JP4924910B2 - Fuel cell device - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池装置に係わり、特に、負荷追従して発電量を変更することができる燃料電池装置に関する。   The present invention relates to a fuel cell device, and more particularly to a fuel cell device capable of changing a power generation amount by following a load.

固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」とも言う)は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤(空気、酸素等)を供給して、比較的高温で発電反応を生じさせて発電を行う燃料電池装置である。   A solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as “SOFC”) uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, has electrodes attached to both sides thereof, and supplies fuel gas to one side. In this fuel cell device, an oxidant (air, oxygen, etc.) is supplied to the other side to generate a power generation reaction at a relatively high temperature.

この燃料電池装置(SOFC)は、具体的には、燃料ガスと酸化剤(空気、酸素等)とが一端側から他端側へと流れることによって作動する複数の燃料電池セルを含む燃料電池モジュールを備え、外部から燃料である被改質ガス(都市ガス等)が供給され、その都市ガス等を改質触媒が収められた改質器に導入し、水素リッチな燃料ガスに改質した後に複数の燃料電池セルへと供給している。   More specifically, this fuel cell apparatus (SOFC) includes a plurality of fuel cell cells that operate when fuel gas and oxidant (air, oxygen, etc.) flow from one end side to the other end side. After being supplied with reformed gas (city gas, etc.) as fuel from outside, the city gas is introduced into a reformer containing a reforming catalyst, and reformed into hydrogen-rich fuel gas Supplying to a plurality of fuel cells.

一方、燃料電池装置においては、燃料電池セルが破損すると発電性能が低下して、燃料電池モジュールのモジュール電圧が降下することが知られている。
特許文献1には、負荷電力に対応して、Highモード、Midモード、Lowモードの3つの発電運転モードが設定され、各モードにおいて燃料電池の出力電圧が降下すると、出力電力を目標電力値よりも低い暫定電力値となるように制御することにより、作動状態に大きな影響を与えることなく対処できるようにした燃料電池発電システムが記載されている。
On the other hand, in the fuel cell device, it is known that when the fuel cell is damaged, the power generation performance is lowered and the module voltage of the fuel cell module is lowered.
In Patent Document 1, three power generation operation modes of High mode, Mid mode, and Low mode are set corresponding to the load power, and when the output voltage of the fuel cell drops in each mode, the output power is set from the target power value. In addition, there is described a fuel cell power generation system that can cope with a low provisional power value without greatly affecting the operating state.

特許第3939978号公報Japanese Patent No. 3939978

しかしながら、負荷追従して発電量を大きく変更することができる燃料電池装置においては、負荷追従に伴い燃料電池モジュールの電圧変化も大きくなる。このため、負荷追従する燃料電池装置においては、燃料電池モジュールに電圧降下が生じても、この電圧降下が負荷追従により生じたものか、燃料電池セルの破損により生じたものか区別することができないので、特許文献1等の技術も用いても、燃料電池セルの破損を検出することができないものとなっている。   However, in a fuel cell device that can greatly change the amount of power generation by following the load, the voltage change of the fuel cell module also increases with the load following. For this reason, in a fuel cell device that follows a load, even if a voltage drop occurs in the fuel cell module, it cannot be distinguished whether this voltage drop is caused by load following or due to damage of the fuel cell. Therefore, even if the technique of Patent Document 1 or the like is used, it is impossible to detect the breakage of the fuel cell.

例えば、燃料電池セルの電極が剥離し、この剥離片が隣接する燃料電池セルと接触して短絡が生じることにより、燃料電池モジュールの電圧降下が生じることが考えられるが、特許文献1等により、このような燃料電池セルの破損を検出することは困難であった。   For example, it is conceivable that the voltage drop of the fuel cell module is caused by the electrode of the fuel cell being peeled off and the peeled piece coming into contact with the adjacent fuel cell and causing a short circuit. It has been difficult to detect such breakage of the fuel cell.

そこで、本発明は、従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、負荷追従して発電量を変更することができる燃料電池装置であっても、燃料電池セルの破損等を検出することができる燃料電池装置を提供することを目的としている。   Therefore, the present invention has been made to solve the problems of the prior art, and even in a fuel cell device that can change the amount of power generation by following the load, it detects damage of the fuel cell. An object of the present invention is to provide a fuel cell device that can be used.

上記の目的を達成するために、本発明は、負荷追従して発電量を変更することができる燃料電池装置において、内側の電極層と、外側の電極層と、内側の電極層と外側の電極層の間に配置された電解質層とを有する固体酸化物形の複数の燃料電池セルがそれぞれ隣接して配置された燃料電池モジュールと、発電反応に使用される反応ガスを燃料電池セルに供給する反応ガス供給手段と、燃料電池モジュールにて発生するモジュール電圧を検出する電圧検出手段と、反応ガス供給手段により燃料電池セルへ供給する反応ガスの供給量を制御しながら所定電力の発電が可能な発電開始温度まで燃料電池セルを昇温させる起動モード、この起動モードの実行後に負荷追従しながら燃料電池モジュールより電力を出力する発電モードを実行する制御手段と、を有し、制御手段は、起動モードにおいて、無負荷でモジュール電圧の値が上昇している状態で、モジュール電圧の電圧降下が生じた場合、このモジュール電圧の電圧降下量が電圧降下が生じた直前のモジュール電圧から算出された値よりも大であれば、燃料電池セルが異常であると判定して異常対応制御を実行することを特徴としている。
破損の無い正常な固体酸化物形の燃料電池セルであれば、燃料電池モジュールのモジュール電圧は、燃料電池セルの温度に依存して上昇(起動時)する。また、固体酸化物形の燃料電池セルは、発電時は例えば600〜700℃程度という高温になる。したがって、常温からその高温まで昇温させる起動モードでは、燃料電池モジュールに出入する熱流束が大きくなるため、起動モード実行中の燃料電池モジュールのモジュール電圧は、外気温度変動等の外乱の影響を殆ど受けることなく、安定的に上昇する。したがって、燃料電池モジュールの電圧降下量に基づいて燃料電池セルの異常を判定する場合には、起動モードの実行中であれば、精度良く行うことが可能となる。この結果、本発明によれば、発電モードである負荷追従時には検出困難な燃料電池セルの外表面の剥離・短絡等の異常を、検出することができる(本発明者らが見出した知見)。
このため、上述したように構成された本発明によれば、制御手段が、起動モードにおいて、無負荷でモジュール電圧の値が上昇している状態で、モジュール電圧の電圧降下が生じた場合、このモジュール電圧の電圧降下量が電圧降下が生じた直前のモジュール電圧から算出された値よりも大であれば、燃料電池セルが異常であると判定しているので、負荷追従する燃料電池装置であっても、正確に燃料電池セルの異常を判定し、異常対応制御を実行するので、発電性能が低下した燃料電池モジュールに対応した運転を実行することが可能となる。
In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel cell device capable of changing a power generation amount by following a load, and includes an inner electrode layer, an outer electrode layer, an inner electrode layer, and an outer electrode. A fuel cell module in which a plurality of solid oxide fuel cells each having an electrolyte layer disposed between the layers are disposed adjacent to each other, and a reaction gas used for a power generation reaction is supplied to the fuel cells Reactive gas supply means, voltage detection means for detecting a module voltage generated in the fuel cell module, and generation of predetermined power while controlling the supply amount of the reaction gas supplied to the fuel cell by the reaction gas supply means A control mode for executing a start-up mode in which the temperature of the fuel cell is raised to a power generation start temperature, and a power generation mode in which power is output from the fuel cell module while following the load after the start-up mode is executed. When the module voltage drop occurs in the start-up mode in a state where the module voltage value is rising without load, the control means has a voltage drop amount of the module voltage. If the value is larger than the value calculated from the module voltage immediately before it occurs, it is determined that the fuel cell is abnormal, and abnormality response control is executed.
In the case of a normal solid oxide fuel cell that is not damaged, the module voltage of the fuel cell module rises (starts up) depending on the temperature of the fuel cell. In addition, the solid oxide fuel cell has a high temperature of about 600 to 700 ° C. during power generation. Therefore, in the start-up mode in which the temperature is raised from room temperature to the high temperature, the heat flux entering and exiting the fuel cell module becomes large. It rises stably without receiving. Therefore, when the abnormality of the fuel cell is determined based on the voltage drop amount of the fuel cell module, it can be accurately performed if the start mode is being executed. As a result, according to the present invention, it is possible to detect abnormalities such as peeling / short-circuiting of the outer surface of the fuel cell, which is difficult to detect during load following in the power generation mode (knowledge discovered by the present inventors).
For this reason, according to the present invention configured as described above, when the voltage drop of the module voltage occurs in the startup mode in a state where the value of the module voltage is increased without load, If the voltage drop amount of the module voltage is larger than the value calculated from the module voltage immediately before the voltage drop occurs, it is determined that the fuel cell is abnormal. However, since the abnormality of the fuel cell is accurately determined and the abnormality control is executed, it is possible to execute the operation corresponding to the fuel cell module whose power generation performance is reduced.

本発明において、好ましくは、制御手段は、燃料電池モジュールの電圧降下量に応じて、異なる異常対応制御を実行する。
このように構成された本発明においては、燃料電池のモジュールの電圧降下量は、燃料電池セルの破損の程度とともに大きくなる傾向があるので、燃料電池セルの破損の程度に応じて、その燃料電池セルに適した異常対応制御を実行することができる。
In the present invention, preferably, the control means executes different abnormality response control according to the voltage drop amount of the fuel cell module.
In the present invention configured as described above, the voltage drop amount of the fuel cell module tends to increase with the degree of damage of the fuel cell, so that the fuel cell according to the degree of damage of the fuel cell. It is possible to execute abnormality response control suitable for the cell.

本発明において、好ましくは、制御手段は、起動モードにおいて、燃料電池セルの異常の判定を行った後も継続して燃料電池セルの異常を判定する。
このように構成された本発明においては、燃料電池セルの異常の判定を行った後も継続して燃料電池セルの異常を判定するようにしているので、一旦異常と判定された後にモジュール電圧が回復して異常が解消されるような場合であっても、確実に、燃料電池セルの破損を検出することができる。
In the present invention, preferably, the control means continuously determines the abnormality of the fuel cell in the startup mode even after determining the abnormality of the fuel cell.
In the present invention configured as described above, since the abnormality of the fuel cell is continuously determined even after the determination of the abnormality of the fuel cell, the module voltage is once determined to be abnormal. Even when the abnormality is resolved and the abnormality is resolved, it is possible to reliably detect the damage of the fuel cell.

本発明において、好ましくは、制御手段による異常対応制御は、燃料電池セルの異常を報知して運転を停止させることである。
このように構成された本発明においては、燃料電池セルの異常を報知して運転を停止させるようにしているので、燃料電池モジュール又は燃料電池セルの修理や交換を使用者らに促すことができる。
In the present invention, preferably, the abnormality response control by the control means is to notify the abnormality of the fuel cell and stop the operation.
In the present invention configured as described above, the abnormality of the fuel cell is notified and the operation is stopped, so that the user can be urged to repair or replace the fuel cell module or the fuel cell. .

本発明において、好ましくは、制御手段による異常対応制御は、燃料電池モジュールの電圧降下量が所定値よりも大きい場合は運転を停止し、所定値よりも小さい場合は運転を継続する。
このように構成された本発明においては、燃料電池モジュールの電圧降下量が所定値よりも大きい場合、即ち、燃料電池セルの破損の程度が大きい場合には、運転を停止して燃料電池セルの修理や交換を促して発電性能の回復を図ることができ、一方、燃料電池モジュールの電圧降下量が所定値よりも小さい場合、即ち、燃料電池セルの破損の程度が小さい場合には、わずかに性能低下しながらも、発電を行うことができる。
In the present invention, preferably, the abnormality response control by the control means stops the operation when the voltage drop amount of the fuel cell module is larger than a predetermined value, and continues the operation when the voltage drop amount is smaller than the predetermined value.
In the present invention configured as described above, when the amount of voltage drop of the fuel cell module is larger than a predetermined value, that is, when the degree of damage of the fuel cell is large, the operation is stopped and the fuel cell If the amount of voltage drop of the fuel cell module is smaller than a predetermined value, that is, if the degree of damage of the fuel cell is small, the power generation performance can be restored by prompting repair or replacement. Power generation can be performed while the performance is reduced.

本発明において、好ましくは、制御手段は、燃料電池モジュールの電圧降下量が所定値よりも小さく運転を継続する場合は、その後に実行される発電モードにおける最大発電量を燃料電池セルが正常な場合の最大発電量よりも下げるようにした。
このように構成された本発明においては、燃料電池モジュールの電圧降下量が所定値よりも小さく運転を継続する場合は、その後に実行される発電モードにおける最大発電量を燃料電池セルが正常な場合の最大発電量よりも下げるようにしたので、発電により生じる更なる燃料電池セルへのダメージを軽減することができる。ここで、「その後に実行される発電モード」は、停止モードにおいて燃料電池セルが異常であると判定された場合には、燃料電池装置の次の運転における起動モード後の「発電モード」を意味する。
In the present invention, preferably, when the voltage drop amount of the fuel cell module is smaller than a predetermined value and the operation is continued, the control means sets the maximum power generation amount in the subsequent power generation mode when the fuel cell is normal. It was made to lower than the maximum power generation amount.
In the present invention configured as described above, when the voltage drop amount of the fuel cell module is smaller than the predetermined value and the operation is continued, the maximum power generation amount in the power generation mode executed thereafter is normal for the fuel cell. Therefore, further damage to the fuel cells caused by power generation can be reduced. Here, “the power generation mode executed thereafter” means “power generation mode” after the start-up mode in the next operation of the fuel cell device when it is determined that the fuel cell is abnormal in the stop mode. To do.

本発明において、好ましくは、制御手段の異常対応制御は、反応ガスの供給量を燃料電池セルが正常な時の供給量よりも増量させるようにしたものである。
このように構成された本発明においては、反応ガスの供給量(単位時間当たりの流量)を燃料電池セルが正常な時の供給量よりも増量させるようにしたので、増加した反応ガスにより、燃料電池セル間を短絡している剥離片等を吹き飛ばし、短絡解消及び電圧回復を図ることができる。
In the present invention, preferably, the abnormality countermeasure control of the control means is such that the supply amount of the reaction gas is increased from the supply amount when the fuel cell is normal.
In the present invention configured as described above, the supply amount (flow rate per unit time) of the reaction gas is increased from the supply amount when the fuel cell is normal. The peeling piece etc. which are short-circuiting between battery cells can be blown off, and short circuit elimination and voltage recovery can be aimed at.

