JP4880282B2 - Fuel cell system and fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池とそのガス供給システムとを有する燃料電池システム、燃料電池及び燃料電池セルに関する。   The present invention relates to a fuel cell system having a solid oxide fuel cell and a gas supply system thereof, a fuel cell, and a fuel cell.

従来から、固体酸化物形燃料電池に対して供給する各ガスの流量制御には、その電気化学反応の原理から、燃料電池の出力電流と供給ガス流量とが比例関係にあることが利用されていた。例えば、特許文献1では、燃料電池の出力電流とその電流量に応じたガス流量を計測して演算により予めその関係を導出し、導出された関係に基づいて所望する電流量に対応するガス流量となるように流量計で計測しながらガス供給バルブの開度を調節し、所定量とする制御を行っている。   Conventionally, the flow control of each gas supplied to a solid oxide fuel cell has utilized a proportional relationship between the output current of the fuel cell and the flow rate of the supply gas from the principle of electrochemical reaction. It was. For example, in Patent Literature 1, the output current of a fuel cell and the gas flow rate corresponding to the current amount are measured, the relationship is derived in advance by calculation, and the gas flow rate corresponding to the desired current amount based on the derived relationship. Control is performed to adjust the opening of the gas supply valve while measuring with a flow meter so as to become a predetermined amount.

また、特許文献2では、固体酸化物形燃料電池の燃料ガス通路への酸素リークに起因する酸素濃度の増加を検知する酸素センサを設け、燃料ガス通路の酸素濃度が高くなるほど燃料ガス供給量が多くなるようにガス供給バルブを調節する制御を行っている。   In Patent Document 2, an oxygen sensor that detects an increase in oxygen concentration caused by oxygen leakage into the fuel gas passage of the solid oxide fuel cell is provided, and the fuel gas supply amount increases as the oxygen concentration in the fuel gas passage increases. Control is performed to adjust the gas supply valve so as to increase.

さらにまた、燃料電池の発電性能を評価するために、その電池の発電に関与している電極の電圧を直接モニターすることで測定し、電池の性能劣化等はこれら電極から直接計測した出力の低下によって判断していた。
特開平10−302823号公報 特開2001−273915号公報
Furthermore, in order to evaluate the power generation performance of a fuel cell, it is measured by directly monitoring the voltage of the electrode that is involved in the power generation of the battery, and battery performance degradation is a decrease in output measured directly from these electrodes. It was judged by.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-302823 JP 2001-273915 A

しかしながら、特許文献1のガス流量制御方法では、電流量を計測し、その後演算を行い、それによって求めたガス流量に合うようにガス流量を計測しながらガスのバルブを制御するために、制御が煩雑である上に同時に時間がかかる。従って、家庭用電源のように電力が刻々と変化する状況では制御に時間がかかるために応答が遅く対応できないという問題があった。さらには、電流とガスの流量の関係式の間接的な手法により制御を行っているために多少のガスリークの影響でもぎりぎりのところで使用することとなり、その結果燃料電池が劣化してくるという問題があった。また、流量計はコストが高いという問題があった。   However, in the gas flow rate control method of Patent Document 1, the control is performed in order to control the gas valve while measuring the gas flow rate so as to match the gas flow rate obtained by measuring the current amount and then calculating the current amount. It is cumbersome and takes time at the same time. Therefore, there is a problem that in a situation where electric power changes every moment like a household power supply, the control takes time, so that the response is slow and cannot be handled. Furthermore, since the control is performed by an indirect method of the relational expression between the current and the gas flow rate, it is used at the last minute under the influence of some gas leak, and as a result, the fuel cell deteriorates. there were. In addition, the flow meter has a problem of high cost.

また、特許文献2のガス流量制御方法では、燃料電池セルとは別個に酸素センサを形成し、燃料ガス通路の出口側近傍に設置している。この酸素センサは固体電解質と同じ材料をチューブ状に形成してその内外に電極を設けて電圧取り出し用リード線を接続し、さらにチューブ内には温度センサも挿入している。斯かる複雑な構造の酸素センサは作製コストが高い上に、酸素センサを配置するための空間を要することとなる。   Moreover, in the gas flow rate control method of Patent Document 2, an oxygen sensor is formed separately from the fuel battery cell, and is installed in the vicinity of the outlet side of the fuel gas passage. In this oxygen sensor, the same material as that of the solid electrolyte is formed in a tube shape, electrodes are provided on the inside and outside of the oxygen sensor, a lead wire for voltage extraction is connected, and a temperature sensor is also inserted in the tube. Such an oxygen sensor having a complicated structure is expensive to manufacture and requires a space for arranging the oxygen sensor.

さらにまた、燃料電池の発電性能評価のために発電に関与する電極の電圧をモニターする方法では、電極面が全て等電位になることからセル内の特定の位置の劣化または劣化状況の分布がある場合に、見かけ上全体が劣化しているように測定され、区別できない。例えば、燃料ガス通路の下流側で劣化している場合は燃料流量を変更するなどの手法で対処できるのに対し、上流側で劣化している場合はシール部のリークなども考えられるため燃料流量を増やすことは危険である。   Furthermore, in the method of monitoring the voltage of the electrode involved in power generation for evaluating the power generation performance of the fuel cell, all the electrode surfaces are equipotential, and therefore there is a deterioration in a specific position in the cell or a distribution of deterioration conditions. In some cases, it is measured as if the entire appearance is deteriorated and cannot be distinguished. For example, when the fuel gas passage is deteriorated on the downstream side, it can be dealt with by changing the fuel flow rate. On the other hand, when the fuel gas passage is deteriorated on the upstream side, there is a possibility of leakage of the seal part. It is dangerous to increase.

以上の現状に鑑み、本発明の目的は、固体酸化物形燃料電池の燃料ガス通路を通過した燃料ガスすなわちオフガス中の酸素濃度を検知可能であり、さらに燃料ガス通路の任意の位置における酸素濃度を検知可能である低コストかつコンパクトな検知手段を提供することであり、この検知手段を用いて燃料電池へ供給する各種ガスの流量を調整することにより燃料電池システムの最適稼働を実現すると共に、適切なメンテナンスを行えるようにすることである。   In view of the above situation, the object of the present invention is to detect the oxygen concentration in the fuel gas that has passed through the fuel gas passage of the solid oxide fuel cell, that is, the off-gas, and further to detect the oxygen concentration at an arbitrary position in the fuel gas passage. The fuel cell system is optimally operated by adjusting the flow rate of various gases supplied to the fuel cell using this detection means. To ensure proper maintenance.

上記の目的を達成するために本発明は以下の構成を提供する。
(1)請求項1に係る燃料電池システムは、燃料極層と酸素極層との間に固体電解質層を挟持してなる燃料電池セルと、前記固体電解質層に沿って設けられた燃料ガス通路と、酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入部とを具備する固体酸化物形燃料電池と、該固体酸化物形燃料電池に対して複数種のガスを供給するガス供給システムとを有する燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス通路の出口近傍にて前記固体電解質層の電極として形成した酸素濃度測定用参照電極を有し、
前記ガス供給システムが、前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、該燃料電池に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段と、前記酸素濃度測定用参照電極の出力電圧に基づいて該燃料ガス供給手段及び/または該酸素含有ガス供給手段からの各ガス流量を制御する制御手段とを有することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following configurations.
(1) A fuel cell system according to claim 1 is a fuel cell comprising a solid electrolyte layer sandwiched between a fuel electrode layer and an oxygen electrode layer, and a fuel gas passage provided along the solid electrolyte layer And a solid oxide fuel cell comprising an oxygen-containing gas introduction section for introducing an oxygen-containing gas, and a gas supply system for supplying a plurality of types of gases to the solid oxide fuel cell In the system,
An oxygen concentration measurement reference electrode formed as an electrode of the solid electrolyte layer in the vicinity of the outlet of the fuel gas passage;
The gas supply system comprises: a fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel cell; an oxygen-containing gas supply means for supplying an oxygen-containing gas to the fuel cell; and the oxygen concentration measurement reference electrode. The fuel gas supply means and / or the control means for controlling the flow rate of each gas from the oxygen-containing gas supply means based on the output voltage.

