JP4969284B2

JP4969284B2 - Solid oxide fuel cell

Info

Publication number: JP4969284B2
Application number: JP2007082442A
Authority: JP
Inventors: 高志重久
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2024-09-16
Also published as: JP2007242626A

Description

本発明は、ハウジング内に点火ヒーターを具備し、起動時に発電に使用されなかったガスに点火する固体酸化物形燃料電池に関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell that includes an ignition heater in a housing and ignites a gas that has not been used for power generation during startup.

従来の固体酸化物形燃料電池として、発電室を規定するハウジングと、このハウジング内に配設された燃料電池セルとを含む燃料電池が知られている。かかる燃料電池には、燃料電池セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段、セルに空気を供給するための空気供給手段、発電反応に用いられなかった燃料ガスが燃焼して発生する燃焼ガスを排出するための燃焼ガス排出手段も付設されている。 As a conventional solid oxide fuel cell, a fuel cell including a housing defining a power generation chamber and fuel cells arranged in the housing is known. Such a fuel cell includes a fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel cell, an air supply means for supplying air to the cell, and a combustion generated by burning fuel gas that has not been used in the power generation reaction. Combustion gas discharge means for discharging gas is also provided.

燃料電池の起動の際に燃焼させるためには、燃料ガスと空気だけでなく、着火源が必要となる（例えば、特許文献１参照）。従来、着火源として、点火プラグやニクロム線等の金属系ヒーターなどが用いられていた。
特開２００３−２４９２５６号公報 In order to make it burn at the time of starting of a fuel cell, not only fuel gas and air but an ignition source is needed (for example, refer to patent documents 1). Conventionally, metal heaters such as spark plugs and nichrome wires have been used as ignition sources.
JP 2003-249256 A

起動工程では、一旦ヒーターなどで点火したとしても、失火する虞があった。
The activation step, even if ignited, such as single Dan heater, there is a risk of misfire.

本発明は、起動工程における失火を抑制することができる固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the solid oxide fuel cell which can suppress misfire in a starting process.

本発明の固体酸化物形燃料電池は、ハウジング内に、空気及び水のうち少なくとも一種と被改質ガスとが供給されて前記被改質ガスを燃料ガスに改質する改質ケースと、前記改質ケースからの燃料ガスと空気が供給されて発電する燃料電池セルと、前記改質ケースを
通過し起動時に発電に使用されなかったガスに点火するための点火ヒーターとを具備してなるとともに、前記点火ヒーターは、前記空気及び水のうち少なくとも一種の前記改質ケースへの供給量を変更する前に、電源がＯＮとされ、前記点火ヒーター動作中に、前記空気及び水のうち少なくとも一種の前記改質ケースへの供給量が変更されることを特徴とする。
A solid oxide fuel cell of the present invention includes a reforming case in which at least one of air and water and a gas to be reformed are supplied into a housing to reform the gas to be reformed into a fuel gas ; and comprising: a fuel cell fuel gas and air from the Kiaratameshitsu case for power generation is supplied, an ignition heater for igniting before passing through the Kiaratameshitsu case gas not used in the power generation startup together becomes, the ignition heater, before changing the feed to the reforming case of at least one of the air and water, power is the oN, in the ignition heater operation, of the air and water The supply amount to at least one kind of the reforming case is changed .

また、前記空気及び水のうち少なくとも一種の前記改質ケースへの供給量を変更する工程は、部分酸化改質工程、オートサーマル改質（ＡＴＲ）工程、水蒸気改質（ＳＲ）工程で行われることを特徴とする。
The step of changing the supply amount to at least one of the reforming case of the air and water takes place in the partial oxidation reforming process, autothermal reforming (ATR) process, steam reforming (SR) process It is characterized by that .

また、本発明の固体酸化物形燃料電池は、前記点火ヒーターは、電源がＯＮとされてから所定時間経過後に停止することを特徴とする。
In the solid oxide fuel cell of the present invention, the ignition heater is stopped after a predetermined time has elapsed since the power was turned on .

本発明の固体酸化物形燃料電池では、起動工程における失火を抑制でき、起動工程で発電に使用されなかったガスを継続して燃焼させることができる。 In the solid oxide fuel cell of the present invention can suppress misfire in start step, it can be combusted to continue not used for power generation in the startup process gas.