本発明の燃料電池装置によれば、負荷追従して発電量を変更することができる燃料電池装置であっても、燃料電池セルの破損等を検出することができる。   According to the fuel cell device of the present invention, even if the fuel cell device can change the amount of power generation by following the load, damage of the fuel cell can be detected.

本発明の一実施形態による燃料電池装置のカバー部材が外された状態の燃料電池モジュールを示す斜視図である。1 is a perspective view showing a fuel cell module in a state where a cover member of a fuel cell device according to an embodiment of the present invention is removed. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図1のA方向から見た断面図である。It is sectional drawing which looked at the fuel cell module of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention from the A direction of FIG. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図1のB方向から見た断面図である。It is sectional drawing which looked at the fuel cell module of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention from the B direction of FIG. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す正面図である。It is a front view which shows the fuel cell unit of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the fuel cell stack of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention. 図1に示す燃料電池モジュールから流路部材を取り外した状態を示す燃料電池モジュールの斜視図である。It is a perspective view of the fuel cell module which shows the state which removed the flow-path member from the fuel cell module shown in FIG. 図6に示す燃料電池モジュールから燃料電池セルユニット及び改質器等を取り外した状態を示す燃料電池モジュールの斜視図である。It is a perspective view of the fuel cell module which shows the state which removed the fuel cell unit, the reformer, etc. from the fuel cell module shown in FIG. 本発明の第一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す概略図である。It is the schematic which shows the fuel cell module of the fuel cell apparatus by 1st embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による燃料電池装置を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a fuel cell device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の起動モード実行時の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation | movement at the time of execution of starting mode of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention. 電極表面から剥離した剥離片を示す写真である。It is a photograph which shows the peeling piece peeled from the electrode surface. 剥離片により短絡した電流経路を示す燃料電池セルスタックの部分平面図である。It is a partial top view of a fuel cell stack showing a current path short-circuited by a strip. 燃料電池装置における起動モード実行中に短絡が発生しその後解消した第1ケースを示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the 1st case which the short circuit generate | occur | produced during execution of starting mode in a fuel cell apparatus, and it eliminated after that. 燃料電池装置における起動モード実行中に短絡が発生しその後解消しなかった第2ケースを示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the 2nd case where a short circuit occurred during starting mode execution in a fuel cell device, but was not canceled after that. 燃料電池装置における停止モード実行中に短絡が発生しその後解消した第3ケースを示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the 3rd case which the short circuit generate | occur | produced during execution of the stop mode in a fuel cell apparatus, and it eliminated after that. 燃料電池装置における停止モード実行中に短絡が発生しその後解消しなかった第4ケースを示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the 4th case which a short circuit occurred during stop mode execution in a fuel cell device, but was not canceled after that. 本発明の一実施形態による燃料電池装置における異常判定処理の内容を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the content of the abnormality determination process in the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の起動モードにおける異常対策制御の内容(図17のS5のサブルーチン)を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the content (subroutine of S5 of FIG. 17) of the abnormality countermeasure control in the starting mode of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の異常対策制御における起動モード終了時電圧、最大発電電流、及び、燃料流量を示す図である。It is a figure which shows the voltage at the time of starting mode completion | finish in the abnormality countermeasure control of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention, the maximum generated electric current, and a fuel flow rate. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の停止モードにおける異常対策制御の内容(図17のS9のサブルーチン)を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the content (subroutine of S9 of FIG. 17) of the abnormality countermeasure control in the stop mode of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態による燃料電池装置を説明する。
本発明の実施形態による燃料電池装置1は、固体電解質型燃料電池(SOFC)であり、燃料電池モジュール102と、補機ユニット104と、種々のセンサ等を備えている(図9参照)。
先ず、図1乃至3を参照して、燃料電池装置1の燃料電池モジュール102について説明する。図1は本発明の一実施形態による燃料電池装置のカバー部材が外された状態の燃料電池モジュールを示す斜視図であり、図2は本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図1のA方向から見た断面図であり、図3は本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図1のB方向から見た断面図である。
Hereinafter, a fuel cell device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
A fuel cell device 1 according to an embodiment of the present invention is a solid oxide fuel cell (SOFC), and includes a fuel cell module 102, an auxiliary unit 104, various sensors, and the like (see FIG. 9).
First, the fuel cell module 102 of the fuel cell device 1 will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a perspective view showing a fuel cell module with a cover member removed from a fuel cell device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows the fuel cell module of the fuel cell device according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view seen from the direction A in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view seen from the direction B in FIG. 1 of the fuel cell module of the fuel cell device according to the embodiment of the present invention.

カバー部材(図1及び図3には明示せず、図2にその外形を二点鎖線で示す)は、正面側の側壁と、長手方向の一対の側壁と、背面側の側壁と、天井とによって直方体状に形成される。各側壁の下端部には、フランジ部が形成され、そのフランジ部をベース部材2に当接させることで、カバー部材とベース部材2とによって密閉される空間が形成されている。カバー部材とベース部材2とはボルト(図示せず)によって固定され、そのボルトがカバー部材に設けられた取り付け穴を貫通し、ベース部材2に設けられた取り付け穴2aを貫通することで固定されている。   The cover member (not explicitly shown in FIGS. 1 and 3, the outer shape of which is shown by a two-dot chain line in FIG. 2) includes a front side wall, a pair of longitudinal side walls, a back side wall, a ceiling, Is formed in a rectangular parallelepiped shape. A flange portion is formed at the lower end portion of each side wall, and a space sealed by the cover member and the base member 2 is formed by bringing the flange portion into contact with the base member 2. The cover member and the base member 2 are fixed by bolts (not shown), and the bolts pass through attachment holes provided in the cover member, and are fixed by passing through attachment holes 2a provided in the base member 2. ing.

カバー部材とベース部材2とによって形成される内部空間は、仕切り板15によって二つの空間に分離されている。仕切り板15によって分離されている空間の内、燃料電池セルスタック90が配置されている空間が発電室16である。仕切り板15によって分離されている空間の内、他方の空間が排出ガス室17(排出ガス室)である。尚、カバー部材の内壁面と仕切り板15とは、直接若しくは何らかの密着用部材(例えば、可撓性のある薄板部材)を介して間接的に密着している。   The internal space formed by the cover member and the base member 2 is separated into two spaces by the partition plate 15. Among the spaces separated by the partition plate 15, the space where the fuel cell stack 90 is disposed is the power generation chamber 16. Among the spaces separated by the partition plate 15, the other space is an exhaust gas chamber 17 (exhaust gas chamber). The inner wall surface of the cover member and the partition plate 15 are in close contact with each other directly or indirectly through some kind of contact member (for example, a flexible thin plate member).

仕切り板15は、ベース部材2に設けられた支持部材15aに戴置され、ベース部材2と所定距離を保って保持されている。支持部材15aは、仕切り板15を長手方向の両端において支持するように一対設けられている。従って、一対の支持部材15a,15a間には隙間15b(流入口)が形成されている。カバー部材の壁面に設けられた排気ガス通路(図示しない)を通った排出ガスは、この隙間15bから排出ガス室17へと導入される。排出ガス室17へと導入された排出ガスは、排気口11(流出口)から外部へと排出される。   The partition plate 15 is placed on a support member 15 a provided on the base member 2 and is held at a predetermined distance from the base member 2. A pair of support members 15a are provided so as to support the partition plate 15 at both ends in the longitudinal direction. Accordingly, a gap 15b (inlet) is formed between the pair of support members 15a and 15a. Exhaust gas that has passed through an exhaust gas passage (not shown) provided on the wall surface of the cover member is introduced into the exhaust gas chamber 17 through the gap 15b. The exhaust gas introduced into the exhaust gas chamber 17 is exhausted from the exhaust port 11 (outlet) to the outside.

仕切り板15にはガスタンク3が載置されている。ガスタンク3には、燃料電池セルスタック90が10個並べて配置されており、ガスタンク3から燃料ガスが、それぞれの燃料電池セルスタック90を構成する燃料電池セル4に供給される。   The gas tank 3 is placed on the partition plate 15. Ten fuel cell stacks 90 are arranged side by side in the gas tank 3, and fuel gas is supplied from the gas tank 3 to the fuel cell 4 constituting each fuel cell stack 90.

より具体的には、ガスタンク3の上面には、燃料電池セルスタック90の下支持板90bとほぼ同じ形状の開口部(図示しない)が設けられており、その開口部に下支持板90bを密接させてガスタンク3と各燃料電池セルスタック90とが接続されている。従って、燃料電池セルスタック90を構成する燃料電池セル4は、その先端部分を上部側に向けてガスタンク3に立設されている。   More specifically, an opening (not shown) having substantially the same shape as the lower support plate 90b of the fuel cell stack 90 is provided on the upper surface of the gas tank 3, and the lower support plate 90b is in close contact with the opening. Thus, the gas tank 3 and each fuel cell stack 90 are connected. Accordingly, the fuel cells 4 constituting the fuel cell stack 90 are erected on the gas tank 3 with their tip portions facing upward.

各燃料電池セル4は、管状であり、燃料電池セル4の管内を燃料電池セル4の一方の端部から他方の端部へと流れるガスと、その管外を一方の端部から他方の端部へと流れるガスの作用により作動する。本実施形態では、燃料電池セル4の管内を流れるガスは、水素又は炭化水素燃料等を改質した改質ガス等の燃料ガスであり、燃料電池セル4の管外を流れるガスは、酸素を含む空気等の酸化剤ガス(発電用空気)である。   Each fuel battery cell 4 has a tubular shape, and a gas flowing from one end of the fuel battery cell 4 to the other end inside the pipe of the fuel battery cell 4 and outside the pipe from the one end to the other end. It operates by the action of the gas flowing to the part. In the present embodiment, the gas flowing in the pipe of the fuel battery cell 4 is a fuel gas such as reformed gas obtained by reforming hydrogen or hydrocarbon fuel, and the gas flowing outside the pipe of the fuel battery cell 4 contains oxygen. An oxidant gas (air for power generation) such as air.

次に、燃料電池セル4を含む燃料電池セルユニット30について、図4を参照しながら説明する。図4は、本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す正面図である。図4に示すように、燃料電池セルユニット30は、燃料電池セル4によって形成され且つ上下方向に延びる管状構造体であり、円筒形の燃料電池セル4と、燃料電池セル4の一方の端部4aに取り付けられた内側電極端子40と、他方の端部4bに取り付けられた外側電極端子42と、を有している。   Next, the fuel cell unit 30 including the fuel cells 4 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a front view showing a fuel cell unit of the fuel cell device according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the fuel cell unit 30 is a tubular structure formed by the fuel cells 4 and extending in the vertical direction, and includes a cylindrical fuel cell 4 and one end of the fuel cell 4. It has an inner electrode terminal 40 attached to 4a, and an outer electrode terminal 42 attached to the other end 4b.

燃料電池セル4は、円筒形の内側の電極層44と、円筒形の外側の電極層48と、これらの電極層44、48の間に配置された円筒形の電解質層46と、内側の電極層44の内側に構成される貫通流路50とを有している。また、燃料電池セル4の一方の端部4aに、内側の電極層44が電解質層46及び外側の電極層48に対して露出した内側電極露出周面44aと、電解質層46が外側の電極層48に対して露出した電解質露出周面46aとが設けられている。燃料電池セル4の他方の端部4bは、外側の電極層48が露出した外側電極露出周面48aによって構成されている。貫通流路50は、燃料ガス流路として機能する。内側電極露出周面44aは、内側の電極層44と電気的に通じる内側電極外周面でもある。外側電極露出周面48aは、外側の電極層48と電気的に通じる外側電極外周面でもある。   The fuel cell 4 includes a cylindrical inner electrode layer 44, a cylindrical outer electrode layer 48, a cylindrical electrolyte layer 46 disposed between the electrode layers 44, 48, and an inner electrode. And a through flow channel 50 configured inside the layer 44. Further, an inner electrode exposed peripheral surface 44a in which the inner electrode layer 44 is exposed to the electrolyte layer 46 and the outer electrode layer 48 at one end 4a of the fuel cell 4, and the electrolyte layer 46 is an outer electrode layer. An electrolyte exposed peripheral surface 46 a exposed to 48 is provided. The other end 4b of the fuel cell 4 is configured by an outer electrode exposed peripheral surface 48a from which the outer electrode layer 48 is exposed. The through channel 50 functions as a fuel gas channel. The inner electrode exposed peripheral surface 44 a is also an inner electrode outer peripheral surface that is in electrical communication with the inner electrode layer 44. The outer electrode exposed peripheral surface 48 a is also an outer electrode outer peripheral surface that is in electrical communication with the outer electrode layer 48.

内側の電極層44は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体、の少なくとも一種から形成される。電解質層46は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。外側の電極層48は、例えば、Sr、Caから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。この場合、内側の電極層44が燃料極になり、外側の電極層48が空気極になる。内側の電極層44の厚さは、例えば、1mmであり、電解質層46の厚さは、例えば、30μmであり、外側の電極層48の厚さは、例えば、30μmであり、その外径は、例えば、1〜10mmである。   The inner electrode layer 44 includes, for example, a mixture of Ni and zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y, and Sc, ceria doped with at least one selected from Ni and rare earth elements, And a mixture of Ni and lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe, and Cu. The electrolyte layer 46 includes, for example, zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Y and Sc, ceria doped with at least one selected from rare earth elements, lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr and Mg, Formed from at least one of the following. The outer electrode layer 48 is made of, for example, lanthanum manganite doped with at least one selected from Sr and Ca, lanthanum ferrite doped with at least one selected from Sr, Co, Ni, and Cu, Sr, Fe, Ni, and Cu. It is formed from at least one selected from lanthanum cobaltite doped with at least one selected from silver and silver. In this case, the inner electrode layer 44 becomes a fuel electrode, and the outer electrode layer 48 becomes an air electrode. The thickness of the inner electrode layer 44 is, for example, 1 mm, the thickness of the electrolyte layer 46 is, for example, 30 μm, the thickness of the outer electrode layer 48 is, for example, 30 μm, and the outer diameter is For example, it is 1-10 mm.