(2)請求項2に係る燃料電池システムは、請求項1において、前記酸素濃度測定用参照電極が前記燃料極層または前記酸素極層と同じ材料から形成されることを特徴とする。 (2) The fuel cell system according to claim 2 is characterized in that, in claim 1, the oxygen concentration measurement reference electrode is formed of the same material as the fuel electrode layer or the oxygen electrode layer.

(3)請求項3に係る燃料電池システムは、請求項1または2において、前記酸素濃度測定用参照電極の近傍に温度センサを設けたことを特徴とする。 (3) The fuel cell system according to claim 3 is characterized in that, in claim 1 or 2, a temperature sensor is provided in the vicinity of the oxygen concentration measurement reference electrode.

(4)請求項4に係る燃料電池システムは、請求項1〜3のいずれかにおいて、前記制御手段が、前記酸素濃度測定用参照電極の出力電圧に基づいて前記燃料ガス通路中の酸素濃度が一定となるように前記燃料ガス供給手段からのガス流量を制御することを特徴とする。 (4) A fuel cell system according to a fourth aspect is the fuel cell system according to any one of the first to third aspects, wherein the control means determines that the oxygen concentration in the fuel gas passage is based on an output voltage of the reference electrode for measuring oxygen concentration. The gas flow rate from the fuel gas supply means is controlled so as to be constant.

(5)請求項5に係る燃料電池システムは、請求項1〜4のいずれかにおいて、前記燃料電池からの出力電流を検知する直流電流センサを有し、前記制御手段が前記直流電流センサの信号に基づいて前記燃料ガス供給手段からのガス流量を制御することを特徴とする。 (5) A fuel cell system according to a fifth aspect of the present invention is the fuel cell system according to any one of the first to fourth aspects, further comprising a direct current sensor for detecting an output current from the fuel cell, wherein the control means is a signal of the direct current sensor. The flow rate of the gas from the fuel gas supply means is controlled based on the above.

(6)請求項6に係る燃料電池システムは、請求項1〜5のいずれかにおいて、前記燃料電池からの出力電流を検知する直流電流センサを有し、前記制御手段が前記直流電流センサの信号に基づいて前記燃料ガス供給手段からのガス流量を制御することを特徴とする。 (6) A fuel cell system according to a sixth aspect of the present invention is the fuel cell system according to any one of the first to fifth aspects, further comprising a direct current sensor for detecting an output current from the fuel cell, wherein the control means is a signal of the direct current sensor. The flow rate of the gas from the fuel gas supply means is controlled based on the above.

(7)請求項7に係る燃料電池は、燃料極層と酸素極層との間に固体電解質層を挟持してなる燃料電池セルと、前記固体電解質層に沿って設けられた燃料ガス通路と、酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入部とを具備する固体酸化物形燃料電池において、前記燃料ガス通路の出口近傍にて前記固体電解質層の電極として形成した酸素濃度測定用参照電極を有することを特徴とする。 (7) A fuel cell according to claim 7 is a fuel cell in which a solid electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode layer and an oxygen electrode layer, and a fuel gas passage provided along the solid electrolyte layer. And a solid oxide fuel cell comprising an oxygen-containing gas introduction part for introducing an oxygen-containing gas, comprising an oxygen concentration measurement reference electrode formed as an electrode of the solid electrolyte layer in the vicinity of the outlet of the fuel gas passage It is characterized by that.

・請求項1に係る発明では、固体酸化物形燃料電池とそのガス供給システムを有する燃料電池システムが、燃料電池のオフガス(燃料電池セルの燃料極側に設けた燃料ガス通路を通過した燃料ガス)の酸素濃度を計測するための参照電極を具備する。酸素濃度測定用参照電極を設ける位置は、燃料ガス通路の出口近傍すなわち燃料ガスの下流側である。そして、酸素濃度測定用参照電極は、燃料極層または酸素極層と同様に固体電解質層の電極として形成されるが、燃料極または酸素極層とは電気的に独立して設けられる。酸素濃度測定用参照電極は、例えば導電セラミックから形成することができる。 In the invention according to claim 1, the fuel cell system having the solid oxide fuel cell and the gas supply system thereof is provided as a fuel cell off-gas (a fuel gas that has passed through a fuel gas passage provided on the fuel electrode side of the fuel cell). ) Is provided with a reference electrode for measuring the oxygen concentration. The position where the oxygen concentration measurement reference electrode is provided is near the outlet of the fuel gas passage, that is, downstream of the fuel gas. The oxygen concentration measurement reference electrode is formed as a solid electrolyte layer electrode in the same manner as the fuel electrode layer or the oxygen electrode layer, but is provided independently of the fuel electrode or the oxygen electrode layer. The reference electrode for measuring oxygen concentration can be formed from, for example, a conductive ceramic.

酸素濃度測定用参照電極の位置において、固体酸化物を挟んで酸素濃度測定用参照電極とその対向電極との間で燃料電池セルと同様の発電反応が行われることにより、酸素濃度測定用参照電極から取り出される出力電圧が燃料極側と酸素極側の酸素濃度差を反映したものとなる。例えば、酸素極側の固体電解質上に酸素濃度測定用電極を設けた場合、燃料極自体を対向電極として用いることもできるし、あるいは、燃料極側の固体電解質上に別途対向電極を設けてもよい。燃料電池セルの外側に酸素含有ガス導入部が設置されるタイプの燃料電池では、燃料電池セルの外側では酸素含有ガスが導入されているため、通常、酸素濃度はほぼ一定とみなされる。一方、固体電解質層に損傷が生じて燃料ガス通路へ酸素がリークして燃料ガス中の酸素濃度が高くなった場合、酸素極側との酸素濃度差が小さくなり、その変化が酸素濃度測定用参照電極の出力電圧変化として現れるためである。   At the position of the oxygen concentration measurement reference electrode, a power generation reaction similar to that of the fuel battery cell is performed between the oxygen concentration measurement reference electrode and the counter electrode with the solid oxide interposed therebetween, whereby the oxygen concentration measurement reference electrode The output voltage taken out from the fuel cell reflects the difference in oxygen concentration between the fuel electrode side and the oxygen electrode side. For example, when the oxygen concentration measurement electrode is provided on the solid electrolyte on the oxygen electrode side, the fuel electrode itself can be used as the counter electrode, or a separate electrode can be provided on the solid electrolyte on the fuel electrode side. Good. In the type of fuel cell in which the oxygen-containing gas introduction part is installed outside the fuel cell, the oxygen concentration is generally regarded as substantially constant because the oxygen-containing gas is introduced outside the fuel cell. On the other hand, when the solid electrolyte layer is damaged and oxygen leaks into the fuel gas passage and the oxygen concentration in the fuel gas increases, the difference in oxygen concentration from the oxygen electrode side decreases, and this change is used for oxygen concentration measurement. This is because it appears as a change in the output voltage of the reference electrode.

酸素濃度測定用参照電極は、燃料電池セルの酸素極側と燃料極側の酸素濃度差を検出するものであるから、その設置位置は酸素極側でも燃料極側でもよい。   Since the oxygen concentration measurement reference electrode detects the difference in oxygen concentration between the oxygen electrode side and the fuel electrode side of the fuel cell, the installation position may be on the oxygen electrode side or the fuel electrode side.