以下、先ず、本発明の固体酸化物形燃料電池に用いられる燃料電池組立体の一例を図１、２及び図３を参照して説明する。図示の燃料電池組立体は略直方体形状のハウジング２を具備している。このハウジング２の６個の壁面の外面には適宜の断熱材から形成された断熱壁（遮熱部材）、即ち上断熱壁４、下断熱壁６、右側断熱壁８、左側断熱壁９、前断熱壁１０及び後断熱壁１１が配設されている。ハウジング２内には発電・燃焼室１２が規定されている。 Hereinafter, an example of a fuel cell assembly used in the solid oxide fuel cell of the present invention will be described with reference to FIGS. The illustrated fuel cell assembly includes a housing 2 having a substantially rectangular parallelepiped shape. The outer surface of the six wall surfaces of the housing 2 is a heat insulating wall (heat insulating member) formed of an appropriate heat insulating material, that is, the upper heat insulating wall 4, the lower heat insulating wall 6, the right heat insulating wall 8, the left heat insulating wall 9, and the front A heat insulating wall 10 and a rear heat insulating wall 11 are provided. A power generation / combustion chamber 12 is defined in the housing 2.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ハウジング２の６個の壁面の外面に形成された断熱壁４、６、８、９、１０、１１は、アルミナ／シリカ系の汎用断熱材から形成されており、セル集合体を取り囲むように形成された蓄熱壁４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ、４４ｅ、４４ｆは、密度が前記断熱材４、６、８、９、１０、１１より大きいアルミナ純度の高い断熱材から形成されている。断熱壁４、６、８、９、１０、１１と蓄熱壁４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ、４４ｅ、４４ｆは同一材料から形成されていても良いが、蓄熱材の密度は断熱材よりも大きいことが望ましい。断熱壁４、６、８、９、１０、１１の密度は０．２６ｇ／ｃｍ^３以下、蓄熱壁４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ、４４ｅ、４４ｆの密度は０．３２ｇ／ｃｍ^３以下で、両者の熱伝導率は０．１〜０．４Ｗ／（ｍ・Ｋ）であることが望ましい。 The heat insulating walls 4, 6, 8, 9, 10, and 11 formed on the outer surface of the six wall surfaces of the housing 2 are formed of an alumina / silica general-purpose heat insulating material so as to surround the cell assembly. The heat storage walls 44 a, 44 b, 44 c, 44 d, 44 e, 44 f are formed from a heat insulating material having a higher alumina purity than the heat insulating materials 4, 6, 8, 9, 10, 11. The heat insulating walls 4, 6, 8, 9, 10, 11 and the heat storage walls 44a, 44b, 44c, 44d, 44e, 44f may be formed of the same material, but the density of the heat storage material is larger than that of the heat insulating material. Is desirable. The heat insulating walls 4, 6, 8, 9, 10, 11 have a density of 0.26 g / cm ³ or less, and the heat storage walls 44a, 44b, 44c, 44d, 44e, 44f have a density of 0.32 g / cm ³ or less. The thermal conductivity of is preferably 0.1 to 0.4 W / (m · K).

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

燃料極層６６は多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアと称されている）とＮｉ及び／又はＮｉＯとから形成することができる。 The fuel electrode layer 66 can be formed of a porous conductive ceramic, for example, ZrO ₂ (referred to as stabilized zirconia) in which a rare earth element is dissolved and Ni and / or NiO.

固体電解質層６８は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと空気とのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ_２から形成されている。 The solid electrolyte layer 68 has a function as an electrolyte for bridging electrons between electrodes, and at the same time needs to have a gas barrier property in order to prevent leakage between fuel gas and air. In general, it is formed from ZrO ₂ in which ₃ to 15 mol% of a rare earth element is dissolved.

酸素極層７０は所謂ＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックから形成することができる。酸素極層７０はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。 The oxygen electrode layer 70 can be formed of a conductive ceramic made of a so-called ABO ₃ type perovskite oxide. The oxygen electrode layer 70 is required to have gas permeability, and the open porosity is preferably 20% or more, particularly preferably in the range of 30 to 50%.