内側電極端子40は、内側電極露出周面44aを全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分40aと、本体部分40aから燃料電池セル4の長手方向に延びる管状部分40bとを有している。本体部分40a及び管状部分40bは、円筒形であり且つ同心に配置され、管状部分40bの管径は、本体部分40aの管径よりも細くなっている。管状部分40bは、貫通流路50と連通し且つ外部と通じる接続流路40cを有している。本体部分40aと管状部分40bとの間の段部40dは、内側の電極層44の端面44bと当接している。   The inner electrode terminal 40 is arranged so as to cover the inner electrode exposed peripheral surface 44a from the outside over the entire circumference and is electrically connected to the inner electrode terminal 40a, and a tubular shape extending from the main body portion 40a in the longitudinal direction of the fuel cell 4. Part 40b. The main body portion 40a and the tubular portion 40b are cylindrical and concentrically arranged, and the tube diameter of the tubular portion 40b is smaller than the tube diameter of the main body portion 40a. The tubular portion 40b has a connection channel 40c that communicates with the through channel 50 and communicates with the outside. A step portion 40 d between the main body portion 40 a and the tubular portion 40 b is in contact with the end surface 44 b of the inner electrode layer 44.

外側電極端子42は、外側電極露出周面48aを全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分42aと、本体部分42aから燃料電池セル4の長手方向に延びる管状部分42bとを有している。本体部分42a及び管状部分42bは、円筒形であり且つ同心であり、管状部分42bの管径は、本体部分42aの管径よりも細くなっている。管状部分42bは、貫通流路50と連通し且つ外部と通じる接続流路42cを有している。本体部分42aと管状部分42bとの間の段部42dは、環状の絶縁部材52を介して外側の電極層48、電解質層46及び内側の電極層44の端面44cと当接している。   The outer electrode terminal 42 is disposed so as to cover the outer electrode exposed peripheral surface 48a from the outside over the entire circumference and is electrically connected thereto, and a tubular shape extending from the main body portion 42a in the longitudinal direction of the fuel cell 4. Part 42b. The main body portion 42a and the tubular portion 42b are cylindrical and concentric, and the tube diameter of the tubular portion 42b is smaller than the tube diameter of the main body portion 42a. The tubular portion 42b has a connection channel 42c that communicates with the through channel 50 and communicates with the outside. A step portion 42 d between the main body portion 42 a and the tubular portion 42 b is in contact with the outer electrode layer 48, the electrolyte layer 46, and the end surface 44 c of the inner electrode layer 44 via the annular insulating member 52.

内側電極端子40の全体形状と外側電極端子42の全体形状とは同一である。また、内側電極端子40と燃料電池セル4、及び、外側電極端子42と燃料電池セル4とは、その全周にわたって導電性のシール材54によってシールされ且つ固定されている。シール材54は、例えば、銀、銀とガラスの混合物、金、ニッケル、銅、チタンなどを含む各種ロウ材である。   The overall shape of the inner electrode terminal 40 and the overall shape of the outer electrode terminal 42 are the same. Further, the inner electrode terminal 40 and the fuel battery cell 4, and the outer electrode terminal 42 and the fuel battery cell 4 are sealed and fixed by a conductive sealing material 54 over the entire circumference. The sealing material 54 is various brazing materials including, for example, silver, a mixture of silver and glass, gold, nickel, copper, and titanium.

内側電極端子40の接続流路40c、燃料電池セル4の貫通流路50、及び外側電極端子42の接続流路42cは、燃料電池セルユニット30の管内流路30cを構成する。   The connection flow path 40 c of the inner electrode terminal 40, the through flow path 50 of the fuel cell 4, and the connection flow path 42 c of the outer electrode terminal 42 constitute an in-pipe flow path 30 c of the fuel cell unit 30.

続いて、燃料電池セルユニット30を含む燃料電池セルスタック90について、図5を参照しながら説明する。図5は、本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。燃料電池セルスタック90は、16本の燃料電池セルユニット30と、上支持板90aと、下支持板90bと、接続部材90cと、外部端子90dとを備えている。   Next, the fuel cell stack 90 including the fuel cell unit 30 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a perspective view showing a fuel cell stack of a fuel cell device according to an embodiment of the present invention. The fuel cell stack 90 includes 16 fuel cell units 30, an upper support plate 90a, a lower support plate 90b, a connection member 90c, and an external terminal 90d.

上支持板90a及び下支持板90bは矩形であり、それぞれ、燃料電池セルユニット30を2列×8行で支持するように燃料電池セルユニット30の管状部分40b、42bに嵌合する貫通孔(図に明示しない)を有している。上支持板90a及び下支持板90bは、電気絶縁性材料で形成されており、例えば、耐熱性のセラミックスで形成されている。具体的には、アルミナ、ジルコニア、スピネル、フォルステライト、マグネシア、チタニアなどを用いることが好ましい。   The upper support plate 90a and the lower support plate 90b are rectangular, and are through holes (fitting holes) that fit into the tubular portions 40b and 42b of the fuel cell unit 30 so as to support the fuel cell unit 30 in 2 columns × 8 rows, respectively. (Not shown in the figure). The upper support plate 90a and the lower support plate 90b are formed of an electrically insulating material, for example, formed of heat resistant ceramics. Specifically, it is preferable to use alumina, zirconia, spinel, forsterite, magnesia, titania or the like.

16本の燃料電池セルユニット30は、それらが電気的に直列に接続されるように配列されている。詳細には、燃料電池セルユニット30は、隣接した燃料電池セルユニット30の内側電極端子40が交互に上側及び下側に配置されるように配列されている。更に、16本の燃料電池セルユニット30を電気的に直列に接続するための接続部材90cが設けられている。接続部材90cは、隣接した1つの内側電極端子40と1つの外側電極端子42とを電気的に接続する。直列に接続された16本の燃料電池セルユニット30の両端部の内側電極端子40及び外側電極端子42にはそれぞれ、外部と電気的な接続を行うための外部端子90dが設けられている。接続部材90c、外部端子90dは、例えば、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金などの耐熱金属や、ランタンクロマイトなどのセラミック材料で形成される。各燃料電池セルスタック90の外部端子90dは電気的に直列に接続されていて、その両端には電極棒13,14に接続されている。   The 16 fuel cell units 30 are arranged so that they are electrically connected in series. Specifically, the fuel cell units 30 are arranged so that the inner electrode terminals 40 of the adjacent fuel cell units 30 are alternately arranged on the upper side and the lower side. Further, a connection member 90c for electrically connecting the 16 fuel cell units 30 in series is provided. The connection member 90 c electrically connects one adjacent inner electrode terminal 40 and one outer electrode terminal 42. Each of the inner electrode terminal 40 and the outer electrode terminal 42 at both ends of the 16 fuel cell units 30 connected in series is provided with an external terminal 90d for electrical connection with the outside. The connection member 90c and the external terminal 90d are made of, for example, a heat resistant metal such as stainless steel, a nickel base alloy, or a chromium base alloy, or a ceramic material such as lanthanum chromite. The external terminals 90d of each fuel cell stack 90 are electrically connected in series, and are connected to the electrode rods 13 and 14 at both ends thereof.

図4及び図5を参照しながら説明したように、燃料電池セルスタック90において、燃料電池セルユニット30の内側電極端子40が設けられている端部4aと外側電極端子42が設けられている端部4bとは上下交互になるように配置されている。   As described with reference to FIGS. 4 and 5, in the fuel cell stack 90, the end 4 a of the fuel cell unit 30 where the inner electrode terminal 40 is provided and the end where the outer electrode terminal 42 is provided. The parts 4b are arranged so as to alternate with each other.

ここで、図1〜3に戻り、燃料電池モジュール102の説明を続ける。更に、引き続く説明においては、図6及び図7も参照する。図6は図1に示す燃料電池モジュールから流路部材7を取り外した状態を示す燃料電池モジュールの斜視図であり、図7は図6に示す燃料電池モジュールから燃料電池セルユニット及び改質器5、燃料電池セルスタック90、ガスタンク3を取り外した状態を示す燃料電池モジュールの斜視図である。本実施形態では、燃料電池セルスタック90の上方に位置するように、改質器5が配置されている。改質器5には、配管6C(管路)と配管6Dとが繋がれていて、これらの配管6C及び配管6Dによって、改質器5は燃料電池セルスタック90と所定間隔をおいて上方に位置するように保持されている。配管6Cは、改質器5に被改質ガスとしての都市ガス、空気(改質用空気)、及び水蒸気を供給するための配管であって、仕切り板15に対して立設されている。配管6Dは、改質器5において改質された燃料ガスをガスタンク3に供給するための配管であって、ガスタンク3に対して立設されている。   Here, returning to FIGS. 1 to 3, the description of the fuel cell module 102 will be continued. In the following description, reference is also made to FIGS. 6 is a perspective view of the fuel cell module showing a state in which the flow path member 7 is removed from the fuel cell module shown in FIG. 1, and FIG. 7 shows the fuel cell unit and the reformer 5 from the fuel cell module shown in FIG. 1 is a perspective view of a fuel cell module showing a state where a fuel cell stack 90 and a gas tank 3 are removed. In the present embodiment, the reformer 5 is disposed so as to be positioned above the fuel cell stack 90. The reformer 5 is connected to a pipe 6C (pipe) and a pipe 6D, and the pipe 6C and the pipe 6D allow the reformer 5 to move upward with a predetermined distance from the fuel cell stack 90. Is held in place. The pipe 6 </ b> C is a pipe for supplying city gas, air (reforming air) and water vapor as reformed gas to the reformer 5, and is erected with respect to the partition plate 15. The pipe 6 </ b> D is a pipe for supplying the fuel gas reformed in the reformer 5 to the gas tank 3, and is erected with respect to the gas tank 3.

配管6Cを通して改質器5に供給される都市ガス及び空気は、被改質ガス供給管6Aを通って燃料電池モジュール102内に導入される。また、配管6Cを通して改質器5に供給される水蒸気は、水蒸気供給管6B(管路)を通って燃料電池モジュール102内に導入される。
この水蒸気供給管6Bは、排出ガス室17内に配置されているため、高温の排出ガスにより加熱され、管路内を流れる水が相変化して水蒸気となる。このように、水蒸気供給管6Bは、水から水蒸気を生成するための蒸発器として機能している。
The city gas and air supplied to the reformer 5 through the pipe 6C are introduced into the fuel cell module 102 through the reformed gas supply pipe 6A. Further, the steam supplied to the reformer 5 through the pipe 6C is introduced into the fuel cell module 102 through the steam supply pipe 6B (pipe).
Since the water vapor supply pipe 6B is disposed in the exhaust gas chamber 17, the water flowing in the pipe is changed into water vapor by being heated by the high temperature exhaust gas. Thus, the water vapor supply pipe 6B functions as an evaporator for generating water vapor from water.

被改質ガス供給管6A及び水蒸気供給管6Bは、仕切り板15を挟んで配管6Cとは反対側に設けられている混合室15cに繋がっている。被改質ガス供給管6Aから供給される都市ガス及び空気と、水蒸気供給管6Bから供給される水蒸気とは、この混合室15cにおいて混合され、配管6Cへと供給される。   The to-be-reformed gas supply pipe 6A and the water vapor supply pipe 6B are connected to a mixing chamber 15c provided on the opposite side of the pipe 6C with the partition plate 15 in between. The city gas and air supplied from the reformed gas supply pipe 6A and the water vapor supplied from the steam supply pipe 6B are mixed in the mixing chamber 15c and supplied to the pipe 6C.

図1〜3には明示しないが本実施形態では、被改質ガス供給管6Aと水蒸気供給管6Bとのそれぞれに電磁弁が取り付けられていて、それぞれの電磁弁は制御部としてのCPUから出力される指示信号に応じて開閉し、改質器5に供給する被改質ガスと空気と水蒸気の比率を変更可能なように構成されている。   Although not explicitly shown in FIGS. 1 to 3, in this embodiment, electromagnetic valves are attached to the reformed gas supply pipe 6 </ b> A and the steam supply pipe 6 </ b> B, respectively, and each electromagnetic valve is output from a CPU as a control unit. The ratio of the gas to be reformed, air, and water vapor supplied to the reformer 5 can be changed by opening and closing according to the instruction signal.

改質器5に導入された被改質ガスとしての都市ガス(水蒸気が混合されている場合もあり)及び空気(被改質ガスのみの場合もあり)は、改質器5内に収められている改質触媒によって改質される。改質された燃料ガスは、配管6Dを通ってガスタンク3へと供給される。改質器5に対して配管6Cが繋がっている部分と、改質器5に対して配管6Dが繋がっている部分とは、長手方向において一端近傍と他端近傍とに引き離されている。これによって、改質器5に供給された燃料ガス及び空気は改質触媒に十分に触れることが可能となる。   City gas (which may be mixed with steam) and air (which may be only reformed gas) as reformed gas introduced into the reformer 5 are contained in the reformer 5. The reforming catalyst is reformed. The reformed fuel gas is supplied to the gas tank 3 through the pipe 6D. The portion where the pipe 6C is connected to the reformer 5 and the portion where the pipe 6D is connected to the reformer 5 are separated from each other in the vicinity of one end and the other end in the longitudinal direction. As a result, the fuel gas and air supplied to the reformer 5 can sufficiently touch the reforming catalyst.

改質器5には、改質触媒が封入されている。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したもの、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したもの、が適宜用いられる。これらの改質触媒は球体である。   A reforming catalyst is enclosed in the reformer 5. As the reforming catalyst, a catalyst in which nickel is applied to the surface of the alumina sphere and a catalyst in which ruthenium is applied to the surface of the alumina sphere are appropriately used. These reforming catalysts are spheres.

本実施形態では、改質器5及び各燃料電池セルスタック90を覆うように、流路部材7が設けられている。流路部材7は、空気流路外壁71,72と、空気分配室73と、空気集約室74,75と、空気流路管76a,76b,77a,77bと、外壁78,79を有している。流路部材7は、長手方向に空気流路外壁71,72が、短手方向に外壁78,79が、それぞれ配置され、それらの部材によって箱状となるように形成されている。流路部材7は、改質器5及び各燃料電池セルスタック90を覆うように、仕切り板15に立設されている。続く説明では、流路部材7の仕切り板15に当接する側を下方とし、その下方と反対側を上方として説明する。   In the present embodiment, the flow path member 7 is provided so as to cover the reformer 5 and each fuel cell stack 90. The flow path member 7 has air flow path outer walls 71 and 72, an air distribution chamber 73, air collecting chambers 74 and 75, air flow path pipes 76a, 76b, 77a and 77b, and outer walls 78 and 79. Yes. The flow path member 7 is formed such that the air flow path outer walls 71 and 72 are arranged in the longitudinal direction and the outer walls 78 and 79 are arranged in the short direction, respectively, and are formed into a box shape by these members. The flow path member 7 is erected on the partition plate 15 so as to cover the reformer 5 and each fuel cell stack 90. In the following description, the side that contacts the partition plate 15 of the flow path member 7 is defined as the lower side, and the side opposite to the lower side is described as the upper side.

