換器から加熱された空気を開口部中央部に向けて供給することにより、最も加熱しやすいセル集合体の中央部に空気供給管22により供給される空気を最も低温とでき、中央部から離れるに従って高い温度とすることができ、最適な冷却手段とすることができる。   Furthermore, by supplying the supply of the low temperature gas from the low temperature gas supply pipe 18 toward the center of the opening of the air supply pipe 22, the air heated from the heat exchangers on both sides is further directed to the center of the opening. The air supplied through the air supply pipe 22 to the center of the cell assembly that is most easily heated can be at the lowest temperature, and the temperature can be increased as the distance from the center increases. can do.

また、ハウジング2内であってセル集合体の周囲に、右側蓄熱壁44a、左側蓄熱壁44b、前蓄熱壁44c及び後蓄熱壁44d、下蓄熱壁44e、上蓄熱壁44fを、ハウジング2の外面に上断熱壁4、下断熱壁6、右側断熱壁8、左側断熱壁9、前断熱壁10及び後断熱壁11を配置することにより、セル周囲の高温の熱を蓄熱壁により蓄熱するとともに、外部への熱放散を蓄熱壁及び断熱材と併せて効果的に抑制することができ、分散型発電用の燃料電池組立体において、発熱量の少ない部分負荷運転時においても、有効に発電温度を維持できる。   Further, the right heat storage wall 44a, the left heat storage wall 44b, the front heat storage wall 44c and the rear heat storage wall 44d, the lower heat storage wall 44e, and the upper heat storage wall 44f are disposed in the housing 2 around the cell assembly. By arranging the upper heat insulating wall 4, the lower heat insulating wall 6, the right heat insulating wall 8, the left heat insulating wall 9, the front heat insulating wall 10 and the rear heat insulating wall 11, the high temperature heat around the cell is stored by the heat storage wall, The heat dissipation to the outside can be effectively suppressed together with the heat storage wall and the heat insulating material, and in the fuel cell assembly for distributed power generation, the power generation temperature is effectively reduced even during partial load operation with a small amount of heat generation. Can be maintained.

即ち、分散型発電用の燃料電池組立体では発電量は少ないため小型であり、定常運転時には熱自立し、効果的に発電するが、燃料ガス量を少なくして発電量を少なくした場合、発熱量が少なくなり、熱自立しなくなる傾向にあるが、本発明では、断熱壁によりハウジング内に熱を有効に閉じ込め、定常運転時の高温の熱を蓄熱壁に吸収させ、部分負荷運転し発熱量が少なくなった場合に熱を放散させ、ハウジング内の温度を有効に維持できる。   In other words, the fuel cell assembly for distributed power generation is small because the power generation amount is small, and is self-sustaining in the normal operation and generates power effectively. However, if the power generation amount is reduced by reducing the fuel gas amount, In the present invention, the heat is effectively confined in the housing by the heat insulating wall, the high-temperature heat in the steady operation is absorbed by the heat storage wall, the partial load operation is performed, and the heat generation amount is reduced. When the temperature decreases, heat can be dissipated and the temperature inside the housing can be effectively maintained.

尚、本発明では、改質ケースはセルスタックの上方以外の場合でも、改質ケースをハウジング内に設けない場合であっても良い。   In the present invention, the reforming case may be a case other than the upper part of the cell stack or a case where the reforming case is not provided in the housing.

また、上記形態では、空気室に低温ガス供給手段を設け、空気供給管により、燃料電池セルの外面に空気を供給する場合について説明したが、空気供給管により燃料電池セルの内部に空気を供給するようにしても良いことは勿論である。尚、この場合、燃料電池セルの内側には空気極が、外側には燃料極が形成されることは言うまでもない。   Further, in the above embodiment, a case has been described in which low temperature gas supply means is provided in the air chamber and air is supplied to the outer surface of the fuel cell by the air supply pipe, but air is supplied to the inside of the fuel cell by the air supply pipe. Of course, it may be made to do. In this case, it goes without saying that an air electrode is formed inside the fuel cell and a fuel electrode is formed outside.

(運転方法)
分散型発電を行う家庭等において、図6に示すように、電力需要は、朝食時及び夕食時の時間帯に非常に多く、夜中や昼間の時間帯では極端に少なくなり、300W以下の使用電力が数時間以上継続する。電力需要が非常に多い場合は、燃料電池における発電量(最大出力)よりも多い部分については、電力会社からの電力で賄うことになる。
(how to drive)
As shown in FIG. 6, in households that perform distributed power generation, the power demand is very high during breakfast and dinner, and extremely low during the night and during the day, with power consumption of 300 W or less. Continues for more than a few hours. When the demand for electric power is very large, a portion larger than the amount of power generation (maximum output) in the fuel cell is covered by electric power from the electric power company.