このように本発明では、個別の酸素センサを設けることなく、既存の燃料電池セルの固体電解質層の両側に酸素濃度測定用参照電極を設けることにより燃料ガス通路中の酸素濃度の変化を計測することができる。これにより、燃料電池の発電状態を直接的に計測することが可能となる。そして、酸素濃度測定用参照電極の出力電圧に基づいて1または複数のガスのバルブ開度を調整し、酸素濃度測定用参照電極の出力電圧が一定になるように制御手段が制御することができる。この場合、応答性が速く負荷追従も速い。さらに低コストに形成でき、空間をとらずコンパクトである。
上記の効果は、請求項7及び8に係る発明ついても同様である。
As described above, in the present invention, a change in the oxygen concentration in the fuel gas passage is measured by providing the oxygen concentration measurement reference electrodes on both sides of the solid electrolyte layer of the existing fuel cell without providing a separate oxygen sensor. be able to. Thereby, it becomes possible to directly measure the power generation state of the fuel cell. The control means can control the valve opening degree of one or more gases based on the output voltage of the oxygen concentration measurement reference electrode so that the output voltage of the oxygen concentration measurement reference electrode becomes constant. . In this case, the response is fast and the load following is also fast. Furthermore, it can be formed at a low cost and is compact without taking up space.
The above-described effects are the same for the inventions according to claims 7 and 8.

燃料ガスと酸素含有ガスの調整は、例えば、まず燃料ガス流量を調整し、それでも燃料ガス通路中の酸素濃度が目標値にならない場合にさらに酸素含有ガス流量を調整するといった2段階で制御できる。具体的には、燃料ガス通路中の酸素濃度が上昇した(燃料極側と酸素極側の酸素濃度差が小さくなった)ことを検知した場合は、燃料ガス通路への燃料ガス流量を多くすることにより燃料ガス通路中の酸素濃度を低くして酸素濃度差を大きくすることができる。次段階として、これに加えてまたはこれに替えて酸素極側へ供給する酸素含有ガス流量を多くすることによっても酸素濃度差を大きくすることができる。これにより一定の発電状態を維持することができる。   The adjustment of the fuel gas and the oxygen-containing gas can be controlled in two stages, for example, by first adjusting the flow rate of the fuel gas and further adjusting the flow rate of the oxygen-containing gas when the oxygen concentration in the fuel gas passage does not reach the target value. Specifically, when it is detected that the oxygen concentration in the fuel gas passage has increased (the difference in oxygen concentration between the fuel electrode side and the oxygen electrode side has decreased), the flow rate of fuel gas to the fuel gas passage is increased. As a result, the oxygen concentration in the fuel gas passage can be lowered and the oxygen concentration difference can be increased. As a next step, the oxygen concentration difference can be increased by increasing the flow rate of the oxygen-containing gas supplied to the oxygen electrode side in addition to or instead of this. Thereby, a constant power generation state can be maintained.

・請求項2に係る発明では、酸素濃度測定用参照電極が、燃料電池セルの燃料極層または酸素極層と同じ材料で形成される。これにより、燃料電池セルの製造工程において酸素濃度測定用参照電極をいずれかの層と同時に形成することができる。従って、安価で信頼性の高い酸素濃度検知部分を、既存の燃料電池セルの一部を利用して構築することができる。 In the invention according to claim 2, the oxygen concentration measurement reference electrode is formed of the same material as the fuel electrode layer or the oxygen electrode layer of the fuel cell. Thereby, the reference electrode for measuring oxygen concentration can be formed simultaneously with any layer in the manufacturing process of the fuel cell. Therefore, an inexpensive and highly reliable oxygen concentration detection part can be constructed using a part of existing fuel cells.

・請求項3に係る発明では、酸素濃度測定用参照電極の近傍に温度センサを設ける。これは、燃料電池内部の温度並びにオフガス燃焼温度を検知するセンサで代用してもよい。その場合、酸素濃度を測定する部分(酸素濃度測定用参照電極の設置位置)との温度差を予め求めておくことで対応できる。この温度センサの検知した温度に基づいて酸素濃度測定用参照電極を補正することができ、酸素濃度変化の正確な検知が可能となる。 In the invention according to claim 3, a temperature sensor is provided in the vicinity of the oxygen concentration measurement reference electrode. This may be replaced by a sensor that detects the temperature inside the fuel cell as well as the off-gas combustion temperature. In that case, it is possible to cope with this by obtaining in advance the temperature difference from the portion for measuring the oxygen concentration (the position where the oxygen concentration measurement reference electrode is installed). The oxygen concentration measurement reference electrode can be corrected based on the temperature detected by the temperature sensor, and an oxygen concentration change can be accurately detected.

・請求項4に係る発明では、制御手段が酸素濃度測定用参照電極の出力電圧に基づいてオフガスの酸素濃度が予め設定した値となるように燃料ガスの流量を制御する。これにより一定の発電状態を維持することができる。 In the invention according to claim 4, the control means controls the flow rate of the fuel gas so that the off-gas oxygen concentration becomes a preset value based on the output voltage of the oxygen concentration measurement reference electrode. Thereby, a constant power generation state can be maintained.

・請求項5に係る発明では、制御手段が酸素濃度測定用参照電極の出力電圧に基づいてオフガス中の酸素濃度が予め設定した値を超えた(すなわち酸素濃度差が予め設定した値より小さくなった)場合に燃料電池システムを停止させる安全装置を具備する。これにより、システム全体の致命的な損傷を最小限に防ぐことができる。 In the invention according to claim 5, the control means exceeds the preset value of the oxygen concentration in the off-gas based on the output voltage of the oxygen concentration measurement reference electrode (that is, the oxygen concentration difference becomes smaller than the preset value). A safety device for stopping the fuel cell system. Thereby, the fatal damage of the whole system can be prevented to the minimum.

・請求項6に係る発明では、燃料電池の出力電流を検知する直流電流センサを有し、出力電流が予め設定した値より少ないときには、燃料ガス通路中の酸素濃度が低くなるように、燃料ガス供給手段からの燃料ガス流量を多くするよう制御する。あるいは酸素含有ガスが多くなるよう制御する。これは、一般に燃料電池は電流が少ない場合に利用率特性が悪くなる傾向があるのでこれに対応するためであり、利用率一定運転を実現する。 The invention according to claim 6 has a direct current sensor for detecting the output current of the fuel cell, and when the output current is less than a preset value, the fuel gas is reduced so that the oxygen concentration in the fuel gas passage becomes low. Control is performed to increase the flow rate of the fuel gas from the supply means. Or it controls so that oxygen-containing gas increases. This is because the fuel cell generally has a tendency to deteriorate the utilization factor when the current is small, so that a constant utilization factor operation is realized.

・本発明の一態様では、燃料ガス通路の入口から出口までの間にて固体電解質層の電極として1または複数の酸素濃度検知用参照電極を設け、これらの出力電圧に基づいて1または複数のガスのバルブ開度を調整し、必要な各ガス流量を燃料電池に供給することができる。これにより、燃料電池セル全体の状態を直接的に計測することが可能となる。例えば、燃料ガス通路全体に亘る酸素濃度分布を計測できるので、燃料電池セルが燃料ガスの上流側でのみ劣化しているのか、下流側から劣化しているのかを早めに検知することが可能となる。この結果、危険な状況につながるおそれのある上流側の劣化に対して必要なメンテナンスを迅速に行うことができる。 In one aspect of the present invention, one or a plurality of oxygen concentration detection reference electrodes are provided as electrodes of the solid electrolyte layer between the inlet and the outlet of the fuel gas passage, and one or a plurality of reference electrodes are provided based on these output voltages. It is possible to adjust the valve opening of the gas and supply each necessary gas flow rate to the fuel cell. Thereby, it becomes possible to measure the state of the whole fuel cell directly. For example, since the oxygen concentration distribution over the entire fuel gas passage can be measured, it is possible to detect early whether the fuel cell has deteriorated only on the upstream side or the downstream side of the fuel gas. Become. As a result, it is possible to quickly perform the necessary maintenance for upstream deterioration that may lead to a dangerous situation.