空気分配室73は、外壁79の外側上方に取り付けられている。すなわち、空気分配室73は、空気流路外壁71,72と外壁78,79とによって形成される箱状体の外側且つ短手側の上方に取り付けられている。空気分配室73には、空気供給管7Aが繋がれており、酸化剤ガスとしての空気が供給される。空気分配室73には、空気流路管76a,76b,77a,77bも繋がれている。   The air distribution chamber 73 is attached to the upper outside of the outer wall 79. That is, the air distribution chamber 73 is attached to the outside of the box-shaped body formed by the air flow path outer walls 71 and 72 and the outer walls 78 and 79 and above the short side. An air supply pipe 7A is connected to the air distribution chamber 73, and air as an oxidant gas is supplied. Air flow passages 76a, 76b, 77a, 77b are also connected to the air distribution chamber 73.

空気流路管76a,76bは、空気流路外壁71,72と外壁78,79とによって形成される箱状体の内側且つ長手側の上方に、空気流路外壁71に沿うように配置されている。空気流路管76aは、空気流路外壁71側に、空気流路管76bは、空気流路管76aよりも内側に、それぞれ配置されている。空気流路管76a,76bの一端は外壁79を貫通して空気分配室73に繋がれており、他端は空気集約室74に繋がれている。従って、空気分配室73に流入した空気は、空気流路管76a,76bを通り、空気集約室74へと流れ込んで再合流する。   The air flow path pipes 76a and 76b are arranged along the air flow path outer wall 71 on the inner side of the box-shaped body formed by the air flow path outer walls 71 and 72 and the outer walls 78 and 79 and above the longitudinal side. Yes. The air channel tube 76a is disposed on the air channel outer wall 71 side, and the air channel tube 76b is disposed on the inner side of the air channel tube 76a. One end of each of the air flow path pipes 76 a and 76 b passes through the outer wall 79 and is connected to the air distribution chamber 73, and the other end is connected to the air collecting chamber 74. Therefore, the air that has flowed into the air distribution chamber 73 flows through the air flow path pipes 76a and 76b into the air collecting chamber 74 and rejoins.

空気流路管77a,77bは、空気流路外壁71,72と外壁78,79とによって形成される箱状体の内側且つ長手側の上方に、空気流路外壁72に沿うように配置されている。空気流路管77aは、空気流路外壁72側に、空気流路管77bは、空気流路管77aよりも内側に、それぞれ配置されている。空気流路管77a,77bの一端は外壁79を貫通して空気分配室73に繋がれており、他端は空気集約室75に繋がれている。従って、空気分配室73に流入した空気は、空気流路管77a,77bを通り、空気集約室75へと流れ込んで再合流する。   The air flow path pipes 77a and 77b are arranged along the air flow path outer wall 72 on the inner side and the upper side of the box-shaped body formed by the air flow path outer walls 71 and 72 and the outer walls 78 and 79. Yes. The air flow path pipe 77a is disposed on the air flow path outer wall 72 side, and the air flow path pipe 77b is disposed on the inner side of the air flow path pipe 77a. One end of each of the air passage pipes 77 a and 77 b passes through the outer wall 79 and is connected to the air distribution chamber 73, and the other end is connected to the air collecting chamber 75. Accordingly, the air flowing into the air distribution chamber 73 flows through the air flow path pipes 77a and 77b into the air collecting chamber 75 and rejoins.

空気集約室74,75は、外壁78の内側上方に取り付けられている。すなわち、空気集約室74,75は、空気流路外壁71,72と外壁78,79とによって形成される箱状体の内側且つ短手側の上方に取り付けられている。空気集約室74は空気流路外壁71と密着するように配置されており、空気集約室74に流れ込んだ空気は空気流路外壁71へと流れ出すように構成されている。一方、空気集約室75は空気流路外壁72と密着するように配置されており、空気集約室75に流れ込んだ空気は空気流路外壁72へと流れ出すように構成されている。   The air collecting chambers 74 and 75 are attached to the upper inside of the outer wall 78. That is, the air collecting chambers 74 and 75 are attached to the inside of the box-like body formed by the air flow path outer walls 71 and 72 and the outer walls 78 and 79 and above the short side. The air collecting chamber 74 is disposed so as to be in close contact with the air flow path outer wall 71, and the air that has flowed into the air collecting room 74 is configured to flow out to the air flow path outer wall 71. On the other hand, the air collecting chamber 75 is disposed so as to be in close contact with the air flow path outer wall 72, and the air flowing into the air collecting chamber 75 is configured to flow out to the air flow path outer wall 72.

空気流路外壁71,72は、それぞれが二重壁構造となっていて、それぞれの内部を空気が流れることができるように構成されている。より具体的には、空気流路外壁71は、上方から三室に分割された構造となっており、上方から順に、第一室91、第二室92、第三室93として形成されている。空気集約室74から流れ込んだ空気は、第一室91に流れ込んだ後、第二室92に流れ込み、その後第三室93に流れ込む。同様に、空気流路外壁72も、上方から三室に分割された構造となっており、上方から順に、第一室94、第二室95、第三室96として形成されている。空気集約室75から流れ込んだ空気は、第一室94に流れ込んだ後、第二室95に流れ込み、その後第三室96に流れ込む。   Each of the air flow path outer walls 71 and 72 has a double wall structure, and is configured so that air can flow through each of them. More specifically, the air flow path outer wall 71 has a structure divided into three chambers from above, and is formed as a first chamber 91, a second chamber 92, and a third chamber 93 in this order from above. The air that flows from the air collecting chamber 74 flows into the first chamber 91, then flows into the second chamber 92, and then flows into the third chamber 93. Similarly, the air flow path outer wall 72 is also divided into three chambers from above, and is formed as a first chamber 94, a second chamber 95, and a third chamber 96 in order from the top. The air flowing from the air collecting chamber 75 flows into the first chamber 94, then flows into the second chamber 95, and then flows into the third chamber 96.

第三室93,96にはそれぞれ、所定間隔をおいて複数の空気流入孔93a,96aが形成されている。空気流入孔93a,96aは、燃料電池セルスタック90が連設されている方向に、各燃料電池セル4間の間隙に向かう位置であって、燃料電池セル4に対する上下方向の位置が略同一となるように、複数個形成されている。   In the third chambers 93 and 96, a plurality of air inflow holes 93a and 96a are formed at predetermined intervals, respectively. The air inflow holes 93a and 96a are located in the direction in which the fuel cell stack 90 is connected to the gap between the fuel cells 4 and the vertical positions relative to the fuel cells 4 are substantially the same. A plurality of them are formed.

空気流路外壁71,72に流れ込んだ空気は、空気流入孔93a,96aを通って発電室16内の燃料電池セル4近傍へと流れ込むように構成されている。空気流入孔93a,96aを通って流れ込んだ空気(発電用空気)は、燃料電池セル4の外側を通って各燃料電池セル4の下方から上方へと流れる。各燃料電池セル4の上方に至った空気(発電用空気)は、各燃料電池セル4の管内流路を通った燃料ガスと合わせて燃焼される。   The air flowing into the air flow path outer walls 71 and 72 is configured to flow into the vicinity of the fuel cell 4 in the power generation chamber 16 through the air inflow holes 93a and 96a. The air (power generation air) that flows through the air inflow holes 93 a and 96 a flows from the lower side to the upper side of each fuel cell 4 through the outside of the fuel cell 4. Air (power generation air) reaching above each fuel cell 4 is combusted together with the fuel gas that has passed through the pipe flow path of each fuel cell 4.

各燃料電池セルスタック90の上方は、空気(発電用空気)と燃料ガスとが混合して燃焼する燃焼部18となっている。燃料ガスは、ガスタンク3から、燃料電池セルユニット30の管内流路30cを通り、燃焼部18に向けて上昇する。また、燃料電池セル4の外側を流れる空気も、燃焼部18に向けて上昇する。空気流路外壁72の燃焼部18に対応する部分には点火装置挿入穴97が設けられ、燃焼ガスと空気との燃焼を開始させるための点火装置(図示しない)が点火装置挿入穴97から燃焼部18に突出されている。この点火装置により燃料ガスと空気とが混合して燃焼する。燃料電池セルスタック90を構成する燃料電池セル4は、燃焼部18によって上方から加熱される。また、空気流入孔93a,96aを通って流れ込む空気も、上述したように空気流路管76a,76b,77a,77b、空気流路外壁71,72を通る間に、燃焼部18における燃焼によって加熱される。   Above each fuel cell stack 90 is a combustion section 18 in which air (power generation air) and fuel gas are mixed and burned. The fuel gas rises from the gas tank 3 through the in-pipe flow path 30 c of the fuel cell unit 30 toward the combustion unit 18. Further, the air flowing outside the fuel cell 4 also rises toward the combustion unit 18. An ignition device insertion hole 97 is provided in a portion of the air flow path outer wall 72 corresponding to the combustion portion 18, and an ignition device (not shown) for starting combustion of combustion gas and air burns from the ignition device insertion hole 97. Projected to the portion 18. The ignition device mixes and burns fuel gas and air. The fuel cells 4 constituting the fuel cell stack 90 are heated from above by the combustion unit 18. In addition, the air flowing through the air inflow holes 93a and 96a is also heated by the combustion in the combustion section 18 while passing through the air passage pipes 76a, 76b, 77a and 77b and the air passage outer walls 71 and 72 as described above. Is done.

上述したように、燃焼部18において、燃料ガスと空気とが混合して燃焼したことにより発生した排出ガスは、隙間15bから排出ガス室17へと流入する。この流入経路について、図8を参照しながら説明する。図8は、本発明の第1実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す概略図である。図8に示すように、燃焼部18において、燃料ガスと空気(発電用空気)とが混合して燃焼したことにより発生した排出ガスは、カバー8に形成された排出ガス流路8aを通って下方に向い、隙間15bから排出ガス室17へと流入する。排出ガス室17に流入した排出ガスは、排気口11から外部へ排出される。   As described above, the exhaust gas generated when the fuel gas and air are mixed and burned in the combustion section 18 flows into the exhaust gas chamber 17 from the gap 15b. This inflow route will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a schematic view showing a fuel cell module of the fuel cell device according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 8, the exhaust gas generated by mixing and burning fuel gas and air (power generation air) in the combustion unit 18 passes through the exhaust gas flow path 8 a formed in the cover 8. It faces downward and flows into the exhaust gas chamber 17 from the gap 15b. The exhaust gas flowing into the exhaust gas chamber 17 is exhausted from the exhaust port 11 to the outside.

次に、図9により、本実施形態による燃料電池装置の全体構成を説明する。図9は本発明の一実施形態による燃料電池装置を示すブロック図である。
本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)である燃料電池装置1は、上述した燃料電池モジュール102と、補機ユニット104を備えている。
Next, the overall configuration of the fuel cell device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a block diagram showing a fuel cell device according to an embodiment of the present invention.
A fuel cell device 1 that is a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention includes the fuel cell module 102 and the auxiliary unit 104 described above.

補機ユニット104は、水道等の水供給源124と、燃料電池モジュール102に供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット128(モータで駆動される「水ポンプ」等)を備えている。   The auxiliary unit 104 includes a water supply source 124 such as water supply and a water flow rate adjustment unit 128 (such as a “water pump” driven by a motor) that adjusts the flow rate of water supplied to the fuel cell module 102. .

また、補機ユニット104は、都市ガス等の燃料供給源130と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット138(モータで駆動される「燃料ポンプ」等)を備えている。さらに、補機ユニット104は、空気供給源140と、空気の流量を調整する空気流量調整ユニット144を備えている。この空気流量調整ユニット144は、改質用空気流量調整ユニット及び発電用空気流量調整ユニットを含んでいる。   In addition, the auxiliary unit 104 includes a fuel supply source 130 such as city gas and a fuel flow rate adjustment unit 138 (such as a “fuel pump” driven by a motor) that adjusts the flow rate of the fuel gas. Further, the accessory unit 104 includes an air supply source 140 and an air flow rate adjustment unit 144 that adjusts the flow rate of air. The air flow rate adjustment unit 144 includes a reforming air flow rate adjustment unit and a power generation air flow rate adjustment unit.

次に、燃料電池モジュール102には、燃料ガスの供給量、水(水蒸気)の供給量を制御すると共に起動モード、発電モード、停止モードにおける制御、及び、異常対応制御を実行するための制御部210を備えている。さらに、燃料電池モジュール102には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ154が接続されている。   Next, the fuel cell module 102 includes a control unit for controlling the supply amount of fuel gas and the supply amount of water (steam) and performing control in the start mode, power generation mode, stop mode, and abnormality response control. 210 is provided. Further, the fuel cell module 102 is connected to an inverter 154 which is a power extraction unit (power conversion unit) for supplying the power generated by the fuel cell module to the outside.

次に、本実施形態による燃料電池装置1に取り付けられたセンサ類について説明する。
図9に示すように、燃料電池装置(SOFC)1の制御部210には、使用者が操作するための「ON」や「OFF」等の操作ボタンを備えた操作装置212、発電出力値(ワット数)等の種々のデータを表示するための表示装置214、及び、異常状態のとき等に警報(ワーニング)を発する報知装置216が接続されている。なお、この報知装置216は、遠隔地にある管理センタに接続され、この管理センタに異常状態を通知するようなものであっても良い。
Next, the sensors attached to the fuel cell device 1 according to the present embodiment will be described.
As shown in FIG. 9, the control unit 210 of the fuel cell apparatus (SOFC) 1 includes an operation device 212 having operation buttons such as “ON” and “OFF” for operation by a user, and a power generation output value ( A display device 214 for displaying various data (such as wattage) and a notification device 216 that issues an alarm (warning) in an abnormal state are connected. The notification device 216 may be connected to a remote management center and notify the management center of an abnormal state.

次に、制御部210には、以下に説明する種々のセンサからの信号が入力されるようになっている。
先ず、可燃ガス検出センサ220は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュール102及び補機ユニット104に取り付けられている。
CO検出センサ222は、本来排気口11等を経て外部に排出される排気ガス中のCOが、燃料電池モジュール102及び補機ユニット104を覆うカバー部材(図示せず)へ漏れたかどうかを検知するためのものである。
貯湯状態検出センサ224は、図示しない給湯器におけるお湯の温度や水量を検知するためのものである。
Next, signals from various sensors described below are input to the control unit 210.
First, the combustible gas detection sensor 220 is for detecting a gas leak, and is attached to the fuel cell module 102 and the auxiliary unit 104.
The CO detection sensor 222 detects whether or not CO in the exhaust gas that is originally discharged to the outside through the exhaust port 11 or the like has leaked to a cover member (not shown) that covers the fuel cell module 102 and the auxiliary unit 104. Is for.
The hot water storage state detection sensor 224 is for detecting the temperature and amount of hot water in a water heater (not shown).