そして、本発明においては、電力使用量が少ない時間帯において、電力使用量が多い時間帯(最大出力の時間帯、例えば朝食時間帯)の所定時間前の、夜中の低電力需要時間帯に、燃料電池セルで発電した電力で、かつ外部に供給されない余剰の電力を用いてヒータを発熱させ、ハウジング内の発電室を加熱し、加速度的に燃料電池セルの発電量を増加させ、朝食時間帯の急激な電力需要に備えることができる。   And, in the present invention, in a low power demand time zone during the night, a predetermined time before a time zone where the power usage is high (a time zone of maximum output, for example, a breakfast time zone) in a time zone where the power usage is low, The power generated by the fuel cell and surplus power that is not supplied to the outside is used to heat the heater, the power generation chamber in the housing is heated, and the power generation amount of the fuel cell is increased at an accelerated rate. Can be prepared for sudden power demand.

例えば、朝食時間帯や夕食時間帯では、30分前に燃料電池セルで発電した電力で、外部に供給されない余剰の電力を用いてヒータを発熱させ、ハウジング内の発電室を加熱し、高電力を発生させられる環境を作り、朝食時間帯や夕食時間帯の急速な高電力に迅速に対応できる。   For example, during breakfast and dinner hours, the heater generates heat using the power generated by the fuel cells 30 minutes ago and surplus power that is not supplied to the outside, heating the power generation chamber in the housing, and high power It is possible to create an environment that can generate electricity and respond quickly to rapid high power during breakfast and dinner hours.

尚、上記形態では、図1乃至図5に示す燃料電池組立体について説明したが、特に限定されるものではない。   Although the fuel cell assembly shown in FIGS. 1 to 5 has been described in the above embodiment, it is not particularly limited.

実施形態燃料電池の運転方法に用いる燃料電池の好適実施形態を示す断面図。Sectional drawing which shows suitable embodiment of the fuel cell used for the operating method of the fuel cell of this embodiment . 図1の平面図。The top view of FIG. 図1の燃料電池組立体に使用されている発電ユニット集合体を示す斜視図。FIG. 2 is a perspective view showing a power generation unit assembly used in the fuel cell assembly of FIG. 1. 図3の発電ユニットを示す斜視図。The perspective view which shows the electric power generation unit of FIG. 図3のセルスタックを示す断面図。Sectional drawing which shows the cell stack of FIG. 電力需要の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of electric power demand.

符号の説明Explanation of symbols

2:ハウジング
12:発電・燃焼室
16:空気室(ガス室)
22:空気供給管(ガス供給管)
24:熱交換器
56a、56b、56c及び56d:発電ユニット
58a、58b、58c及び58d:燃料ガスケース
60a、60b、60c及び60d:セルスタック
62:燃料電池セル
78a、78b、78c及び78d:改質ケース
91:燃料ガス供給装置
2: Housing 12: Power generation / combustion chamber 16: Air chamber (gas chamber)
22: Air supply pipe (gas supply pipe)
24: Heat exchangers 56a, 56b, 56c and 56d: Power generation units 58a, 58b, 58c and 58d: Fuel gas cases 60a, 60b, 60c and 60d: Cell stack 62: Fuel cell 78a, 78b, 78c and 78d: Modified Quality case 91: fuel gas supply device

Claims (4)

ハウジング内に、複数の燃料電池セルと、該複数の燃料電池セルで発生した電力を用いて発熱するヒータとを具備し、一定の発電量を発電する定常運転と、外部負荷の要求電力に対して発電量を変化させる部分負荷運転とを組み合わせて発電を行なう燃料電池の運転方法において、前記部分負荷運転時における前記ハウジング内の温度が前記定常運転時の温度より低下している時において、前記外部負荷の要求電力が高くなる時間帯の所定時間前に、その時点での前記外部負荷の要求電力よりも多い電力量を発電するとともに、余剰発電電力を前記ヒータに供給して、該ヒータを発熱させることを特徴とする燃料電池の運転方法。 The housing includes a plurality of fuel cells and a heater that generates heat using the electric power generated by the plurality of fuel cells, for steady operation for generating a certain amount of power generation, and for the required power of the external load. In the method of operating a fuel cell that performs power generation in combination with partial load operation that changes the amount of power generation, when the temperature in the housing during the partial load operation is lower than the temperature during the steady operation, Before a predetermined time before the required power of the external load becomes high, the power generation is larger than the required power of the external load at that time, and surplus generated power is supplied to the heater. the fuel cell operating method characterized by the Turkey is exothermic. 前記ハウジング内の温度が前記定常運転時の温度より低下している時が、前記外部負荷の電力需要が少ない夜間時であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池の運転方法。   2. The method of operating a fuel cell according to claim 1, wherein the time when the temperature in the housing is lower than the temperature during the steady operation is during nighttime when the power demand of the external load is low. 一定期間内の高電力使用パターンを学習し、前記ハウジング内の温度が前記定常運転時の温度より低下している時が、一定期間のうちの一定時間帯とすることを特徴とする請求項2記載の燃料電池の運転方法。   The high power usage pattern within a predetermined period is learned, and the time when the temperature in the housing is lower than the temperature during the steady operation is set as a predetermined time period within the predetermined period. The operation method of the fuel cell as described. 前記燃料電池として固体電解質形燃料電池を用い、分散型発電を行なうことを特徴とする請求項1乃至3のうちいずれかに記載の燃料電池の運転方法。   4. The fuel cell operating method according to claim 1, wherein a solid electrolyte fuel cell is used as the fuel cell, and distributed power generation is performed. 5.
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