・また本発明の別の態様では、燃料ガス通路の入口から出口までの間に1または複数の温度センサを設ける。これにより、燃料ガス通路全体に亘る温度分布を計測でき、温度変化に関わらずより正確な酸素濃度分布計測が可能となる。 In another aspect of the present invention, one or more temperature sensors are provided between the inlet and the outlet of the fuel gas passage. As a result, the temperature distribution over the entire fuel gas passage can be measured, and more accurate oxygen concentration distribution measurement can be performed regardless of the temperature change.

・以上述べた通り、本発明の固体酸化物形燃料電池システムでは、燃料ガス通路中の燃料ガス、特にオフガスの酸素濃度にあわせて燃料バルブ等の開度を調整するのみであるため、制御が簡単で高速な応答が可能である。さらに、燃料電池セルの直接的な状態を把握できるため、燃料電池セルの劣化にも対応できるようになる。また、酸素濃度測定用参照電極は燃料電池セルのいずれかの構成要素と同じ材料を用いることができる。従って、参照電極と固体電解質と対向電極とから構成される酸素濃度検知部分は燃料電池セルと同じ構成であるので、燃料電池セルと同時に製造することができ、安価で信頼性の高いセンサーを実現することができる。 As described above, in the solid oxide fuel cell system of the present invention, the control is only performed by adjusting the opening of the fuel valve or the like according to the oxygen concentration of the fuel gas in the fuel gas passage, particularly the off-gas. A simple and fast response is possible. Furthermore, since the direct state of the fuel cell can be grasped, it is possible to cope with the deterioration of the fuel cell. The oxygen concentration measurement reference electrode may be made of the same material as any component of the fuel cell. Therefore, since the oxygen concentration detection part composed of the reference electrode, solid electrolyte, and counter electrode has the same structure as the fuel cell, it can be manufactured at the same time as the fuel cell, realizing an inexpensive and highly reliable sensor. can do.

以下、本発明の実施例を示した図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。
(1)燃料電池システム概要
図1は、本発明の固体酸化物形燃料電池システムを簡略化して示すブロック図である。本発明の燃料電池システムは、各種ガスを供給するガス供給システム1と、複数のガスにより発電する燃料電池2と、燃料電池内部にあって燃料ガスのオフガスの酸素濃度を計測するための酸素濃度測定用参照電極3と、付加設備として燃料電池2から取り出される直流電流を読み取る直流電流センサ4とを有する。さらに、ガス供給システム1は、酸素濃度測定用参照電極3からの出力電圧によりガス供給システム1へ各ガスの流量の指令を出すガス演算制御部11と、ガス演算制御部11からの指令に基づいて各ガスのバルブ開度を調節するガス供給部12を具備している。ガス供給部12は、少なくとも燃料ガス供給部12aと、酸素含有ガス供給部12bとを具備する。燃料ガス供給部12aは、水素ガスでよい燃料ガスまたは被改質ガスを燃料電池2に供給する。被改質ガスの場合は、燃料電池内部の改質ケースで燃料ガスへと改質されて燃料ガス通路へ流入する。酸素含有ガス供給部12bは、例えば空気を燃料電池2に供給する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings showing examples of the present invention.
(1) Outline of Fuel Cell System FIG. 1 is a block diagram showing a simplified solid oxide fuel cell system of the present invention. The fuel cell system of the present invention includes a gas supply system 1 that supplies various gases, a fuel cell 2 that generates power using a plurality of gases, and an oxygen concentration for measuring the oxygen concentration of an off-gas of the fuel gas inside the fuel cell. A reference electrode for measurement 3 and a direct current sensor 4 for reading a direct current taken out from the fuel cell 2 as additional equipment are provided. Further, the gas supply system 1 is based on a gas calculation control unit 11 that issues a command of the flow rate of each gas to the gas supply system 1 by an output voltage from the reference electrode 3 for measuring oxygen concentration, and a command from the gas calculation control unit 11. The gas supply part 12 which adjusts the valve opening degree of each gas is comprised. The gas supply unit 12 includes at least a fuel gas supply unit 12a and an oxygen-containing gas supply unit 12b. The fuel gas supply unit 12 a supplies the fuel cell 2 with a fuel gas that may be hydrogen gas or a gas to be reformed. In the case of the reformed gas, it is reformed into fuel gas in the reforming case inside the fuel cell and flows into the fuel gas passage. The oxygen-containing gas supply unit 12b supplies air to the fuel cell 2, for example.

そして、本発明の燃料電池システムの特徴は、ガス供給システム1がガス供給部12に対して各ガス供給量の指令を出すガス演算制御部11とガス供給部12とを具備する一方、燃料電池2が、オフガスの酸素濃度を計測する酸素濃度測定用参照電極3を具備しており、酸素濃度測定用参照電極3の電圧出力に基づき(矢印S1)ガス演算制御部11が制御を行うことによりガス供給部12が動作する(矢印C)点である。   The fuel cell system according to the present invention is characterized in that the gas supply system 1 includes a gas calculation control unit 11 and a gas supply unit 12 that issue commands for the respective gas supply amounts to the gas supply unit 12. 2 includes an oxygen concentration measurement reference electrode 3 for measuring the oxygen concentration of off-gas, and the gas calculation control unit 11 performs control based on the voltage output of the oxygen concentration measurement reference electrode 3 (arrow S1). This is the point at which the gas supply unit 12 operates (arrow C).

尚、好適には、燃料電池2がさらに温度センサ5を具備し、この電圧出力に基づいて(矢印S2)酸素濃度測定用参照電極3の電圧出力に対する温度の影響を補正する。   Preferably, the fuel cell 2 further includes a temperature sensor 5, and based on this voltage output (arrow S2), the influence of the temperature on the voltage output of the oxygen concentration measurement reference electrode 3 is corrected.

さらに、好適には、燃料電池2の出力電流を検知する直流電流センサ4も具備し、この検知出力に基づいても(矢印S4)同様にガス演算制御部11がガス供給部12を制御する。以下、具体的に説明する。   Further, preferably, a DC current sensor 4 for detecting the output current of the fuel cell 2 is also provided, and the gas calculation control unit 11 controls the gas supply unit 12 similarly based on this detection output (arrow S4). This will be specifically described below.

(2)燃料電池
図2は、本発明による燃料電池の主要部を概略的に示した斜視図である。参考のために、図1に示したガス供給システム1のガス演算制御部11及び燃料ガス供給部12aとの関係も模式的に示している。
(2) Fuel Cell FIG. 2 is a perspective view schematically showing the main part of the fuel cell according to the present invention. For reference, the relationship between the gas calculation control unit 11 and the fuel gas supply unit 12a of the gas supply system 1 shown in FIG. 1 is also schematically shown.

図2に示すように、燃料電池2は、ハウジング(図示せず)内に、4個の発電ユニット56a、56b、56c及び56dを配置して構成されている。図示しないが、発電ユニット56a、56b、56c及び56dの互いの間隙には、複数の酸素含有ガス導入管が配設されており、これにより酸素含有ガスが導入される。   As shown in FIG. 2, the fuel cell 2 is configured by arranging four power generation units 56a, 56b, 56c and 56d in a housing (not shown). Although not shown, a plurality of oxygen-containing gas introduction pipes are disposed in the gaps between the power generation units 56a, 56b, 56c, and 56d, thereby introducing oxygen-containing gas.

発電ユニット56a、56b、56c及び56dは、基本的に同じ構造である(但し、発電ユニット56a、56cと、発電ユニット56b、56dとでは前後方向が逆に配置されている)。例えば、発電ユニット56aは、その下部に前後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。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した燃料電池セル62(以下「セル」と略称する)を前後方向に複数個縦列配置して構成されている。   The power generation units 56a, 56b, 56c, and 56d have basically the same structure (however, the power generation units 56a, 56c and the power generation units 56b, 56d are arranged in the front-rear direction reversely). For example, the power generation unit 56a includes a rectangular parallelepiped fuel gas case 58a extending in the front-rear direction at the lower portion thereof. 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 fuel cell cells 62 (hereinafter abbreviated as “cells”) extending in the vertical direction in the vertical direction.