電力状態検出センサ226は、インバータ154及び分電盤(図示せず)の電流及び電圧等を検知するためのものである。
発電用空気流量検出センサ228は、各燃料電池セルスタック90が配置された発電室に供給される発電用空気の流量を検出するためのものである。
改質用空気流量センサ230は、改質器5に供給される改質用空気の流量を検出するためのものである。
燃料流量センサ232は、改質器5に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものである。
The power state detection sensor 226 is for detecting the current, voltage, and the like of the inverter 154 and a distribution board (not shown).
The power generation air flow rate detection sensor 228 is for detecting the flow rate of power generation air supplied to the power generation chamber in which each fuel cell stack 90 is disposed.
The reforming air flow rate sensor 230 is for detecting the flow rate of the reforming air supplied to the reformer 5.
The fuel flow rate sensor 232 is for detecting the flow rate of the fuel gas supplied to the reformer 5.

水流量センサ234は、改質器5に供給される純水(水蒸気)の流量を検出するためのものである。
水位センサ236は、水供給源124に設けられた純水タンク(図示せず)の水位を検出するためのものである。
圧力センサ238は、改質器5の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。
排気温度センサ240は、温水製造装置(図示せず)に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。
The water flow rate sensor 234 is for detecting the flow rate of pure water (steam) supplied to the reformer 5.
The water level sensor 236 is for detecting the water level of a pure water tank (not shown) provided in the water supply source 124.
The pressure sensor 238 is for detecting the pressure on the upstream side outside the reformer 5.
The exhaust temperature sensor 240 is for detecting the temperature of the exhaust gas flowing into the hot water production apparatus (not shown).

発電室温度センサ242は、燃料電池セルスタック90の近傍の温度を検出して、燃料電池セルスタック90(即ち燃料電池セル4自体)の温度を推定するためのものである。
燃焼室温度センサ244は、燃焼部18の温度を検出するためのものである。
排出ガス室温度センサ246は、排出ガス室17の排出ガスの温度を検出するためのものである。
改質器温度センサ248は、改質器5の温度を検出するためのものであり、改質器5の入口温度と出口温度から改質器5の温度を算出する。
外気温度センサ250は、燃料電池装置(SOFC)が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。
The power generation chamber temperature sensor 242 is for detecting the temperature in the vicinity of the fuel cell stack 90 and estimating the temperature of the fuel cell stack 90 (that is, the fuel cell 4 itself).
The combustion chamber temperature sensor 244 is for detecting the temperature of the combustion unit 18.
The exhaust gas chamber temperature sensor 246 is for detecting the temperature of the exhaust gas in the exhaust gas chamber 17.
The reformer temperature sensor 248 is for detecting the temperature of the reformer 5 and calculates the temperature of the reformer 5 from the inlet temperature and the outlet temperature of the reformer 5.
The outside air temperature sensor 250 is for detecting the temperature of the outside air when the fuel cell device (SOFC) is disposed outdoors. Further, a sensor for measuring the humidity or the like of the outside air may be provided.

これらのセンサ類からの信号は、制御部210に送られ、制御部210は、これらの信号によるデータに基づき、水流量調整ユニット128、燃料流量調整ユニット138、改質用空気流量調整ユニット144、発電用空気流量調整ユニット145に、制御信号を送り、これらのユニットにおける各流量を制御するようになっている。
また、制御部210は、インバータ154に、制御信号を送り、電力供給量を制御すると共に、異常対応制御を実行するようになっている。
Signals from these sensors are sent to the control unit 210, which controls the water flow rate adjustment unit 128, the fuel flow rate adjustment unit 138, the reforming air flow rate adjustment unit 144, based on data from these signals. A control signal is sent to the power generation air flow rate adjustment unit 145 to control each flow rate in these units.
In addition, the control unit 210 sends a control signal to the inverter 154 to control the power supply amount and to perform abnormality response control.

ここで、本実施形態による燃料電池装置は、負荷追従して発電量を変更することができる燃料電池装置であり、さらに、起動モード、発電モード、停止モードの3つのモードが実行されるようになっている。   Here, the fuel cell device according to the present embodiment is a fuel cell device capable of changing the amount of power generation by following the load, and further, three modes of a start mode, a power generation mode, and a stop mode are executed. It has become.

次に、図10により、本実施形態による燃料電池装置における起動モード実行時の動作を説明する。図10は本発明の一実施形態による燃料電池装置の起動モード実行時の動作を示すタイムチャートである。   Next, referring to FIG. 10, the operation at the time of executing the start-up mode in the fuel cell apparatus according to the present embodiment will be described. FIG. 10 is a time chart showing the operation of the fuel cell device according to the embodiment of the present invention when the start mode is executed.

燃料電池装置の起動時には、先ず、燃料電池モジュール102を温めるために、燃料電池モジュール102を含む回路に負荷をかけない状態、即ち、燃料電池モジュール102を含む回路を開いた状態で、燃料電池モジュール102に燃料ガスと空気を供給する。この段階では、燃料ガスと空気が存在しても、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュール102は、発電を行わない。   When starting the fuel cell device, first, in order to warm up the fuel cell module 102, the fuel cell module 102 is not loaded, that is, the circuit including the fuel cell module 102 is opened. Fuel gas and air are supplied to 102. At this stage, even if fuel gas and air are present, no current flows through the circuit, so the fuel cell module 102 does not generate power.

先ず、燃料ガスを供給する。具体的には、燃料流量調整ユニット138から被改質ガスを被改質ガス供給管6Aに供給する。このとき、制御部210は、都市ガス及び空気(改質用空気)を含む燃料ガスを供給するように、燃料ポンプ及び空気ブロア(改質用空気ブロア)等に信号を出力する。図10には、燃料流量及び改質用空気流量を示している。被改質ガス供給管6Aから供給された被改質ガスは改質器5を通過して燃料ガスとして、ガスタンク3内に貯まる。それにより、各燃料電池セルユニット30への均一且つ一様な燃料ガスの供給を確保する。ガスタンク3内に溜まった燃料ガスが、燃料電池セルユニット30の管内流路30cを通って流れ、内側の電極層44に作用する。作用しなかった燃料ガスが、各燃料電池セルユニット30の上部空間に達する。   First, fuel gas is supplied. Specifically, the reformed gas is supplied from the fuel flow rate adjusting unit 138 to the reformed gas supply pipe 6A. At this time, the controller 210 outputs a signal to a fuel pump, an air blower (reforming air blower), and the like so as to supply a fuel gas including city gas and air (reforming air). FIG. 10 shows the fuel flow rate and the reforming air flow rate. The reformed gas supplied from the reformed gas supply pipe 6A passes through the reformer 5 and is stored in the gas tank 3 as fuel gas. Thereby, uniform and uniform supply of fuel gas to each fuel cell unit 30 is ensured. The fuel gas accumulated in the gas tank 3 flows through the in-pipe channel 30 c of the fuel cell unit 30 and acts on the inner electrode layer 44. The fuel gas that did not act reaches the upper space of each fuel cell unit 30.

また、大気中の空気(発電用空気)を供給する。具体的には、空気流量調整ユニット144によって空気供給管7Aに供給し、上述したような経路を通って、空気流入孔93a,96aから発電室16内へと導く。発電室16内へと導かれた空気(発電用空気)は、外側の電極層48と作用する。作用しなかった空気(発電用空気)は、各燃料電池セルユニット30(燃料電池セル4)の上方に達する。   Also, air in the atmosphere (power generation air) is supplied. Specifically, the air flow rate adjusting unit 144 supplies the air to the air supply pipe 7A, and guides it from the air inflow holes 93a and 96a into the power generation chamber 16 through the path as described above. The air introduced into the power generation chamber 16 (power generation air) acts on the outer electrode layer 48. The air that did not act (power generation air) reaches above each fuel cell unit 30 (fuel cell 4).

次いで、点火装置(図示しない)を用いて、燃料ガスと空気(発電用空気)とを燃焼させる。それにより生じた排出ガスは、高温になる。排出ガスは、カバー8(図8参照)を通って、排出ガス室17へと流入する。排出ガス室17へと流入した排出ガスは、排気口11から排出される。   Next, fuel gas and air (power generation air) are combusted using an ignition device (not shown). The resulting exhaust gas becomes hot. The exhaust gas flows into the exhaust gas chamber 17 through the cover 8 (see FIG. 8). The exhaust gas that has flowed into the exhaust gas chamber 17 is discharged from the exhaust port 11.

燃料ガスと空気(発電用空気)とが燃焼する際に、発電室16内が昇温される。外部から導入される空気(発電用空気)は、上述した経路を流れる間に、発電室16内と熱交換を行って暖められる。高温の排出ガスは、排出ガス室17へと流入し、排出ガス室17内を昇温する。   When the fuel gas and air (power generation air) are combusted, the temperature in the power generation chamber 16 is raised. Air (power generation air) introduced from the outside is heated by exchanging heat with the power generation chamber 16 while flowing through the above-described path. The hot exhaust gas flows into the exhaust gas chamber 17 and raises the temperature in the exhaust gas chamber 17.

続いて、炭化水素系の都市ガスと空気(改質用空気)とを予め混合したガスを改質器5に供給する(改質工程)。改質器5においては、式(1)の部分酸化改質反応POXが進行する。この部分酸化改質反応は発熱反応であるので、起動性が良好である。部分酸化改質反応POXが進行しても燃焼部18では継続して燃焼反応が持続する。   Subsequently, a gas obtained by mixing hydrocarbon-based city gas and air (reforming air) in advance is supplied to the reformer 5 (reforming step). In the reformer 5, the partial oxidation reforming reaction POX of the formula (1) proceeds. Since this partial oxidation reforming reaction is an exothermic reaction, the startability is good. Even if the partial oxidation reforming reaction POX proceeds, the combustion reaction continues in the combustion section 18.

mnm/22mCO+n/22 (1) C m H n + m / 2 O 2 → m CO + n / 2 H 2 (1)

本実施形態では、この式(1)による部分酸化改質反応POXの前に、式(1−1)による部分酸化改質反応POXを行うことで、部分酸化改質反応POXを2段階で行っている。改質器5の温度が所定温度(例えば、450度程度)を下回っている場合には、式(1−1)のように、改質器5へ供給する空気の量を減らして、メタンが水素に転換しすぎることを抑制する。   In the present embodiment, the partial oxidation reforming reaction POX according to the formula (1-1) is performed in two stages before the partial oxidation reforming reaction POX according to the formula (1). ing. When the temperature of the reformer 5 is lower than a predetermined temperature (for example, about 450 degrees), the amount of air supplied to the reformer 5 is reduced as shown in the formula (1-1), and methane is Suppresses excessive conversion to hydrogen.

mnm/82m/4CO+n/823m/4mn (1−1) C m H n + m / 8 O 2m / 4 CO + n / 8 H 2 +3 m / 4 C m H n (1-1)

この式(1−1)による部分酸化改質反応POXを行って、改質器5の温度が所定温度(例えば、450度程度)以上となった場合には、上述した式(1)のように、改質器5へ供給する空気の量を増やして、水素の量を増やすように制御する。この制御で用いる所定温度は、燃焼部18の温度が基準温度となる場合の改質器5の温度として事前に設定されている温度である。基準温度とは、水素の拡散速度よりも水素の燃焼速度が大きくなる場合の温度に対応するものであって、実験等で事前に設定されている温度である。   When the partial oxidation reforming reaction POX according to the equation (1-1) is performed and the temperature of the reformer 5 is equal to or higher than a predetermined temperature (for example, about 450 degrees), the above equation (1) is obtained. In addition, the amount of hydrogen supplied to the reformer 5 is increased to control the amount of hydrogen to be increased. The predetermined temperature used in this control is a temperature set in advance as the temperature of the reformer 5 when the temperature of the combustion unit 18 becomes the reference temperature. The reference temperature corresponds to a temperature at which the hydrogen combustion rate is higher than the hydrogen diffusion rate, and is a temperature set in advance by an experiment or the like.

部分酸化改質反応POXの実行開始から所定時間経過後、都市ガスと空気と水蒸気とを予め混合したガスを改質器5に供給する。このとき、制御部210は、都市ガス及び空気を含む燃料ガスに加えて水蒸気を供給するように、燃料ポンプ、空気ブロア、及び、水ポンプ等に信号を出力する。図10には、水ポンプの制御電圧を示している。改質器5においては、上述の部分酸化改質反応POXと後述する水蒸気改質反応SRとが併用されたオートサーマル改質反応ATRが進行する。このオートサーマル改質反応ATRは、熱的に内部バランスが取れるので、改質器5内では熱自立しながら反応が進行する。すなわち、酸素が多い場合は部分酸化改質反応POXによる発熱が支配的となり、水蒸気が多い場合は水蒸気改質反応SRによる吸熱が支配的となる。この段階では、既に起動の初期段階を過ぎており、発電室16内がある程度の温度に昇温されているので、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を招くことはない。また、オートサーマル改質反応ATRが進行しても燃焼部18では継続して燃焼反応が持続する。   After a predetermined time has elapsed since the execution of the partial oxidation reforming reaction POX, a gas in which city gas, air and water vapor are mixed in advance is supplied to the reformer 5. At this time, the control unit 210 outputs a signal to a fuel pump, an air blower, a water pump, and the like so as to supply water vapor in addition to city gas and fuel gas including air. FIG. 10 shows the control voltage of the water pump. In the reformer 5, an autothermal reforming reaction ATR in which the partial oxidation reforming reaction POX described above and a steam reforming reaction SR described later are used together proceeds. Since the autothermal reforming reaction ATR is thermally balanced internally, the reaction proceeds in the reformer 5 while being thermally independent. That is, heat generation by the partial oxidation reforming reaction POX is dominant when there is a large amount of oxygen, and heat absorption by the steam reforming reaction SR is dominant when there is a lot of water vapor. At this stage, the initial stage of activation has already passed, and the temperature inside the power generation chamber 16 has been raised to a certain temperature. Therefore, even if the endothermic reaction is dominant, the temperature does not drop significantly. Even if the autothermal reforming reaction ATR proceeds, the combustion reaction continues in the combustion section 18.