インターコネクタ７２は導電性セラミックから形成することができるが、水素ガスでよい燃料ガス及び空気と接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、このためにランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）が好適に使用される。インターコネクタ７２は電極支持基板６４に形成された燃料ガス通路７４を通る燃料ガス及び電極支持基板６４の外側を流動する空気のリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが望まれる。 Although the interconnector 72 can be formed from a conductive ceramic, it needs to have a reduction resistance and an oxidation resistance in order to come into contact with a fuel gas and air that may be hydrogen gas. A perovskite oxide (LaCrO ₃ oxide) is preferably used. The interconnector 72 must be dense in order to prevent leakage of fuel gas passing through the fuel gas passage 74 formed in the electrode support substrate 64 and air flowing outside the electrode support substrate 64, and is 93% or more. In particular, it is desired to have a relative density of 95% or more.

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

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

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

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

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

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

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

セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの各々においては、酸素極において、
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質）
の電極反応が生成され、燃料極において、
Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
の電極反応が生成されて発電される。 In each of the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d, at the oxygen electrode,
1 / 2O ₂ + 2e ⁻ → O ²⁻ (solid electrolyte)
The electrode reaction of
O ²⁻ (solid electrolyte) + H ₂ → H ₂ O + 2e ⁻
The electrode reaction is generated and power is generated.

発電に使用されることなくセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄから上方に流動した燃料ガス及び空気は、起動時に発電・燃焼室１２内に配設されている点火手段（図示していない）によって点火されて燃焼される。周知の如く、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄにおける発電に起因して、そしてまた燃料ガスと空気との燃焼に起因して発電・燃焼室１２内は例えば１０００℃程度の高温になる。改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄは発電・燃焼室１２内に配設され、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの直ぐ上方に位置せしめられており、燃焼炎によって直接的にも加熱され、かくして発電・燃焼室１２内に生成される高温が被改質ガスの改質に効果的に利用される。 Fuel gas and air that have flown upward from the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d without being used for power generation are ignited by an ignition means (not shown) disposed in the power generation / combustion chamber 12 at the time of startup. It is ignited and burned. As is well known, the power generation / combustion chamber 12 has a high temperature of, for example, about 1000 ° C. due to power generation in the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d, and also due to combustion of fuel gas and air. The reforming cases 78a, 78b, 78c and 78d are disposed in the power generation / combustion chamber 12, and are positioned immediately above the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d, and are directly heated by the combustion flame. Thus, the high temperature generated in the power generation / combustion chamber 12 is effectively used for reforming the reformed gas.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

以上、添付図面を参照して本発明の好適実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能であることは多言するまでもない。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to such embodiments, and various modifications and corrections can be made without departing from the scope of the present invention. It goes without saying that this is possible.

例えば、セルスタックの上方に特定の改質ケースを備えた燃料電池組立体に関連せしめて本発明を説明したが、改質ケースがセルスタックの上方以外の場合でも、本発明を適用することが出来る。また、改質ケースをハウジング内に設けない場合であっても良い。 For example, the present invention has been described in relation to a fuel cell assembly having a specific reforming case above the cell stack. However, the present invention can be applied even when the reforming case is not located above the cell stack. I can do it. Moreover, the case where a reforming case is not provided in a housing may be sufficient.

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

また、上記形態では、空気室に低温ガス供給手段を設けた例について説明したが、燃料ガス室に低温ガス供給手段を設け、燃料ガスにより燃料電池セルを冷却するようにしてもよいことは勿論である。 Further, in the above embodiment, an example in which the low temperature gas supply means is provided in the air chamber has been described. However, it is of course possible to provide the low temperature gas supply means in the fuel gas chamber and cool the fuel cell with the fuel gas. It is.

以下、本発明の固体酸化物形燃料電池の運転方法について、図６のフローチャートを基に説明する。 Hereinafter, the operation method of the solid oxide fuel cell of the present invention will be described based on the flowchart of FIG.

先ず、システムの初期化を行い（ｎ−１）、初期異常有無の確認を行う（ｎ−２）。異常があった場合には、非常停止する（ｎ−３）。 First, the system is initialized (n-1) and the presence or absence of an initial abnormality is confirmed (n-2). When there is an abnormality, the emergency stop is performed (n-3).

システム構成部材の初期異常がない場合、ブロワーを起動させ（ｎ−４）、流量モニターで流量を監視しながら、所定流量の空気を空気導入管２２を介して収納容器２内に供給する。 When there is no initial abnormality of the system components, the blower is started (n-4), and a predetermined flow rate of air is supplied into the storage container 2 through the air introduction pipe 22 while monitoring the flow rate with the flow rate monitor.