発電ユニット56aは、セルスタック60aの上方にて前後方向に細長く延びる長方体形状(或いは円筒形状)の改質ケース78aも具備している。改質ケース78aの前端面には燃料ガス送給管80aの上端が接続されている。燃料ガス送給管80aは下方に延びてその下端は燃料ガスケース58aの前面に接続されている。改質ケース78aの後端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、ハウジングの下を通ってハウジング外に延出している。尚、図1に示したガス供給システムの燃料ガス供給部12aから被改質ガス供給管82aに対して被改質ガスが供給される。被改質ガスは、例えば都市ガス等の炭化水素ガスでよい。改質ケース78a内には被改質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 power generation unit 56a also includes a rectangular shape (or cylindrical shape) reforming case 78a that is elongated in the front-rear direction above the cell stack 60a. The upper end of the fuel gas supply pipe 80a is connected to the front end surface of the reforming case 78a. The fuel gas supply pipe 80a extends downward, and its lower end 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 end surface of the reforming case 78a. The to-be-reformed gas supply pipe 82a extends downward from the reforming case, extends under the housing, and extends out of the housing. The reformed gas is supplied from the fuel gas supply unit 12a of the gas supply system shown in FIG. 1 to the reformed gas supply pipe 82a. The reformed gas may be a hydrocarbon gas such as city gas. An appropriate reforming catalyst for reforming the gas to be reformed into a hydrogen-rich fuel gas is accommodated in the reforming case 78a.

燃料ガス供給部12aから被改質ガスが被改質ガス供給管82a、82b、82c及び82dを介して改質ケース78a、78b、78c及び78dにそれぞれ供給され、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及び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それぞれ供給され、次いでセルスタック60a、60b、60c及び60dに供給される。すなわち、燃料ガスは、各セル62の下端から流入し、下方から上方へ流れて、上端からオフガスとして流出することとなる。   The reformed gas is supplied from the fuel gas supply unit 12a to the reforming cases 78a, 78b, 78c and 78d through the reformed gas supply pipes 82a, 82b, 82c and 82d, respectively, and reformed into hydrogen-rich fuel gas. Are supplied to the fuel gas chambers defined in the fuel gas cases 58a, 58b, 58c and 58d through the fuel gas supply pipes 80a, 80b, 80c and 80d, respectively, and then the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d. That is, the fuel gas flows in from the lower end of each cell 62, flows from the lower side to the upper side, and flows out as off gas from the upper end.

本発明における特徴的な酸素濃度測定用参照電極3は、図2ではセルスタック60aの最前位置に配置されたセル62の上端近傍に設けられている。参照電極3の対向電極は、セル62内部の燃料極側に設けられており、燃料極自体と共有してもよく、あるいは別個に設けてもよい。参照電極3により、燃料ガス通路の出口近傍のオフガスの酸素濃度を計測することができる。実際には、セル62内部の燃料ガス通路とセル62外部との酸素濃度の差が出力される。通常は、セル62外部には酸素含有ガスが供給されているため酸素濃度一定とみなすことができる。この場合、参照電極3の出力は燃料ガス通路中の酸素濃度変化を示すことになる。図示の酸素濃度測定用参照電極3は、セル62の酸素極層と同様に固体電解質層の上に設けられているが、酸素極層とは電気的に独立して設けられる。また、酸素極層と同様に導電セラミックから形成することができる。酸素濃度測定用参照電極3は、基本的には固体電解質層の電極の形態で設けることができ、いずれの極側に設けてもよい。そして、その対向電極は逆の極側に設けられる。好適には、酸素濃度測定用参照電極3(その対向電極を含む)を燃料極層または酸素極層のいずれかと同じ材料で形成することにより製造コストを低減する。   The characteristic oxygen concentration measurement reference electrode 3 in the present invention is provided in the vicinity of the upper end of the cell 62 disposed at the foremost position of the cell stack 60a in FIG. The counter electrode of the reference electrode 3 is provided on the fuel electrode side in the cell 62 and may be shared with the fuel electrode itself or may be provided separately. The reference electrode 3 can measure the oxygen concentration of the off gas near the outlet of the fuel gas passage. Actually, the difference in oxygen concentration between the fuel gas passage inside the cell 62 and the outside of the cell 62 is output. Normally, since the oxygen-containing gas is supplied to the outside of the cell 62, it can be considered that the oxygen concentration is constant. In this case, the output of the reference electrode 3 indicates the oxygen concentration change in the fuel gas passage. The illustrated oxygen concentration measurement reference electrode 3 is provided on the solid electrolyte layer in the same manner as the oxygen electrode layer of the cell 62, but is provided electrically independent of the oxygen electrode layer. Moreover, it can form from a conductive ceramic similarly to an oxygen electrode layer. The reference electrode 3 for measuring oxygen concentration can be basically provided in the form of an electrode of a solid electrolyte layer, and may be provided on any pole side. The counter electrode is provided on the opposite pole side. Preferably, the manufacturing cost is reduced by forming the oxygen concentration measurement reference electrode 3 (including its counter electrode) with the same material as either the fuel electrode layer or the oxygen electrode layer.

図3A及び図3Bは、本発明におけるセルの構成を詳細に示す断面図である。図3Aは、図2に示したセルスタック60aのX断面図であり、通常のセル構造を示している。図3Bは同じくY断面図であり、本発明による酸素濃度測定用参照電極3を設けた部分のセル構造を示している。   3A and 3B are cross-sectional views showing in detail the configuration of the cell according to the present invention. FIG. 3A is an X cross-sectional view of the cell stack 60a shown in FIG. 2, and shows a normal cell structure. FIG. 3B is also a Y cross-sectional view showing a cell structure of a portion where the oxygen concentration measurement reference electrode 3 according to the present invention is provided.

図3A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。電極支持基板64は図2に示した通り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にはこれを上下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、図2の燃料ガスケース58aの上壁上に設けたスリットに、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、スリットを通って燃料ガスが燃料ガス通路74内に流入する。   As clearly shown in FIG. 3A, 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. As shown in FIG. 2, the electrode support substrate 64 is a columnar plate-like piece that is elongated in the up-down direction, and has a cross-sectional shape having both flat sides and semicircular sides. The electrode support substrate 64 is formed with a plurality (six in the illustrated example) of fuel gas passages 74 penetrating therethrough in the vertical direction. Each of the electrode support substrates 64 is joined to a slit provided on the upper wall of the fuel gas case 58a of FIG. 2 by, for example, a ceramic adhesive having excellent heat resistance, and the fuel gas passes through the slit in the fuel gas passage 74. Flow into.

インターコネクタ72は電極支持基板64の平坦な片面上に配設されている。燃料極層66は電極支持基板64の平坦な他面(図3のセルスタック60aにおいて下面)及び両側面を囲包するように配設されており、その両端はインターコネクタ72の両端に接合している。固体電解質層68は燃料極層66の全体を囲包するように配設され、その両端は同じくインターコネクタ72の両端に接合している。酸素極層70は、固体電解質層68の外側平坦部分の上に配置され、電極支持基板板64、燃料極層66及び固体電解質層68を挟んでインターコネクタ72に対向して位置する。   The interconnector 72 is disposed on one flat surface of the electrode support substrate 64. The fuel electrode layer 66 is disposed so as to surround the other flat surface of the electrode support substrate 64 (the lower surface in the cell stack 60a in FIG. 3) and both side surfaces, and both ends thereof are joined to both ends of the interconnector 72. ing. The solid electrolyte layer 68 is disposed so as to surround 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 outer flat portion of the solid electrolyte layer 68, and is positioned to face the interconnector 72 with the electrode support substrate plate 64, the fuel electrode layer 66, and the solid electrolyte layer 68 interposed therebetween.