オートサーマル改質反応の実行開始から所定時間経過後、改質器温度センサ248により改質器5が水蒸気改質可能な温度であると検知されると、都市ガスと水蒸気とを予め混合したガスを改質器5に供給する。このとき、制御部210は、都市ガスだけを含む燃料ガスに加えて水蒸気を供給するように、燃料ポンプ及び水ポンプ等に信号を出力すると共に改質器用空気ブロアを停止させる信号を出力する。   When the reformer temperature sensor 248 detects that the reformer 5 has a temperature capable of steam reforming after a predetermined time has elapsed since the start of the autothermal reforming reaction, a gas in which city gas and steam are mixed in advance Is supplied to the reformer 5. At this time, the controller 210 outputs a signal to the fuel pump, the water pump, etc. and a signal to stop the reformer air blower so as to supply water vapor in addition to the fuel gas containing only the city gas.

改質器5においては、式(2)の水蒸気改質反応SRが進行する。この水蒸気改質反応SRは吸熱反応であるので、燃焼部18からの燃焼熱による熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、既に起動の最終段階であるため、発電室16内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応を主体としても大幅な温度低下を招くことはない。また水蒸気改質反応SRが進行しても燃焼部18では継続して燃焼反応が持続する。   In the reformer 5, the steam reforming reaction SR of the formula (2) proceeds. Since this steam reforming reaction SR is an endothermic reaction, the reaction proceeds while maintaining a heat balance by the combustion heat from the combustion section 18. At this stage, since the power generation chamber 16 has already been heated to a sufficiently high temperature since it is already the final stage of start-up, there is no significant temperature drop even if the endothermic reaction is the main component. Even if the steam reforming reaction SR proceeds, the combustion reaction continues in the combustion section 18.

mnm2O → mCO+(n/2+m)2 (2) C m H n + m H 2 O → m CO + (n / 2 + m) H 2 (2)

上述したように着火工程から燃焼工程の進行に合わせて改質工程を切り替えていくことで、発電室16内の温度が徐々に上昇する。発電室16内及び燃料電池セル4の温度が、燃料電池モジュール102を安定的に作動させる定格温度よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュール102を含む回路を閉じる。それにより、燃料電池モジュール102は発電を開始し、回路に電流が流れる。燃料電池の発電により、燃料電池セル4自体も発熱し、更に、燃料電池セル4の温度が上昇する。その結果、燃料電池モジュール102を作動させる定格温度、例えば、600〜800℃になる。   As described above, the temperature in the power generation chamber 16 is gradually increased by switching the reforming process in accordance with the progress of the combustion process from the ignition process. When the temperature in the power generation chamber 16 and the fuel cell 4 reaches a predetermined power generation temperature lower than the rated temperature at which the fuel cell module 102 is stably operated, the circuit including the fuel cell module 102 is closed. Thereby, the fuel cell module 102 starts power generation, and a current flows through the circuit. Due to the power generation of the fuel cell, the fuel cell 4 itself also generates heat, and the temperature of the fuel cell 4 rises. As a result, the rated temperature at which the fuel cell module 102 is operated becomes, for example, 600 to 800 ° C.

その後、定格温度を維持するために、燃料電池セル4で消費される燃料ガス及び空気(発電用空気)の量よりも多い量の燃料ガス及び空気を供給し、発電室16での燃焼を継続させる。なお、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応SRで発電が進行せしめられる。水蒸気改質反応SR自体は(厳密に言えば)400℃〜800℃程度で行われるが、燃料電池との組み合わせにおいては500℃〜700℃程度で運転される。   Thereafter, in order to maintain the rated temperature, fuel gas and air in an amount larger than the amount of fuel gas and air consumed by the fuel battery cell 4 are supplied, and combustion in the power generation chamber 16 is continued. Let During power generation, power generation proceeds with a steam reforming reaction SR with high reforming efficiency. The steam reforming reaction SR itself (strictly speaking) is performed at about 400 ° C. to 800 ° C., but is operated at about 500 ° C. to 700 ° C. in combination with a fuel cell.

この発電時においては、負荷追従運転を実行する。本実施形態の場合、定格電流は7Aとしているので、必要とされる電流値がその定格電流値よりも少ない場合に、発生させる電流値を抑制する運転を負荷追従運転としている。本実施形態の場合、制御部210は、電流値が7Aの場合に供給する被改質ガス量(都市ガス量)を2.8L/minとし、電流値が2Aの場合に供給する被改質ガス量(都市ガス量)を1.5L/minとしている。   During this power generation, load following operation is executed. In the case of this embodiment, since the rated current is 7 A, when the required current value is smaller than the rated current value, the operation for suppressing the generated current value is set as the load following operation. In the case of the present embodiment, the control unit 210 sets the amount of reformed gas (city gas amount) supplied when the current value is 7 A to 2.8 L / min, and supplies the reformed gas when the current value is 2 A. The gas amount (city gas amount) is 1.5 L / min.

次に、図11及び図12により、燃料電池セルの破損の一例を説明する。図11は電極表面から剥離した剥離片を示す写真であり、図12は剥離片により短絡した電流経路を示す燃料電池セルスタックの部分平面図である。
図11に示すように、燃料電池セルユニット30の外側の電極層48の電極表面の一部が剥離して剥離片となり、この剥離片が隣接する他の燃料電池セルユニット30の電極表面に接触し、それにより、電流経路の一部が短絡する。
図12において、実線は、正常な状態の燃料電池セルスタックにおける電流経路を示し、破線は、図11に示した剥離片110により短絡が発生したときの燃料電池セルスタックにおける電流経路を示している。Xの部分が、短絡した経路であり、電流経路が短くなった分だけ、モジュール電圧の電圧降下が発生することになる。
Next, an example of breakage of the fuel cell will be described with reference to FIGS. 11 and 12. FIG. 11 is a photograph showing a peeled piece peeled from the electrode surface, and FIG. 12 is a partial plan view of a fuel cell stack showing a current path short-circuited by the peeled piece.
As shown in FIG. 11, a part of the electrode surface of the electrode layer 48 outside the fuel cell unit 30 is peeled off to become a peeled piece, and this peeled piece contacts the electrode surface of another adjacent fuel cell unit 30. As a result, a part of the current path is short-circuited.
In FIG. 12, a solid line indicates a current path in the fuel cell stack in a normal state, and a broken line indicates a current path in the fuel cell stack when a short circuit occurs due to the peeling piece 110 illustrated in FIG. . The portion X is a short-circuited path, and the voltage drop of the module voltage is generated as the current path is shortened.

次に、図13乃至図16により、燃料電池セルが破損した場合(短絡が発生した場合)の燃料電池モジュールの電圧降下について説明する。図13は燃料電池装置における起動モード実行中に短絡が発生しその後解消した第1ケースを示すタイムチャートであり、図14は起動モード実行中に短絡が発生しその後解消しなかった第2ケースを示すタイムチャートであり、図15は停止モード実行中に短絡が発生しその後解消した第3ケースを示すタイムチャートであり、図16は停止モード実行中に短絡が発生しその後解消しなかった第4ケースを示すタイムチャートである。   Next, the voltage drop of the fuel cell module when the fuel cell is damaged (when a short circuit occurs) will be described with reference to FIGS. FIG. 13 is a time chart showing a first case in which a short circuit occurs during execution of the start-up mode in the fuel cell device, and then is resolved, and FIG. FIG. 15 is a time chart showing a third case in which a short-circuit occurs during execution of the stop mode and is then eliminated, and FIG. 16 is a fourth case where a short-circuit occurs during execution of the stop mode and is not eliminated thereafter. It is a time chart which shows a case.

先ず、図13及び図14に示すように、燃料電池装置の起動モード実行時においては、スタック温度Ts(燃料電池セルスタック90の温度)は、燃料ガスと発電用空気との燃焼、部分酸化する改質反応POX、オートサーマル改質反応ATR、水蒸気改質反応SRにより、次第に上昇する。このとき、SOFCでは、スタック温度に対応してモジュール電圧も変化するので、モジュール電圧も滑らかなカーブ形状で、上昇する。このとき、発電用空気流量は一定である。   First, as shown in FIG. 13 and FIG. 14, when the start mode of the fuel cell device is executed, the stack temperature Ts (the temperature of the fuel cell stack 90) is burned and partially oxidized by the fuel gas and power generation air. The temperature gradually increases due to the reforming reaction POX, the autothermal reforming reaction ATR, and the steam reforming reaction SR. At this time, in the SOFC, the module voltage also changes corresponding to the stack temperature, so that the module voltage rises in a smooth curve shape. At this time, the power generation air flow rate is constant.

図13に示す第1ケースにおいては、この起動モード時において、燃料電池セルが破損した場合(短絡が発生した場合)には、上述した理由により、モジュール電圧が急激にΔVだけ電圧降下する。第1ケースでは、モジュール電圧の電圧降下は一時的なものであり、その後、短絡が解消され、正常なモジュール電圧に近い値まで復帰する。なお、Vfは、電圧降下が生じる直前のモジュール電圧であり、Vgは起動モード終了時(=発電モード開始時)のモジュール電圧である。なお、後述するように、本実施形態では、モジュール電圧が電圧降下したとき、発電用空気流量を増量して供給するようにしている。   In the first case shown in FIG. 13, when the fuel cell is damaged (when a short circuit occurs) in this start-up mode, the module voltage drops abruptly by ΔV for the reason described above. In the first case, the voltage drop of the module voltage is temporary, after which the short circuit is resolved and the value returns to a value close to the normal module voltage. Vf is the module voltage immediately before the voltage drop occurs, and Vg is the module voltage at the end of the start mode (= at the start of the power generation mode). As will be described later, in this embodiment, when the module voltage drops, the power generation air flow rate is increased and supplied.

図14に示す第2ケースにおいては、この起動モード時において、燃料電池セルが破損した場合(短絡が発生した場合)には、上述した理由により、モジュール電圧が急激にΔVだけ電圧降下する。第2ケースでは、モジュール電圧の電圧降下は、短絡が解消されないので、そのまま維持され、正常なモジュール電圧に復帰することはない。同様に、Vfは、電圧降下が生じる直前のモジュール電圧であり、Vgは起動モード終了時(=発電モード開始時)のモジュール電圧である。なお、後述するように、本実施形態では、モジュール電圧が電圧降下したとき、発電用空気流量を増量して供給するようにしている。   In the second case shown in FIG. 14, when the fuel cell is damaged (when a short circuit occurs) in the start-up mode, the module voltage drops by ΔV abruptly for the reason described above. In the second case, the voltage drop of the module voltage is maintained as it is because the short circuit is not eliminated, and does not return to the normal module voltage. Similarly, Vf is the module voltage immediately before the voltage drop occurs, and Vg is the module voltage at the end of the start mode (= at the start of the power generation mode). As will be described later, in this embodiment, when the module voltage drops, the power generation air flow rate is increased and supplied.

次に、図15及び図16に示すように、燃料電池装置の停止モード時においては、スタック温度Ts(燃料電池セルスタック90の温度)は、次第に低下する。このとき、SOFCでは、モジュール電圧もスタック温度に対応して滑らかなカーブ形状で下降する。このとき、発電用空気流量は一定である。   Next, as shown in FIGS. 15 and 16, in the stop mode of the fuel cell device, the stack temperature Ts (temperature of the fuel cell stack 90) gradually decreases. At this time, in SOFC, the module voltage also falls in a smooth curve shape corresponding to the stack temperature. At this time, the power generation air flow rate is constant.

図15に示す第3ケースにおいては、この停止モード時において、燃料電池セルが破損した場合(短絡が発生した場合)には、上述した理由により、モジュール電圧が急激にΔVだけ電圧降下する。第3ケースでは、モジュール電圧の電圧降下は一時的なものであり、その後、短絡が解消され、正常なモジュール電圧に近い値まで復帰する。なお、Vfは、電圧降下が生じる直前のモジュール電圧であり、Veは停止モード終了時のモジュール電圧である。なお、後述するように、本実施形態では、モジュール電圧が電圧降下したとき、発電用空気流量を増量して供給するようにしている。   In the third case shown in FIG. 15, when the fuel cell is damaged (when a short circuit occurs) in this stop mode, the module voltage rapidly drops by ΔV due to the above-described reason. In the third case, the voltage drop of the module voltage is temporary, after which the short circuit is resolved and the value returns to a value close to the normal module voltage. Vf is the module voltage immediately before the voltage drop occurs, and Ve is the module voltage at the end of the stop mode. As will be described later, in this embodiment, when the module voltage drops, the power generation air flow rate is increased and supplied.

図16に示す第4ケースにおいては、この停止モード時において、燃料電池セルが破損した場合(短絡が発生した場合)には、上述した理由により、モジュール電圧が急激にΔVだけ電圧降下する。第4ケースでは、モジュール電圧の電圧降下は、短絡が解消されないので、そのまま維持され、正常なモジュール電圧に復帰することはない。同様に、Vfは、電圧降下が生じる直前のモジュール電圧であり、Veは停止モード終了時のモジュール電圧である。なお、後述するように、本実施形態では、モジュール電圧が電圧降下したとき、発電用空気流量を増量して供給するようにしている。   In the fourth case shown in FIG. 16, when the fuel cell is damaged in this stop mode (when a short circuit occurs), the module voltage drops by ΔV abruptly for the reason described above. In the fourth case, the voltage drop of the module voltage is maintained as it is because the short circuit is not eliminated, and does not return to the normal module voltage. Similarly, Vf is a module voltage immediately before the voltage drop occurs, and Ve is a module voltage at the end of the stop mode. As will be described later, in this embodiment, when the module voltage drops, the power generation air flow rate is increased and supplied.

次に、図17により、本実施形態による燃料電池装置における異常判定処理を説明する。図17は本発明の一実施形態による燃料電池装置における異常判定処理の内容を示すフローチャートである。図17において、Sは各ステップを示す。
図17において、先ず、S1において、燃料電池装置が起動モード実行中か否かを判定する。起動モード実行中の場合には、S2に進み、モジュール電圧において電圧降下が発生したか否かを判定する。
Next, the abnormality determination process in the fuel cell apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 17 is a flowchart showing the contents of the abnormality determination process in the fuel cell apparatus according to the embodiment of the present invention. In FIG. 17, S indicates each step.
In FIG. 17, first, in S1, it is determined whether or not the fuel cell device is in the startup mode. If the start mode is being executed, the process proceeds to S2 to determine whether or not a voltage drop has occurred in the module voltage.

電圧降下が発生した場合には、S3に進み、電圧降下量ΔVを演算する。次に、S4に進み、求めた電圧降下量ΔVが、0.1Vf(=電圧降下が生じる直前のモジュール電圧Vfの0.1倍の値)よりも大であるか否かを判定し、大であれば、燃料電池セルが異常(故障)であると判定し、S5に進み、起動モード時の移動対応制御(詳細は図18に示す)を実行する。   If a voltage drop has occurred, the process proceeds to S3, and a voltage drop amount ΔV is calculated. Next, the process proceeds to S4, where it is determined whether or not the obtained voltage drop amount ΔV is greater than 0.1 Vf (= 0.1 times the module voltage Vf immediately before the voltage drop occurs). If it is, it is determined that the fuel cell is abnormal (failure), and the process proceeds to S5 to execute movement corresponding control in the start mode (details are shown in FIG. 18).