この後、点火（着火）ヒーターの電源をＯＮし、ヒーターを起動させる（ｎ−５）。この動作により、燃料電池セル上方から排出される余剰の燃料ガスの着火準備を行う。 Thereafter, the ignition (ignition) heater is turned on to start the heater (n-5). By this operation, preparation for ignition of surplus fuel gas discharged from above the fuel cell is performed.

点火ヒーターの電源を入れてもすぐに温度が上昇しないため、着火までの間、１分以上経過したか確認する（ｎ−６）。１分以上経過した後、被改質ガス（都市ガス）供給管のガス電磁弁に電源を入れ、バルブを開き、都市ガスを流す準備を行う（ｎ−７）。都市ガスの流量制御装置に流量設定信号を送り、都市ガスを供給する（ｎ−８）。この後、空気電磁弁の電源をＯＮし、バルブを開き、改質ケースに空気を流す準備を行う（ｎ−９）。空気ポンプの電源をＯＮし、ポンプを駆動させ、空気を流す準備を行う（ｎ−１０）。空気の流量を設定し（ｎ−１１）、空気を改質ケースに供給する。 Since the temperature does not rise immediately even when the ignition heater is turned on, it is confirmed whether or not one minute or more has elapsed until ignition (n-6). After 1 minute or more has elapsed, power is turned on to the gas solenoid valve of the reformed gas (city gas) supply pipe, and the valve is opened to prepare for flowing city gas (n-7). A flow rate setting signal is sent to the city gas flow control device to supply city gas (n-8). Thereafter, the power of the air solenoid valve is turned on, the valve is opened, and preparations are made to flow air through the reforming case (n-9). The power of the air pump is turned on, the pump is driven, and preparations for flowing air are made (n-10). The flow rate of air is set (n-11), and air is supplied to the reforming case.

着火確認を確認する（ｎ−１２）。ガスを流し終わった後、所定時間１０秒経過後、熱電対温度（燃焼温度）の温度を確認し、１００℃以上であった場合は、着火したとする。着火していない場合は、起動に戻る。 Confirm the ignition confirmation (n-12). After the gas flow is finished, the temperature of the thermocouple temperature (combustion temperature) is checked after a lapse of 10 seconds, and if it is 100 ° C. or higher, it is assumed that ignition has occurred. If it is not ignited, return to startup.

この後、点火ヒーターの電源をＯＦＦにして、ヒーターを停止する（ｎ−１３）。 Thereafter, the ignition heater is turned off and the heater is stopped (n-13).

部分酸化改質（燃料と空気）からＡＴＲ（自己熱改質）（燃料と空気と水）へ進んでよいか確認を行う（ｎ−１４）。熱電対の計測温度、例えばモジュール温度（発電部温度）、改質入口温度がそれぞれ２００、６５０℃以上になった場合に次のステップへとすすむ。 It is confirmed whether it is possible to proceed from partial oxidation reforming (fuel and air) to ATR (autothermal reforming) (fuel, air and water) (n-14). When the measured temperature of the thermocouple, for example, the module temperature (power generation unit temperature) and the reforming inlet temperature are 200 ° C. and 650 ° C. or higher, the process proceeds to the next step.

この後、点火ヒーターを起動する（ｎ−１５）。点火ヒーターの電源をＯＮし、ヒーターを起動させる。ガスの流量を変更するので再度、着火する。点火ヒーターは５分間動作させ、その後、停止させる。 Thereafter, the ignition heater is started (n-15). Turn on the ignition heater and start the heater. Re-ignite again because the gas flow rate is changed. The ignition heater is operated for 5 minutes and then stopped.

点火ヒーター動作中に、改質ケースに供給する水の流量変更を行い、水ポンプにて水を流す（ｎ−１６）。ＡＴＲ（自己熱改質）（燃料と空気と水）から移行区間へ進んでよいか確認を行う（ｎ−１７）。熱電対の計測温度、例えば、モジュール温度、改質出口温度がそれぞれ３００、５５０℃以上になった場合に次のステップへとすすむ。 During the operation of the ignition heater, the flow rate of the water supplied to the reforming case is changed, and the water is flowed by the water pump (n-16). It is confirmed whether or not it is possible to proceed from ATR (autothermal reforming) (fuel, air, and water) to the transition zone (n-17). When the measured temperature of the thermocouple, for example, the module temperature and the reforming outlet temperature are 300 ° C. and 550 ° C. or higher, the process proceeds to the next step.