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3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には出力電流取出し手段(図示していない)が接続されており、かかる出力電流取出し手段はハウジング外に延在せしめられている。   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. Output current extraction means (not shown) is connected to the current collecting members 76 located at both ends of the cell stack 60a, and the output current extraction means extends outside the housing.

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、及び、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るため、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。電極支持基板64を燃料極層66及び/または固体電解質層68と同時焼成してセル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。   Since the electrode support substrate 64 is required to be gas permeable in order to allow the fuel gas to permeate to the fuel electrode layer 66 and to be conductive in order to collect current via the interconnector 72, the electrode support substrate 64 is porous. The conductive ceramic (or cermet) can be used. In order to manufacture the cell 62 by co-firing the electrode support substrate 64 with the fuel electrode layer 66 and / or the solid electrolyte layer 68, it is preferable that the electrode support substrate 64 be formed of an iron group metal component and a specific rare earth oxide. In order to have 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/または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、燃料ガスと酸素含有ガスのリークを防止するためにガス遮断性を有す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 the electrodes, and at the same time needs to have a gas barrier property in order to prevent leakage of fuel gas and oxygen-containing gas, Usually, 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、燃料ガス及び酸素含有ガスと接触するため、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の外側を流動する酸素含有ガス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 reduction resistance and oxidation resistance in order to contact the fuel gas and the oxygen-containing gas. For this reason, the lanthanum chromite perovskite type is required. An oxide (LaCrO 3 -based oxide) is preferably used. The interconnector 72 must be dense to prevent leakage of fuel gas passing through the fuel gas passage 74 formed in the electrode support substrate 64 and oxygen-containing gas flowing outside the electrode support substrate 64, and 93% As described above, it is particularly desirable to have a relative density of 95% or more.

集電部材76は弾性を有する金属また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また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 from an elastic metal or alloy, or a member obtained by adding a required surface treatment to a felt made of metal fiber or alloy fiber.

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。この結果、出力電流が取り出される。
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. As a result, an output current is taken out.

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オフガス及び酸素含有ガスは、適宜点火手段により燃焼される。周知の如く、発電及びガス燃焼に起因して発電・燃焼室内は例えば750℃程度の高温になる。   Off-gas and oxygen-containing gas that have flowed upward from the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d without being used for power generation are appropriately burned by ignition means. As is well known, due to power generation and gas combustion, the power generation / combustion chamber becomes a high temperature of about 750 ° C., for example.

図3Bを参照すると、酸素濃度測定用参照電極3を設けた部分のセル構造は、図3Aと比較して酸素極層の替わりに酸素濃度測定用参照電極3を配置した点のみが異なる。酸素濃度測定用参照電極3の大きさは、計測対象位置を覆える程度であって計測可能な電圧出力が得られる大きさであれば十分であり、通常の酸素極に比べて幅及び長さが格段に小さいものでよい。酸素濃度測定用参照電極3は、燃料ガス通路74の出口近傍すなわち燃料ガスの下流側に設置される。従って、酸素濃度測定用参照電極3においても上記の酸素極における電極反応と同様の電極反応が生じる。但し、酸素濃度測定用参照電極3から取り出す出力は電流信号ではなく、電圧信号である。この電圧信号を図1のガス演算制御部11へ入力することにより、各種ガス流量の制御が行われることとなる。酸素濃度測定用参照電極3の出力電圧は、その設置位置における燃料ガス通路74中の酸素濃度を反映する。すなわち、セル62の周囲は酸素含有ガス導入部から酸素含有ガスが豊富に供給されるため酸素濃度がほぼ一定と考えられるため、燃料極66側への酸素含有ガスのリークによる燃料ガス通路74中の酸素濃度変化が酸素濃度測定用参照電極3の出力電圧の変化として現れることとなる。   Referring to FIG. 3B, the cell structure of the portion where the oxygen concentration measurement reference electrode 3 is provided is different from that of FIG. 3A only in that the oxygen concentration measurement reference electrode 3 is arranged instead of the oxygen electrode layer. The size of the reference electrode 3 for measuring the oxygen concentration is sufficient as long as it can cover the position to be measured and can provide a measurable voltage output. Is much smaller. The oxygen concentration measurement reference electrode 3 is installed near the outlet of the fuel gas passage 74, that is, downstream of the fuel gas. Therefore, also in the oxygen concentration measurement reference electrode 3, an electrode reaction similar to the electrode reaction at the oxygen electrode occurs. However, the output extracted from the oxygen concentration measurement reference electrode 3 is not a current signal but a voltage signal. By inputting this voltage signal to the gas calculation control unit 11 of FIG. 1, various gas flow rates are controlled. The output voltage of the oxygen concentration measuring reference electrode 3 reflects the oxygen concentration in the fuel gas passage 74 at the installation position. That is, since the oxygen concentration is considered to be substantially constant around the cell 62 because the oxygen-containing gas is abundantly supplied from the oxygen-containing gas introduction portion, the fuel gas passage 74 is leaked to the fuel electrode 66 side. This change in oxygen concentration appears as a change in the output voltage of the reference electrode 3 for measuring oxygen concentration.

尚、本発明における酸素濃度測定用参照電極の適用は、図示の構造の燃料電池セルのみに限定されない。例えば、電極支持基板を設けない構造のセルや、燃料極と酸素極が逆に設けられているセルや、異なる形状のセルに対しても適用可能である。いずれの構造の燃料電池セルであっても、燃料極側と酸素極側の酸素濃度差を電圧出力として取り出す参照電極を固体電解質上に取り付ければよい。そして、参照電極を燃料極及び/または酸素極と同じ材料で形成することが好適である。   The application of the oxygen concentration measurement reference electrode in the present invention is not limited to the fuel cell having the structure shown in the drawing. For example, the present invention can be applied to a cell having a structure in which no electrode support substrate is provided, a cell in which a fuel electrode and an oxygen electrode are provided in reverse, and a cell having a different shape. In any fuel cell structure, a reference electrode for taking out the difference in oxygen concentration between the fuel electrode side and the oxygen electrode side as a voltage output may be attached on the solid electrolyte. The reference electrode is preferably formed of the same material as the fuel electrode and / or the oxygen electrode.

また、固体酸化物形燃料電池の場合は、電極反応により燃料極側に水蒸気(HO)が発生する。この水蒸気の割合によって酸素濃度測定用参照電極3の電位が変化するため、その割合を求めることができる。これで水蒸気/水素の比率が計算でき、どれくらいの燃料ガスが消費されているかを求めることができる。参考に図4に水蒸気比率と起電力のグラフを載せる。これはネルンストの式とよばれる一般的な公式である。図1のガス演算制御部11はこの値が一定になるように燃料ガスの流量を調整し、それにより燃料利用率一定の運転が可能となる。 In the case of a solid oxide fuel cell, water vapor (H 2 O) is generated on the fuel electrode side by an electrode reaction. Since the potential of the oxygen concentration measurement reference electrode 3 changes depending on the ratio of the water vapor, the ratio can be obtained. Now you can calculate the ratio of water vapor / hydrogen and find out how much fuel gas is consumed. For reference, a graph of water vapor ratio and electromotive force is shown in FIG. This is a general formula called the Nernst equation. The gas calculation control unit 11 in FIG. 1 adjusts the flow rate of the fuel gas so that this value becomes constant, thereby enabling operation with a constant fuel utilization rate.