上述したように、本実施形態においては、起動モードでは、図13及び図14に示すように、燃料電池セルが正常であればモジュール電圧は単純に滑らかに上昇する特性を有するが、この特性に反して、モジュール電圧が降下して、この電圧降下量ΔVが0.1Vfを超えた場合には、燃料電池セルの異常と判定し、異常対応制御を実行するようになっている。   As described above, in this embodiment, in the start-up mode, as shown in FIGS. 13 and 14, the module voltage has a characteristic that rises smoothly and smoothly when the fuel cell is normal. On the other hand, when the module voltage drops and this voltage drop amount ΔV exceeds 0.1 Vf, it is determined that the fuel cell is abnormal, and abnormality response control is executed.

次に、S1において、起動モード実行中ではないと判定された場合、S6に進み、停止モード実行中であるか否かを判定する。ここで、停止モード実行中でもないと判定された場合は、発電モード実行中であるので、本実施形態による燃料電池装置においては、この発電モードでは、異常対応制御は行わないようになっている。   Next, when it is determined in S1 that the start mode is not being executed, the process proceeds to S6 to determine whether or not the stop mode is being executed. Here, when it is determined that the stop mode is not being executed, the power generation mode is being executed. Therefore, in the fuel cell device according to the present embodiment, the abnormality handling control is not performed in this power generation mode.

S6において、停止モード実行中であると判定された場合には、S7に進み、モジュール電圧の単位時間当たりの電圧降下量ΔV/Δtを演算する。次に、S8に進み、この単位時間当たりの電圧降下量ΔV/Δtが閾値αよりも大きいか否かを判定し、大きい場合には、燃料電池セルが異常(故障)であると判定し、S9に進み、停止モード時の異常対応制御(詳細は図20に示す)を実行する。   If it is determined in S6 that the stop mode is being executed, the process proceeds to S7 to calculate the voltage drop amount ΔV / Δt per unit time of the module voltage. Next, the process proceeds to S8, in which it is determined whether or not the voltage drop amount ΔV / Δt per unit time is larger than the threshold value α. If it is larger, it is determined that the fuel cell is abnormal (failure), Proceeding to S9, abnormality response control in the stop mode (details are shown in FIG. 20) is executed.

なお、S2においてNOの場合、及び、S4においてNOの場合には、何れの場合も、S10に進み、「F2=1又はF4=1」か否かを判定する。
ここで、F2は、過去の起動モードにおける異常対応制御の実行履歴の有無を示すフラグであり、F2=0で実行履歴無し、F2=1で実行履歴有りを意味する。また、F4は、過去の停止モードにおける異常対応制御の実行履歴の有無を示すフラグであり、F4=0で実行履歴無し、F4=1で実行履歴有りを意味する。
燃料電池装置の家庭等の据付時には、F2=0及びF4=0とセットされている。また、フラグF2及びF4にセットされた値は、制御部210に記憶される。
S10において、「F2=1又はF4=1」である場合には、過去に異常対応制御が実行されているので、S5に進み、そのときの電圧降下の有無や電圧降下量の大小に関係なく、異常対応制御を実行する。
また、S10において、「F2=1又はF4=1」でない場合には、異常対応制御は実行しないようになっている。
In both cases of NO in S2 and NO in S4, the process proceeds to S10 and it is determined whether or not “F2 = 1 or F4 = 1”.
Here, F2 is a flag indicating whether or not there is an execution history of abnormality handling control in the past activation mode, and means that F2 = 0 has no execution history and F2 = 1 has an execution history. F4 is a flag indicating the presence / absence of an execution history of abnormality handling control in the past stop mode. F4 = 0 indicates no execution history, and F4 = 1 indicates that there is an execution history.
F2 = 0 and F4 = 0 are set when the fuel cell device is installed in a home or the like. The values set in the flags F2 and F4 are stored in the control unit 210.
In S10, when “F2 = 1 or F4 = 1”, since abnormality response control has been executed in the past, the process proceeds to S5, regardless of the presence or absence of the voltage drop and the magnitude of the voltage drop at that time. Execute abnormality response control.
In S10, when “F2 = 1 or F4 = 1” is not satisfied, the abnormality handling control is not executed.

上述したように、本実施形態においては、停止モードでは、図15及び図16に示すように、燃料電池セルが正常であればモジュール電圧は単純に滑らかに下降する特性を有するので、単位時間当たりの電圧降下量ΔV/Δtが閾値αを超えた場合には、燃料電池セルの異常と判定し、異常対応制御を実行するようになっている。ここで、閾値αは、電圧降下が発生した直前のモジュール電圧Vfに基づいて設定される。   As described above, in the present embodiment, in the stop mode, as shown in FIGS. 15 and 16, if the fuel cell is normal, the module voltage simply has a characteristic of decreasing smoothly. When the voltage drop amount ΔV / Δt of the fuel cell exceeds the threshold value α, it is determined that the fuel cell is abnormal, and abnormality response control is executed. Here, the threshold value α is set based on the module voltage Vf immediately before the voltage drop occurs.

次に、図18及び図19により、起動モード時の異常対応制御について説明する。図18は本発明の一実施形態による燃料電池装置の起動モードにおける異常対策制御の内容(図17のS5のサブルーチン)を示すフローチャートであり、図19は本発明の一実施形態による燃料電池装置の異常対策制御における起動モード終了時電圧、最大発電電流、及び、燃料流量を示す図である。図18において、Sは各ステップを示す。
図18に示すように、先ず、S11において、電圧降下量ΔVが0.2Vfより大きいか否かを判定する。本実施形態においては、電圧降下量ΔVが0.2Vfを超えている場合には、燃料電池セルに深刻な破損が生じているとみなし、即、停止モードに移行するようにしている。一方、電圧降下量ΔVが0.1Vf〜0.2Vfの範囲であれば、ある程度の発電は可能とみなし、起動モードを継続するようにしている。以下、具体的に説明する。
Next, with reference to FIGS. 18 and 19, the abnormality handling control in the start mode will be described. FIG. 18 is a flowchart showing the contents of the abnormality countermeasure control (subroutine of S5 in FIG. 17) in the start-up mode of the fuel cell device according to one embodiment of the present invention, and FIG. 19 shows the fuel cell device according to one embodiment of the present invention. It is a figure which shows the voltage at the time of starting mode completion | finish in the abnormality countermeasure control, the maximum generated current, and the fuel flow rate. In FIG. 18, S indicates each step.
As shown in FIG. 18, first, in S11, it is determined whether or not the voltage drop amount ΔV is larger than 0.2 Vf. In the present embodiment, when the voltage drop amount ΔV exceeds 0.2 Vf, it is considered that the fuel cell is seriously damaged, and the mode is immediately shifted to the stop mode. On the other hand, if the voltage drop amount ΔV is in the range of 0.1 Vf to 0.2 Vf, it is considered that a certain amount of power generation is possible, and the start-up mode is continued. This will be specifically described below.

電圧降下量ΔVが0.2Vfを超えている場合には、S12に進み、報知装置216(図9参照)により、燃料電池セルの故障を報知する。次に、S13に進み、表示装置214(図9参照)に燃料電池セルの故障を表示する。さらに、S14に進み、起動モードから停止モードに移行して、燃料電池装置を停止する。   When the voltage drop amount ΔV exceeds 0.2 Vf, the process proceeds to S12, and the notification device 216 (see FIG. 9) notifies the failure of the fuel cell. Next, it progresses to S13 and the failure of a fuel cell is displayed on the display apparatus 214 (refer FIG. 9). Furthermore, it progresses to S14, transfers to start mode from stop mode, and stops a fuel cell apparatus.

一方、電圧降下量ΔVが0.2Vfを超えていない場合、即ち、電圧降下量ΔVが0.1Vf〜0.2Vfの範囲の場合には、S15に進み、報知装置216により、燃料電池セルの「セル性能劣化」を報知し、S6に進み、表示装置214により、「セル性能劣化」を表示する。   On the other hand, when the voltage drop amount ΔV does not exceed 0.2 Vf, that is, when the voltage drop amount ΔV is in the range of 0.1 Vf to 0.2 Vf, the process proceeds to S15, and the notification device 216 causes the fuel cell to be changed. The “cell performance deterioration” is notified, and the process proceeds to S6, where the display device 214 displays “cell performance deterioration”.

次に、S17に進み、発電用空気流量を増量して供給する(図13及び図14参照)。その後、S18に進み、モジュール電圧が正常時の電圧値に回復したか否かを判定する。モジュール電圧が回復した場合には、S19に進み、発電用空気流量の増量を停止し、S20に進みフラグF1をF1=1にセットする。F1=1は、起動モード終了までにモジュール電圧が回復し、発電用空気流量の増量を停止した状態を示している。   Next, it progresses to S17 and increases and supplies the air flow rate for electric power generation (refer FIG.13 and FIG.14). Thereafter, the process proceeds to S18 to determine whether or not the module voltage has been restored to the normal voltage value. When the module voltage is recovered, the process proceeds to S19, the increase of the power generation air flow rate is stopped, and the process proceeds to S20, where the flag F1 is set to F1 = 1. F1 = 1 indicates a state in which the module voltage is recovered by the end of the start-up mode and the increase in the power generation air flow rate is stopped.

本実施形態においては、モジュール電圧の電圧降下量ΔVが0.1Vf〜0.2Vfの範囲の場合には、発電用空気流量を燃料電池セルが正常時の場合よりも増量し、剥離片(図11参照)を吹き飛ばして短絡解消を図るようにしている。これにより電圧が回復したら、発電用空気流量を正常時の場合に戻すようにしている。   In the present embodiment, when the voltage drop amount ΔV of the module voltage is in the range of 0.1 Vf to 0.2 Vf, the power generation air flow rate is increased more than when the fuel cell is normal, and the strip (see FIG. 11) is blown away to eliminate the short circuit. As a result, when the voltage recovers, the power generation air flow rate is returned to the normal state.

次に、S21に進み、起動モードが終了か否か、具体的には、スタック温度が発電開始温度まで達したか否かを判定する。起動モード終了の場合には、S22に進み、F1=1か否かを判定する。F1=1ではない場合は、電圧降下が有り発電用空気流量を増量したにも係わらず、起動モード終了までに短絡が解消しなかった(電圧が回復しなかった)場合であるので、S23に進み、発電用空気流量の増量を停止する(図13及び図14参照)。なお、F1=1の場合には、既に、電圧回復が有り発電用空気流量の増量は停止されている。   Next, it progresses to S21 and it is determined whether start mode is complete | finished, specifically, whether stack temperature has reached power generation start temperature. If the start mode is ended, the process proceeds to S22, and it is determined whether F1 = 1. The case where F1 = 1 is not the case where the short circuit has not been resolved by the end of the start-up mode despite the voltage drop and the increase in the power generation air flow rate (the voltage has not recovered). It advances and stops the increase in the power generation air flow rate (see FIGS. 13 and 14). In the case of F1 = 1, there is already voltage recovery and the increase in the power generation air flow rate is stopped.

このように、本実施形態においては、発電用空気流量を増量したにも係わらず、短絡が解消されず、電圧が回復しないまま、スタック温度が発電開始温度まで達した場合には、起動モードを終了する。また、増量していた発電用空気流量を燃料電池セルの正常時の流量に戻すようにしている。   As described above, in the present embodiment, when the stack temperature reaches the power generation start temperature without the short circuit being resolved and the voltage not recovering in spite of the increase in the power generation air flow rate, the start mode is set. finish. Further, the increased air flow rate for power generation is returned to the normal flow rate of the fuel cell.

次に、S24に進み、起動モード終了時の電圧Vgに基づき、発電モード開始時の最大発電電流を決定する。発電モード開始時の最大発電電流は、図19に示されているように、起動モード終了時の電圧Vgが小さい程、小さな値に設定されるようになっている。なお、正常時の起動モード終了時の電圧は、160V程度であるので、Vgが150V以上の場合には、最大発電電流は定格電流の7Aに設定し、一方、電圧降下が発生した場合には、最大発電電流は、この定格電流値よりも小さな値に設定されている。さらに、燃料流量Qoも、同様に、起動モード終了時の電圧Vgが小さい程、小さな値に設定されるようになっている。   Next, in S24, the maximum generated current at the start of the power generation mode is determined based on the voltage Vg at the end of the start mode. As shown in FIG. 19, the maximum generated current at the start of the power generation mode is set to a smaller value as the voltage Vg at the end of the start mode is smaller. Since the voltage at the end of the normal startup mode is about 160V, when Vg is 150V or more, the maximum generated current is set to 7A of the rated current, while when the voltage drop occurs The maximum generated current is set to a value smaller than this rated current value. Further, the fuel flow rate Qo is similarly set to a smaller value as the voltage Vg at the end of the start mode is smaller.

次に、S25に進み、F2=1をセットする。このF2=1は、上述したように、起動モードにおける異常対応制御の実行履歴有りを示している。   Next, in S25, F2 = 1 is set. As described above, F2 = 1 indicates that there is an execution history of abnormality handling control in the startup mode.

次に、図20により、停止モード時の異常対応制御について説明する。図20は本発明の一実施形態による燃料電池装置の停止モードにおける異常対策制御の内容(図17のS9のサブルーチン)を示すフローチャートである。図20において、Sは各ステップを示す。
先ず、前提として、単位時間当たりの電圧降下量ΔV/Δtが閾値αを超えて、燃料電池セルの異常と判定された場合であるので、S31において、報知装置216により、燃料電池セルの「セル性能劣化」を報知し、S32に進み、表示装置214により、「セル性能劣化」を表示する。
Next, the abnormality handling control in the stop mode will be described with reference to FIG. FIG. 20 is a flowchart showing the content of the abnormality countermeasure control (subroutine of S9 in FIG. 17) in the stop mode of the fuel cell device according to one embodiment of the present invention. In FIG. 20, S indicates each step.
First, as a premise, since the voltage drop amount ΔV / Δt per unit time exceeds the threshold value α and it is determined that the fuel cell is abnormal, in S31, the notification cell 216 causes the “cell "Performance degradation" is notified, and the process proceeds to S32, and the display device 214 displays "Cell performance degradation".