点火ヒーターの電源をＯＮし、ヒーターを起動させる（ｎ−１８）。ガスの流量を変更するので再度、着火する。点火ヒーターは５分間動作させ、その後、停止させる。点火ヒーター動作中に水と空気の流量変更を行う。即ち、水ポンプの流量が一定になるように設定し、水を流す（ｎ−１９）。空気の流量を制御設定し、空気を流す（ｎ−２０）。 The ignition heater is turned on to start the heater (n-18). Re-ignite again because the gas flow rate is changed. The ignition heater is operated for 5 minutes and then stopped. Change the flow rate of water and air while the ignition heater is operating. That is, the flow rate of the water pump is set to be constant, and water is supplied (n-19). The air flow rate is controlled and air is supplied (n-20).

移行区間からＳＲ（スチームリフォーム）へ進んでよいか確認を行う（ｎ−２１）。熱電対の計測温度、例えばモジュール温度、改質出口温度がそれぞれ４００、５５０℃以上になった場合に次のステップへとすすむ。 It is confirmed whether it is allowed to proceed from the transition section to SR (steam reform) (n-21). When the measured temperature of the thermocouple, for example, the module temperature and the reforming outlet temperature become 400 or 550 ° C. or more, the next step is started.

次に点火ヒーターの電源をＯＮし、ヒーターを起動させる（ｎ−２２）。ガスの流量を変更するので再度、着火する。点火ヒーターは５分間動作させ、その後、停止させる。 Next, the ignition heater is turned on to start the heater (n-22). Re-ignite again because the gas flow rate is changed. The ignition heater is operated for 5 minutes and then stopped.

点火ヒーター動作中に（ｎ−２３）〜（ｎ−２６）にて水の流量変更を行い、空気を停止させる。即ち、水ポンプを、水の流量が所定量になるように設定し、水を流す（ｎ−２３）。 During the operation of the ignition heater, the flow rate of water is changed at (n-23) to (n-26) to stop the air. That is, the water pump is set so that the flow rate of water becomes a predetermined amount, and water is allowed to flow (n-23).

空気流量制御の設定を０にし、電源をＯＦＦする（ｎ−２４）。この後、空気ポンプの電源をＯＦＦし、ポンプを停止させる（ｎ−２５）。空気電磁弁の電源をＯＦＦし、バルブを閉じる（ｎ−２６）。 Set the air flow rate control to 0 and turn off the power (n-24). Thereafter, the power of the air pump is turned off and the pump is stopped (n-25). The power of the air solenoid valve is turned off and the valve is closed (n-26).

移行区間からＳＲ（スチームリフォーム）へ進んでよいか確認を行う。熱電対の計測温度、例えば、モジュール温度（発電部温度：発電ユニット５６ｂ、５６ｃ間の温度）、改質出口温度がそれぞれ６５０、５５０℃以上になった場合に次のステップへとすすむ。 Confirm whether it is OK to proceed to SR (Steam Reform) from the transition section. When the measured temperature of the thermocouple, for example, the module temperature (power generation unit temperature: temperature between the power generation units 56b and 56c) and the reforming outlet temperature are 650 or 550 ° C. or more, the next step is started.

このようにして固体電解質形燃料電池が起動され、定常運転される。そして、運転停止時における動作は、まず、燃料電池から負荷への出力を停止し、次に被改質ガスおよび酸素含有ガスの燃料電池への供給を停止する。安全装置やセンサー類は動作させたままでもよい。停止の開始は、停止スイッチ、あるいは制御部の判断により移行する。停止については、動作温度からガス供給を停止する温度までは、微量の燃料ガスと水蒸気を供給する。その後はシャットダウンを行ってもよい。酸素含有ガスは燃料電池のガスパージの役割も担うので数分程度供給した後に停止してもよい。これにより無駄な燃料ガス、動作時の消費電力を低減することが可能となる。このときにすべてを停止するシャットダウンを行ってもよい。 In this way, the solid oxide fuel cell is started and is steadily operated. When the operation is stopped, first, output from the fuel cell to the load is stopped, and then supply of the reformed gas and oxygen-containing gas to the fuel cell is stopped. Safety devices and sensors may remain active. The start of the stop is shifted by the determination of the stop switch or the control unit. For stopping, a very small amount of fuel gas and water vapor are supplied from the operating temperature to the temperature at which the gas supply is stopped. Thereafter, shutdown may be performed. Since the oxygen-containing gas also serves as a gas purge for the fuel cell, it may be stopped after being supplied for several minutes. This makes it possible to reduce wasteful fuel gas and power consumption during operation. At this time, a shutdown may be performed to stop everything.