図3Cは、本発明の別の実施例を示すセルの断面図である。この実施例では、図3Bで示した実施例の酸素濃度測定用参照電極3の近傍に温度センサ5をさらに設けている。温度センサ5は、酸素濃度測定用参照電極3の温度を計測する。温度センサ5の出力を図1のガス演算制御部11へ入力することにより、ガス演算制御部11が酸素濃度測定用参照電極3の出力電圧に対する温度の影響を補正し、正確な出力電圧を導出する。これにより、温度が変化しても酸素濃度測定用参照電極3による酸素濃度計測を正確に行うことができる。尚、温度センサ5は、酸素濃度測定用参照電極3のためにのみ特別に配置する必要はなく、一般的に燃料電池内に設けられているその他の温度センサで代用することもできる。その場合には、代用する温度センサの出力と酸素濃度測定用参照電極3の設置位置における温度との関係を予め計測しておけば、代用する温度センサの出力から酸素濃度測定用参照電極3の温度を導出できる。   FIG. 3C is a cross-sectional view of a cell showing another embodiment of the present invention. In this embodiment, a temperature sensor 5 is further provided in the vicinity of the oxygen concentration measurement reference electrode 3 of the embodiment shown in FIG. 3B. The temperature sensor 5 measures the temperature of the oxygen concentration measurement reference electrode 3. By inputting the output of the temperature sensor 5 to the gas calculation control unit 11 of FIG. 1, the gas calculation control unit 11 corrects the influence of the temperature on the output voltage of the oxygen concentration measurement reference electrode 3 and derives an accurate output voltage. To do. Thereby, even if temperature changes, the oxygen concentration measurement by the oxygen concentration measurement reference electrode 3 can be accurately performed. The temperature sensor 5 does not need to be specially arranged only for the oxygen concentration measurement reference electrode 3 and can be replaced by another temperature sensor generally provided in the fuel cell. In that case, if the relationship between the output of the substitute temperature sensor and the temperature at the installation position of the oxygen concentration measurement reference electrode 3 is measured in advance, the oxygen concentration measurement reference electrode 3 is calculated from the output of the substitute temperature sensor. The temperature can be derived.

図5は、本発明のさらに別の実施例を示す発電ユニット56aの概略斜視図である。燃料ガスF1はセル62−1等の燃料ガス通路を下方から上方へ流れる。一方、酸素含有ガス導入管21により酸素含有ガスF2がセルの周囲に供給される。上記の酸素濃度測定用参照電極3及び温度センサ5が、最前位置のセル62−1の上端近傍に設けられている。別の実施例として、別の酸素濃度測定用参照電極3aを、セルの下端近傍に設けてもよい。これにより、燃料ガス通路の入口近傍すなわち燃料ガスの上流側における酸素濃度を計測することができる。このように別の参照電極3aを設けることにより、酸素濃度分布を計測することができる。例えば、セルスタックの最後位置のセル62−3に対して複数の酸素濃度測定用参照電極3a−1〜3a−nを燃料ガス通路の方向に沿って設けている。   FIG. 5 is a schematic perspective view of a power generation unit 56a showing still another embodiment of the present invention. The fuel gas F1 flows from the lower side to the upper side in the fuel gas passage such as the cell 62-1. On the other hand, the oxygen-containing gas F2 is supplied to the periphery of the cell by the oxygen-containing gas introduction pipe 21. The oxygen concentration measurement reference electrode 3 and the temperature sensor 5 are provided in the vicinity of the upper end of the cell 62-1 at the foremost position. As another example, another oxygen concentration measurement reference electrode 3a may be provided in the vicinity of the lower end of the cell. Thereby, the oxygen concentration in the vicinity of the inlet of the fuel gas passage, that is, the upstream side of the fuel gas can be measured. Thus, by providing another reference electrode 3a, the oxygen concentration distribution can be measured. For example, a plurality of oxygen concentration measurement reference electrodes 3a-1 to 3a-n are provided along the direction of the fuel gas passage for the cell 62-3 at the last position of the cell stack.

尚、温度センサ5についても、燃料ガス通路の方向に沿って複数設けることにより温度分布を計測できる。   The temperature distribution can be measured by providing a plurality of temperature sensors 5 along the direction of the fuel gas passage.

また、一実施例として、セルスタックの中間位置にあるセル62−2に酸素濃度測定用参照電極3及び/または温度センサ5を設けてもよい。言い換えるならば、酸素濃度測定用参照電極は、セルスタック中のいずれのセルのいずれの位置にも必要に応じて設けることができ、その位置における燃料ガス通路の酸素濃度を計測できる。   As an example, the oxygen concentration measurement reference electrode 3 and / or the temperature sensor 5 may be provided in the cell 62-2 in the middle position of the cell stack. In other words, the oxygen concentration measurement reference electrode can be provided at any position of any cell in the cell stack as needed, and the oxygen concentration of the fuel gas passage at that position can be measured.

(3)直流電流センサ
図1に示した直流電流センサ4は、燃料電池2からの出力である直流電力の電流を計測するためのセンサである。このセンサとしてはシャント抵抗と呼ばれるものやホール素子を利用したものなどがある。いずれも直流電流を電圧に変換し、さらに増幅して電流値として取り込むものである。シャント抵抗は定抵抗のものに電流を流し、電圧が電流に応じて比例する特性を利用したものであり、ホール素子はホール効果を利用したものである。これ以外にも直流電流を計測できるものであればよく、特に限定するものではない。
(3) DC Current Sensor The DC current sensor 4 shown in FIG. 1 is a sensor for measuring the current of DC power that is the output from the fuel cell 2. This sensor includes a so-called shunt resistor and a sensor using a Hall element. In either case, a direct current is converted into a voltage and further amplified and captured as a current value. The shunt resistor uses a characteristic in which a current is passed through a constant resistance and the voltage is proportional to the current, and the Hall element uses the Hall effect. Other than this, any DC current can be measured, and there is no particular limitation.

(4)ガス供給システム
図1に示したガス供給システム1におけるガス供給部12は、燃料ガス供給部12a及び酸素含有ガス供給部12bの他に図示しないが水(水蒸気)供給部から構成されている。
(4) Gas Supply System The gas supply unit 12 in the gas supply system 1 shown in FIG. 1 includes a water (water vapor) supply unit (not shown) in addition to the fuel gas supply unit 12a and the oxygen-containing gas supply unit 12b. Yes.

ガス供給システム1のガス演算制御部11は、基本的に酸素濃度測定用参照電極3からの出力電圧を読み取り、燃料ガス通路中の酸素濃度を計測する。さらに好適には、温度センサ5からの出力に基づき酸素濃度の計測を補正する。そして、ガス演算制御部11は、燃料極側と酸素極側の酸素濃度差が一定になるようにガス供給部12に指令を出す。例えば、燃料ガス通路中の酸素濃度が上昇した場合には、燃料ガス供給部12aからのガス流量を多くして燃料ガス通路中の燃料ガス濃度を上げることにより相対的に酸素濃度を下げ、それにより両極間の酸素濃度差を所定の値に復帰させる。あるいは、酸素含有ガス供給部12bからのガス流量を多くしてセルの外側の酸素含有ガス濃度を上げることにより両極間の酸素濃度差を所定の値に復帰させる。好適には、先ず燃料ガス供給部12aによる制御を行い、その後のステップとして酸素含有ガス供給部12aによる制御に切り替えるかまたは併用するようにする。このようにすることで燃料利用率一定運転が可能となる。   The gas calculation control unit 11 of the gas supply system 1 basically reads the output voltage from the oxygen concentration measurement reference electrode 3 and measures the oxygen concentration in the fuel gas passage. More preferably, the measurement of the oxygen concentration is corrected based on the output from the temperature sensor 5. The gas calculation control unit 11 issues a command to the gas supply unit 12 so that the difference in oxygen concentration between the fuel electrode side and the oxygen electrode side becomes constant. For example, when the oxygen concentration in the fuel gas passage increases, the oxygen concentration is relatively lowered by increasing the gas flow rate from the fuel gas supply unit 12a to increase the fuel gas concentration in the fuel gas passage. Thus, the oxygen concentration difference between the two electrodes is returned to a predetermined value. Alternatively, by increasing the gas flow rate from the oxygen-containing gas supply unit 12b and increasing the oxygen-containing gas concentration outside the cell, the oxygen concentration difference between the two electrodes is returned to a predetermined value. Preferably, the control by the fuel gas supply unit 12a is first performed, and then the control by the oxygen-containing gas supply unit 12a is switched to or used together as a subsequent step. In this way, operation with a constant fuel utilization rate is possible.