次に、S33に進み、発電用空気流量を増量して供給する(図15及び図16参照)。その後、S34に進み、モジュール電圧が正常時の電圧値に回復したか否かを判定する。モジュール電圧が回復した場合には、S35に進み、発電用空気流量の増量を停止し、S36に進みフラグF3をF3=1にセットする。F3=1は、停止モード終了までに電圧回復し、発電用空気流量の増量を停止した状態を示している。   Next, the process proceeds to S33, and the power generation air flow rate is increased and supplied (see FIGS. 15 and 16). Thereafter, the process proceeds to S34, in which it is determined whether or not the module voltage has been restored to the normal voltage value. When the module voltage is recovered, the process proceeds to S35, the increase in the power generation air flow rate is stopped, and the process proceeds to S36, where the flag F3 is set to F3 = 1. F3 = 1 indicates a state where the voltage is recovered by the end of the stop mode and the increase in the power generation air flow rate is stopped.

本実施形態においては、単位時間当たりの電圧降下量ΔV/Δtが閾値αを超えた場合には、発電用空気流量を燃料電池セルが正常時の場合よりも増量し、剥離片(図11参照)を吹き飛ばして短絡解消を図るようにしている。これにより電圧が回復したら、発電用空気流量を正常時の場合に戻すようにしている。   In the present embodiment, when the voltage drop amount ΔV / Δt per unit time exceeds the threshold value α, the power generation air flow rate is increased more than when the fuel cell is normal, and the separation piece (see FIG. 11). ) Is blown away to eliminate the short circuit. As a result, when the voltage recovers, the power generation air flow rate is returned to the normal state.

次に、S37に進み、停止モードが終了か否か判定する。停止モード終了の場合には、S38に進み、F3=1か否かを判定する。F3=1ではない場合は、電圧降下が有り発電用空気流量を増量したにも係わらず短絡が解消しない(電圧が回復しない)場合であるので、S39に進み、発電用空気流量の増量を停止する(図15及び図16参照)。なお、F3=1の場合には、既に、電圧回復が有り発電用空気流量の増量は停止されている。   Next, it progresses to S37 and it is determined whether stop mode is complete | finished. If the stop mode is ended, the process proceeds to S38, and it is determined whether or not F3 = 1. If F3 = 1 is not satisfied, the voltage drop occurs and the short circuit is not resolved despite the increase in the power generation air flow rate (the voltage does not recover), so the process proceeds to S39 and the increase in the power generation air flow rate is stopped. (See FIG. 15 and FIG. 16). In the case of F3 = 1, there is already voltage recovery and the increase in the power generation air flow rate is stopped.

このように、本実施形態においては、発電用空気流量を増量したにも係わらず、短絡が解消されず、電圧が回復しない場合には、起動モードを終了する。また、増量していた発電用空気流量を燃料電池セルの正常時の流量に戻すようにしている。   As described above, in this embodiment, when the power generation air flow rate is increased, the start mode is terminated when the short circuit is not eliminated and the voltage does not recover. Further, the increased air flow rate for power generation is returned to the normal flow rate of the fuel cell.

次に、S40に進み、F4=1をセットする。F4=1は、停止モードにおける異常対応制御の実行履歴有りを示すフラグである。   Next, in S40, F4 = 1 is set. F4 = 1 is a flag indicating that there is an execution history of abnormality handling control in the stop mode.

ここで、F4=1とセットされた場合には、燃料電池装置における次に実行される運転の起動モードにおいて、図17に示すように、過去に異常対応制御が実行されているので、S10からS5に進み、起動モード時において、電圧降下の有無や電圧降下量の大小に関係なく、異常対応制御が実行される。この起動モードにおける異常対応制御において、その後の発電モードにおける「最大発電電流」が決定されるようになっている(図18のS25参照)。   Here, when F4 = 1 is set, as shown in FIG. 17, in the startup mode of the operation to be executed next in the fuel cell device, the abnormality handling control has been executed in the past. Proceeding to S5, in the start-up mode, the abnormality handling control is executed regardless of the presence or absence of the voltage drop and the magnitude of the voltage drop amount. In the abnormality handling control in the startup mode, the “maximum generated current” in the subsequent power generation mode is determined (see S25 in FIG. 18).

以上説明したように、本実施形態による燃料電池装置によれば、起動モード又は停止モードにおいて、モジュール電圧の電圧降下量ΔV及び/又は単位時間当たりの電圧降下量ΔV/Δtが所定量降下した場合に燃料電池セルが異常であると判定しているので、負荷追従する燃料電池装置であっても、正確に燃料電池セルの異常を異常を判定することができる。本実施形態によれば、さらに、燃料電池セルの異常を判定した場合に異常対応制御を実行するので、発電性能が低下した燃料電池モジュールに対応した運転を実行することが可能となる。   As described above, according to the fuel cell device according to the present embodiment, when the voltage drop amount ΔV and / or the voltage drop amount per unit time ΔV / Δt drops by a predetermined amount in the start mode or the stop mode. Since it is determined that the fuel cell is abnormal, the abnormality of the fuel cell can be accurately determined even in the fuel cell device that follows the load. Further, according to the present embodiment, when abnormality of the fuel cell is determined, the abnormality handling control is executed, so that it is possible to execute the operation corresponding to the fuel cell module whose power generation performance is reduced.

本実施形態による燃料電池装置によれば、燃料電池モジュールの電圧降下量に応じて、即ち、燃料電池セルの破損の程度に応じて、起動モードから停止モードに移行したり、起動モードを継続するような異なる異常対応制御を実行するようにしているので、その燃料電池セルに適した異常対応制御を実行することができる。   According to the fuel cell device according to the present embodiment, the start mode is shifted to the stop mode or the start mode is continued according to the voltage drop amount of the fuel cell module, that is, according to the degree of damage of the fuel cell. Since such different abnormality handling control is executed, the abnormality handling control suitable for the fuel cell can be executed.

本実施形態による燃料電池装置によれば、起動モード又は停止モードにおいて、燃料電池セルの異常の判定を行った後も継続して燃料電池セルの異常を判定するようにしているので、一旦異常と判定された後にモジュール電圧が回復して異常が解消されるような場合であっても、確実に、燃料電池セルの破損を検出することができる。   According to the fuel cell device according to the present embodiment, the abnormality of the fuel cell is continuously determined even after the determination of the abnormality of the fuel cell in the start mode or the stop mode. Even in the case where the module voltage recovers after the determination and the abnormality is resolved, it is possible to reliably detect the breakage of the fuel cell.

本実施形態による燃料電池装置によれば、異常対応制御として、燃料電池セルの異常を報知して運転を停止させるようにしているので、燃料電池モジュール又は燃料電池セルの修理や交換を使用者らに促すことができる。   According to the fuel cell device according to the present embodiment, as abnormality response control, the abnormality of the fuel cell is notified and the operation is stopped, so that the user can repair or replace the fuel cell module or the fuel cell. Can be encouraged.

本実施形態による燃料電池装置によれば、燃料電池モジュールの電圧降下量が所定値よりも大きい場合、即ち、燃料電池セルの破損の程度が大きい場合には、運転を停止して燃料電池セルの修理や交換を促して発電性能の回復を図ることができ、一方、燃料電池モジュールの電圧降下量が所定値よりも小さい場合、即ち、燃料電池セルの破損の程度が小さい場合には、わずかに性能低下しながらも、発電を行うことができる。   According to the fuel cell device according to the present embodiment, when the voltage drop amount of the fuel cell module is larger than a predetermined value, that is, when the degree of damage of the fuel cell is large, the operation is stopped and the fuel cell cell If the amount of voltage drop of the fuel cell module is smaller than a predetermined value, that is, if the degree of damage of the fuel cell is small, the power generation performance can be restored by prompting repair or replacement. Power generation can be performed while the performance is reduced.

本実施形態による燃料電池装置によれば、燃料電池モジュールの電圧降下量が所定値よりも小さく運転を継続する場合は、その後に実行される発電モード(停止モードにおいて燃料電池セルが異常であると判定された場合には、燃料電池装置の次の運転における起動モード後の「発電モード」を意味する)における最大発電量を燃料電池セルが正常な場合の最大発電量よりも下げるようにしたので、発電により生じる更なる燃料電池セルへのダメージを軽減することができる。   According to the fuel cell device according to the present embodiment, when the voltage drop amount of the fuel cell module is smaller than the predetermined value and the operation is continued, the power generation mode executed after that (the fuel cell is abnormal in the stop mode) If it is determined, the maximum power generation amount in the next operation of the fuel cell device (which means “power generation mode” after the start-up mode) is made lower than the maximum power generation amount when the fuel cell is normal. Further, damage to the fuel battery cell caused by power generation can be reduced.

本実形態による燃料電池装置においては、異常対応制御において、反応ガスである燃料ガス又は発電用空気の供給量を燃料電池セルが正常な時の供給量よりも増量させるようにしたので、この増加した反応ガスにより、燃料電池セル間を短絡している剥離片等を吹き飛ばし、短絡解消及び電圧回復を図ることができる。   In the fuel cell device according to the present embodiment, the supply amount of the fuel gas that is the reaction gas or the air for power generation is increased from the supply amount when the fuel cell is normal in the abnormality response control. By using the reacted gas, it is possible to blow away peeling pieces and the like that are short-circuited between the fuel battery cells, thereby eliminating the short-circuit and recovering the voltage.

1 燃料電池装置
4 燃料電池セル
5 改質器
30 燃料電池セルユニット
90 燃料電池セルスタック
102 燃料電池モジュール
104 補機ユニット
110 剥離片
124 水供給源
128 水供給ユニット
130 燃料供給源
138 燃料流量供給ユニット
140 空気供給源
144 空気流量調整ユニット
154 インバータ
210 制御部
214 表示装置
216 報知装置
226 電力状態検出センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell apparatus 4 Fuel cell 5 Reformer 30 Fuel cell unit 90 Fuel cell stack 102 Fuel cell module 104 Auxiliary unit 110 Separation piece 124 Water supply source 128 Water supply unit 130 Fuel supply source 138 Fuel flow rate supply unit 140 Air supply source 144 Air flow rate adjustment unit 154 Inverter 210 Control unit 214 Display device 216 Notification device 226 Power state detection sensor

Claims (7)

負荷追従して発電量を変更することができる燃料電池装置において、
内側の電極層と、外側の電極層と、内側の電極層と外側の電極層の間に配置された電解質層とを有する固体酸化物形の複数の燃料電池セルがそれぞれ隣接して配置された燃料電池モジュールと、
発電反応に使用される反応ガスを上記燃料電池セルに供給する反応ガス供給手段と、
上記燃料電池モジュールにて発生するモジュール電圧を検出する電圧検出手段と、
上記反応ガス供給手段により上記燃料電池セルへ供給する反応ガスの供給量を制御しながら所定電力の発電が可能な発電開始温度まで上記燃料電池セルを昇温させる起動モード、この起動モードの実行後に負荷追従しながら上記燃料電池モジュールより電力を出力する発電モードを実行する制御手段と、を有し、
上記制御手段は、上記起動モードにおいて、無負荷で上記モジュール電圧の値が上昇している状態で、上記モジュール電圧の電圧降下が生じた場合、このモジュール電圧の電圧降下量が電圧降下が生じた直前のモジュール電圧から算出された値よりも大であれば、上記燃料電池セルが異常であると判定して異常対応制御を実行することを特徴とする燃料電池装置。
In the fuel cell device that can change the power generation amount following the load,
A plurality of solid oxide fuel cells each having an inner electrode layer, an outer electrode layer, and an electrolyte layer disposed between the inner electrode layer and the outer electrode layer are disposed adjacent to each other. A fuel cell module;
A reaction gas supply means for supplying a reaction gas used for a power generation reaction to the fuel cell;
Voltage detection means for detecting a module voltage generated in the fuel cell module;
An activation mode in which the temperature of the fuel cell is raised to a power generation start temperature at which predetermined power can be generated while controlling the amount of reaction gas supplied to the fuel cell by the reaction gas supply means; Control means for executing a power generation mode for outputting electric power from the fuel cell module while following the load,
In the start-up mode, when the voltage drop of the module voltage occurs in the state in which the value of the module voltage is increased with no load in the startup mode, the voltage drop amount of the module voltage has occurred. A fuel cell device characterized in that if the value is greater than a value calculated from the immediately preceding module voltage , the fuel cell is determined to be abnormal, and abnormality response control is executed.
上記制御手段は、上記燃料電池モジュールの電圧降下量に応じて、異なる異常対応制御を実行する請求項1に記載の燃料電池装置。   2. The fuel cell device according to claim 1, wherein the control unit executes different abnormality response control according to a voltage drop amount of the fuel cell module. 上記制御手段は、上記起動モードにおいて、上記燃料電池セルの異常の判定を行った後も継続して上記燃料電池セルの異常を判定する請求項1又は請求項2に記載の燃料電池装置。   3. The fuel cell device according to claim 1, wherein the control unit continuously determines the abnormality of the fuel cell after the determination of the abnormality of the fuel cell in the startup mode. 4. 上記制御手段による異常対応制御は、上記燃料電池セルの異常を報知して運転を停止させることである請求項1乃至3の何れか1項に記載の燃料電池装置。   The fuel cell apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the abnormality handling control by the control means is to notify the abnormality of the fuel cell and stop the operation. 上記制御手段による異常対応制御は、上記燃料電池モジュールの電圧降下量が所定値よりも大きい場合は運転を停止し、上記所定値よりも小さい場合は運転を継続する請求項1乃至4の何れか1項に記載の燃料電池装置。   5. The abnormality response control by the control means stops the operation when the voltage drop amount of the fuel cell module is larger than a predetermined value, and continues the operation when the voltage drop amount is smaller than the predetermined value. 2. The fuel cell device according to item 1. 上記制御手段は、上記燃料電池モジュールの電圧降下量が上記所定値よりも小さく運転を継続する場合は、その後に実行される上記発電モードにおける最大発電量を上記燃料電池セルが正常な場合の最大発電量よりも下げるようにした請求項5に記載の燃料電池装置。   When the voltage drop amount of the fuel cell module is smaller than the predetermined value and the operation is continued, the control means sets the maximum power generation amount in the power generation mode to be executed thereafter to the maximum when the fuel cell is normal. The fuel cell device according to claim 5, wherein the fuel cell device is lower than the power generation amount. 上記制御手段の異常対応制御は、上記反応ガスの供給量を上記燃料電池セルが正常な時の供給量よりも増量させるようにしたものである請求項1に記載の燃料電池装置。   2. The fuel cell apparatus according to claim 1, wherein the abnormality response control of the control means is configured to increase the supply amount of the reaction gas from a supply amount when the fuel cell is normal. 3.
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