この後、起動を開始する。例えば、夜間は電力消費量が少ないため発電を停止、朝方起動させる場合である。このように、停止後再起動する場合には、再起動時の発電部の温度が室温よりも高い温度、例えば３００℃以上であることが望ましい。言い換えれば、発電時における発電部の温度の４０％以上の温度であることが望ましい。これは、発電時の発電部の熱エネルギーが残存している状態で、再起動時には、発電部の温度が高いほど、即ち、発電部に残存している熱エネルギーが多く残っている状態で再起動することが望ましい。この場合には、起動を迅速に行うことができる。 After that, start-up is started. For example, this is a case where power generation is stopped at night and power generation is stopped and started in the morning. Thus, when restarting after a stop, it is desirable that the temperature of the power generation unit at the time of restarting is higher than room temperature, for example, 300 ° C. or higher. In other words, the temperature is preferably 40% or more of the temperature of the power generation unit during power generation. This is a state in which the thermal energy of the power generation unit remains at the time of power generation. At the time of restart, the higher the temperature of the power generation unit, that is, the more heat energy remaining in the power generation unit. It is desirable to start. In this case, activation can be performed quickly.

上記した固体酸化物形燃料電池では、断熱壁、蓄熱壁によりハウジング内に熱を有効に閉じ込めることができ、発電時における発電部の温度の４０％の温度になるまでの時間が６時間以上と長くできる。言い換えれば、発電部に長時間熱エネルギーを残存させることができるため、停止後の再起動を迅速に行うことができる。 In the solid oxide fuel cell described above, heat can be effectively confined in the housing by the heat insulating wall and the heat storage wall, and the time until the temperature reaches 40% of the temperature of the power generation unit during power generation is 6 hours or more. Can be long. In other words, since heat energy can remain in the power generation unit for a long time, restart after stopping can be performed quickly.

即ち、出力停止後、断熱壁、蓄熱壁によりハウジング内に熱を有効に閉じ込めることができるため、ハウジング内の温度が下がりにくい。この特性を利用して、あえて無理に室温までの冷却を行わせない。従来では、ブロワーなどで冷却を行わせるが、この形態では、冷却しない。このように室温までの冷却を行わないために次回起動時には燃料電池の温度あるいは改質部の温度は十分に高いままである。このため、運転起動時における動作は、発電部の温度または／かつ改質部の温度に応じて室温からの起動シーケンスの一部を省略または迅速なステップアップを行う。 That is, after the output is stopped, heat can be effectively confined in the housing by the heat insulating wall and the heat storage wall, so that the temperature in the housing is not easily lowered. Utilizing this characteristic, it is not possible to force cooling to room temperature. Conventionally, cooling is performed by a blower or the like, but in this form, cooling is not performed. Thus, since the cooling to room temperature is not performed, the temperature of the fuel cell or the temperature of the reforming portion remains sufficiently high at the next start-up. For this reason, in the operation at the time of starting operation, a part of the starting sequence from room temperature is omitted or rapidly stepped up according to the temperature of the power generation unit and / or the temperature of the reforming unit.

つまり、発電部の温度または／かつ改質部の温度を判断し、起動時のシーケンスの途中から進めてもよいし、室温からの手順通りに進んでもよいが、シーケンスの判断を温度によって規定することで、次々に次のステップに進むことができる。このため従来の室温からの起動に対して短時間で電池出力を行うことができる。 In other words, the temperature of the power generation unit and / or the temperature of the reforming unit may be determined, and may be advanced from the middle of the startup sequence, or may be performed according to the procedure from room temperature. Thus, it is possible to proceed to the next step one after another. For this reason, a battery output can be performed in a short time with respect to the starting from the conventional room temperature.