また、ガス演算制御部11は、酸素濃度測定用参照電極の出力電圧に基づいてオフガス中の酸素濃度が予め設定した値を超えた(すなわち燃料極側と酸素極側の酸素濃度差が予め設定した値より小さくなった)場合に燃料電池システムを停止させる安全装置を具備する。これにより、システム全体の致命的な損傷を最小限に防ぐことができる。   Further, the gas calculation control unit 11 determines that the oxygen concentration in the off-gas exceeds a preset value based on the output voltage of the oxygen concentration measurement reference electrode (that is, the oxygen concentration difference between the fuel electrode side and the oxygen electrode side is preset). A safety device is provided to stop the fuel cell system when it is smaller than Thereby, the fatal damage of the whole system can be prevented to the minimum.

また、ガス演算制御部11は、直流電流センサの検知信号に基づいて、燃料電池の出力電流が予め設定した値より少ないときには、燃料極側と酸素極側の酸素濃度差を大きくするように燃料ガス供給部及び/または酸素含有ガス供給部からのガス流量を制御する。これは、一般に燃料電池は電流が少ない場合に利用率特性が悪くなる傾向があるのでこれに対応するためであり、利用率一定運転を実現する。   Further, the gas calculation control unit 11 is configured to increase the difference in oxygen concentration between the fuel electrode side and the oxygen electrode side when the output current of the fuel cell is smaller than a preset value based on the detection signal of the direct current sensor. The gas flow rate from the gas supply unit and / or the oxygen-containing gas supply unit is controlled. This is because the fuel cell generally has a tendency to deteriorate the utilization factor when the current is small, so that a constant utilization factor operation is realized.

ここでは、ガス演算制御部11と称しているが、そのほかの燃料電池2の制御機能、例えば、バルブの開閉、温度計測、ガス漏れ感知、火災感知、ポンプ等の動作、各種機器の電源管理、燃料電池2の状態通知機能などが含まれていてもよい。   Here, although referred to as the gas calculation control unit 11, other control functions of the fuel cell 2, such as valve opening / closing, temperature measurement, gas leak detection, fire detection, pump operation, power management of various devices, A state notification function of the fuel cell 2 may be included.

本発明の固体酸化物形燃料電池システムを簡略化して示すブロック図である。It is a block diagram which simplifies and shows the solid oxide fuel cell system of the present invention. 本発明による燃料電池の主要部を概略的に示した斜視図である。1 is a perspective view schematically showing a main part of a fuel cell according to the present invention. 本発明におけるセルの構成を詳細に示す図2のX断面図である。It is X sectional drawing of FIG. 2 which shows the structure of the cell in this invention in detail. 本発明におけるセルの構成を詳細に示す図2のY断面図である。It is Y sectional drawing of FIG. 2 which shows the structure of the cell in this invention in detail. 本発明におけるセルの構成を詳細に示す図2のY断面図に相当する別の実施例の図である。It is a figure of another Example corresponded in Y sectional drawing of FIG. 2 which shows the structure of the cell in detail in this invention. 水蒸気比率と酸素濃度測定用参照電極の起電力(出力電圧)のグラフである。It is a graph of water vapor ratio and electromotive force (output voltage) of a reference electrode for measuring oxygen concentration. 本発明のさらに別の実施例を示す発電ユニットの概略斜視図である。It is a schematic perspective view of the electric power generation unit which shows another Example of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 ガス供給システム
2 燃料電池
3、3a、3a−1、..3a−n 酸素濃度測定用参照電極
4 直流電流センサ
5 温度センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas supply system 2 Fuel cell 3, 3a, 3a-1,. . 3a-n Reference electrode for measuring oxygen concentration 4 DC current sensor 5 Temperature sensor

Claims (7)

燃料極層と酸素極層との間に固体電解質層を挟持してなる燃料電池セルと、前記固体電解質層に沿って設けられた燃料ガス通路と、酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入部とを具備する固体酸化物形燃料電池と、該固体酸化物形燃料電池に対して複数種のガスを供給するガス供給システムとを有する燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス通路の出口近傍にて前記固体電解質層の電極として形成した酸素濃度測定用参照電極を有し、
前記ガス供給システムが、前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、該燃料電池に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段と、前記酸素濃度測定用参照電極の出力電圧に基づいて該燃料ガス供給手段及び/または該酸素含有ガス供給手段からの各ガス流量を制御する制御手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell in which a solid electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode layer and an oxygen electrode layer, a fuel gas passage provided along the solid electrolyte layer, and an oxygen-containing gas introduction unit for introducing an oxygen-containing gas A fuel cell system comprising: a solid oxide fuel cell comprising: a gas supply system that supplies a plurality of gases to the solid oxide fuel cell;
An oxygen concentration measurement reference electrode formed as an electrode of the solid electrolyte layer in the vicinity of the outlet of the fuel gas passage;
The gas supply system comprises: a fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel cell; an oxygen-containing gas supply means for supplying an oxygen-containing gas to the fuel cell; and the oxygen concentration measurement reference electrode. A fuel cell system comprising: a fuel gas supply unit and / or a control unit that controls a flow rate of each gas from the oxygen-containing gas supply unit based on an output voltage.
前記酸素濃度測定用参照電極が前記燃料極層または前記酸素極層と同じ材料から形成されることを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the oxygen concentration measurement reference electrode is formed of the same material as the fuel electrode layer or the oxygen electrode layer. 前記酸素濃度測定用参照電極の近傍に温度センサを設けたことを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein a temperature sensor is provided in the vicinity of the oxygen concentration measurement reference electrode. 前記制御手段が、前記酸素濃度測定用参照電極の出力電圧に基づいて前記燃料ガス通路中の酸素濃度が予め設定した値となるように前記燃料ガス供給手段からのガス流量を制御することを特徴とする請求項1〜3のいずれか記載の燃料電池システム。   The control means controls the gas flow rate from the fuel gas supply means so that the oxygen concentration in the fuel gas passage becomes a preset value based on the output voltage of the oxygen concentration measurement reference electrode. The fuel cell system according to claim 1. 前記制御手段が、前記酸素濃度測定用参照電極の出力電圧に基づいて前記燃料ガス通路中の酸素濃度が予め設定した値を超えた場合に前記燃料電池システムを停止させる安全装置を具備することを特徴とする請求項1〜4のいずれか記載の燃料電池システム。   The control means includes a safety device that stops the fuel cell system when an oxygen concentration in the fuel gas passage exceeds a preset value based on an output voltage of the oxygen concentration measurement reference electrode. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein 前記燃料電池からの出力電流を検知する直流電流センサを有し、
前記制御手段が前記直流電流センサの信号に基づいて前記燃料ガス供給手段からのガス流量を制御することを特徴とする請求項1〜5のいずれか記載の燃料電池システム。
A direct current sensor for detecting an output current from the fuel cell;
6. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit controls a gas flow rate from the fuel gas supply unit based on a signal from the direct current sensor.
燃料極層と酸素極層との間に固体電解質層を挟持してなる燃料電池セルと、前記固体電解質層に沿って設けられた燃料ガス通路と、酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入部とを具備する固体酸化物形燃料電池において、前記燃料ガス通路の出口近傍にて前記固体電解質層の電極として形成した酸素濃度測定用参照電極を有することを特徴とする燃料電池。   A fuel cell in which a solid electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode layer and an oxygen electrode layer, a fuel gas passage provided along the solid electrolyte layer, and an oxygen-containing gas introduction unit for introducing an oxygen-containing gas And a reference electrode for measuring oxygen concentration formed as an electrode of the solid electrolyte layer in the vicinity of the outlet of the fuel gas passage.
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