このように行うことでいろいろな起動停止方法に対応することが可能となった。例えば、従来ではできないとされていたＤＳＳ運転もエネルギーのロスをすることなく対応することが可能となった。ここで、デイリースタートスタップ（ＤＳＳ運転）とは一日一回起動と停止を行う運転方法であり、例えば朝に起動し、日中と夜に運転（発電）し、深夜に停止させる運転方法である。 By doing in this way, it became possible to cope with various start and stop methods. For example, it has become possible to cope with DSS operation, which has been impossible in the past, without losing energy. Here, the daily start tap (DSS operation) is an operation method of starting and stopping once a day, for example, starting in the morning, driving (power generation) during the day and night, and stopping at midnight. is there.

また、上記形態では、学習機能を有し、負荷の過去のデータから停止起動時間を割り出し、自動的に停止起動を行うこと、タイマー機能を有し、任意設定時間に停止、起動を行うこと、停止、起動スイッチにより、停止、起動を行うこと、固体酸化物形燃料電池から外部負荷への電力供給が一定以下の状態が一定時間以上継続した場合に自動的に前記固体酸化物形燃料電池の停止動作を行うとともに、系統電力から外部負荷への電力供給が一定以上の状態が一定時間以上継続した場合に自動的に前記固体酸化物形燃料電池の起動動作を行うこともできる。 Further, in the above form, having a learning function, determining the stop activation time from the past data of the load, automatically performing the stop activation, having a timer function, performing the suspension and activation at an arbitrarily set time, When the power supply from the solid oxide fuel cell to the external load continues for a certain period of time or longer, the solid oxide fuel cell is automatically activated. In addition to performing the stop operation, the solid oxide fuel cell can be automatically started when the power supply from the grid power to the external load continues for a certain time or longer.

本発明の固体電解質形燃料電池を示す断面図。Sectional drawing which shows the solid electrolyte form fuel cell of this invention. 図１の燃料電池の平面図。The top view of the fuel cell of FIG. 図１の燃料電池の発電ユニットを示す斜視図。The perspective view which shows the electric power generation unit of the fuel cell of FIG. 図１の燃料電池のセルスタックを示す斜視図。The perspective view which shows the cell stack of the fuel cell of FIG. セルスタックを示す断面図。Sectional drawing which shows a cell stack. 本発明の固体酸化物形燃料電池の運転方法を示すフローチャート。The flowchart which shows the operating method of the solid oxide fuel cell of this invention.

Explanation of symbols

２：ハウジング
１２：発電・燃焼室
１６：空気室（ガス室）
１８：低温ガス供給管
２２：空気導入管（ガス供給管）
２４：熱交換器
５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄ：発電ユニット
５８ａ、５８ｂ、５８ｃ及び５８ｄ：燃料ガスケース
６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄ：セルスタック
６２：燃料電池セル
７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ：改質ケース 2: Housing 12: Power generation / combustion chamber 16: Air chamber (gas chamber)
18: Low-temperature gas supply pipe 22: Air introduction pipe (gas supply pipe)
24: heat exchangers 56a, 56b, 56c and 56d: power generation units 58a, 58b, 58c and 58d: fuel gas cases 60a, 60b, 60c and 60d: cell stack 62: fuel cell 78a, 78b, 78c and 78d: modified Quality case

Claims

In the housing, the fuel gas and air of air and at least one and a reforming target gas is supplied the reforming target gas out of the water and the reforming case for reforming the fuel gas, before Kiaratameshitsu case a fuel cell which generates electric power is supplied, together with formed by including an ignition heater for igniting the gas not used in the power generation before passing through the Kiaratameshitsu case startup, the ignition heater, the air and Before changing the supply amount to the reforming case of at least one kind of water, the power is turned on, and the supply amount to the reforming case of at least one of the air and water during the operation of the ignition heater Is a solid oxide fuel cell, wherein

Step of changing the supply amount to the reforming case of at least one of the air and water, the partial oxidation reforming process, autothermal reforming (ATR) process, to be performed in the steam reforming (SR) process 2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein

3. The solid oxide fuel cell according to claim 1 , wherein the ignition heater is stopped after a predetermined time has elapsed since the power was turned on .