JP5585931B2 - Solid oxide fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、固体電解質型燃料電池に係わり、特に、要求電力に応じた可変の電力を発電する固体電解質型燃料電池に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell, and more particularly to a solid oxide fuel cell that generates variable power according to required power.

近年、次世代エネルギーとして、燃料(水素ガス)と空気とを用いて発電して電力を得ることができる燃料電池と、この燃料電池を稼働するための補機類とを備えた燃料電池装置が種々提案されている。
特開平7−307163号公報(特許文献1)には、燃料電池発電装置が記載されている。この燃料電池は、発電する電力が負荷に応じて変更されるように構成されている。
In recent years, as a next-generation energy, a fuel cell device provided with a fuel cell that can generate electric power using fuel (hydrogen gas) and air and auxiliary equipment for operating the fuel cell Various proposals have been made.
Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-307163 (Patent Document 1) describes a fuel cell power generator. This fuel cell is configured such that the electric power to be generated is changed according to the load.

ここで、図11を参照して、燃料電池を使用した電力供給システムを説明する。図11は、燃料電池を使用して住宅に電力を供給する従来のシステムの一例を示している。このシステムにおいては、住宅200で消費される電力は、燃料電池202及び系統電力204により賄われている。通常、住宅において消費される最大の消費電力は、燃料電池202で発電可能な最大定格電力よりも大きいので、燃料電池202を利用する住宅200においても系統電力204からその不足分が補われ、住宅には燃料電池202及び系統電力204から電力が供給される。さらに、燃料電池202による発電電力が系統電力204へ逆潮流することがないよう、住宅における消費電力が燃料電池202の最大定格電力を下回っている場合においても、一般に、住宅200の消費電力のうちの一部が系統電力204から供給されるようになっている。   Here, a power supply system using a fuel cell will be described with reference to FIG. FIG. 11 shows an example of a conventional system for supplying power to a house using a fuel cell. In this system, the power consumed in the house 200 is covered by the fuel cell 202 and the system power 204. Normally, the maximum power consumption consumed in a house is larger than the maximum rated power that can be generated by the fuel cell 202. Therefore, even in the house 200 that uses the fuel cell 202, the shortage is compensated for by the grid power 204. Is supplied with power from the fuel cell 202 and the system power 204. Furthermore, in order to prevent the power generated by the fuel cell 202 from flowing backward to the grid power 204, generally, even when the power consumption in the house is lower than the maximum rated power of the fuel cell 202, Is supplied from the system power 204.

系統電力204は、送電線から送られた電力の電圧をカレントトランス206を介して低下させて供給される。燃料電池202は、住宅200が消費している電力のモニター信号をカレントトランス206から取得し、これに基づいて燃料電池202により発電する電力を変更している。即ち、燃料電池202は、カレントトランス206から取得したモニター信号に基づいて、燃料電池202が供給すべき電流を指示する指令電流Iiを決定し、この指令電流Iiを生成することができるよう、燃料供給量等が制御される。また、指令電流Iiは、住宅200の消費電力に関わらず、燃料電池202の最大定格電力に対応する値以下に設定される。   The system power 204 is supplied by reducing the voltage of the power sent from the transmission line via the current transformer 206. The fuel cell 202 acquires a monitor signal of the power consumed by the house 200 from the current transformer 206, and changes the power generated by the fuel cell 202 based on the monitor signal. That is, the fuel cell 202 determines a command current Ii that indicates the current to be supplied by the fuel cell 202 based on the monitor signal acquired from the current transformer 206, and generates the command current Ii so that the command current Ii can be generated. The supply amount and the like are controlled. Further, the command current Ii is set to a value corresponding to the maximum rated power of the fuel cell 202 regardless of the power consumption of the house 200.

燃料電池202に内蔵されている燃料電池モジュール208は、一般に極めて応答が遅いので、住宅200における消費電力の変化に追従して発電電力を変更することは困難である。このため、燃料電池モジュール208に発電量を指示する指令電流Iiの信号は、消費電力の変化に比べ、極めて緩やかに変化するよう、モニター信号にフィルター210を掛けることにより決定される。   Since the fuel cell module 208 built in the fuel cell 202 is generally very slow in response, it is difficult to change the generated power following the change in power consumption in the house 200. For this reason, the signal of the command current Ii instructing the amount of power generation to the fuel cell module 208 is determined by applying the filter 210 to the monitor signal so as to change very slowly compared to the change in power consumption.

燃料電池202は、燃料電池モジュール208が指令電流Iiの電流を生成できる能力を持つよう、指令電流Iiに応じた量の燃料を燃料電池モジュール208に供給する。一方、インバータ212は、燃料電池モジュール208から直流電流Icを取り出し、これを交流に変換して住宅200に供給する。また、インバータ212が燃料電池モジュール208から取り出す電流Icは、常に指令電流Iiの値以下に設定され、燃料電池モジュール208の発電能力を超えないようになっている。指令電流Iiに基づいて決定される燃料供給量等に対応した発電能力以上の電流を燃料電池モジュール208から取り出すと、燃料電池モジュール208内の燃料電池セルに燃料枯れが発生し、燃料電池セルの寿命を著しく短縮したり、燃料電池セルを破壊する虞がある。   The fuel cell 202 supplies an amount of fuel corresponding to the command current Ii to the fuel cell module 208 so that the fuel cell module 208 has a capability of generating a current of the command current Ii. On the other hand, the inverter 212 takes out the direct current Ic from the fuel cell module 208, converts it into alternating current, and supplies it to the house 200. Further, the current Ic that the inverter 212 takes out from the fuel cell module 208 is always set to be equal to or less than the value of the command current Ii so as not to exceed the power generation capability of the fuel cell module 208. When a current exceeding the power generation capacity corresponding to the fuel supply amount determined based on the command current Ii is taken out from the fuel cell module 208, fuel depletion occurs in the fuel cell in the fuel cell module 208. There is a risk of significantly shortening the life or destroying the fuel cell.

一方、住宅200において消費される電力は急激に変動するため、消費電力が急減すると、住宅200の消費電力は、緩慢に変化される指令電流Iiに対応した電力よりも低くなる。このような状態においては、指令電流Iiに応じた燃料が供給され、燃料電池モジュール208が十分な電流を生成する能力を持っているにも関わらず、インバータ212が燃料電池モジュール208から取り出す電流Icは、指令電流Iiよりも大幅に小さいものとなる。   On the other hand, since the electric power consumed in the house 200 fluctuates rapidly, the electric power consumed in the house 200 becomes lower than the electric power corresponding to the command current Ii that changes slowly when the electric power consumption rapidly decreases. In such a state, the fuel Ic is supplied in accordance with the command current Ii, and the current Ic that the inverter 212 extracts from the fuel cell module 208 even though the fuel cell module 208 has a capability of generating a sufficient current. Is much smaller than the command current Ii.

特開平7−307163号公報記載の燃料電池発電装置においては、供給された燃料が改質器等を通って燃料電池セルに行き渡るまでの時間遅れを考慮して、遅れ設定器を設け、燃料電池モジュールから電流を取り出すタイミングを遅らせ、これにより燃料枯れを防止している。   In the fuel cell power generator described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-307163, a delay setter is provided in consideration of a time delay until the supplied fuel reaches the fuel cell through the reformer or the like, and a fuel cell The timing for extracting current from the module is delayed, thereby preventing fuel depletion.

特開平7−307163号公報JP-A-7-307163

しかしながら、特開平7−307163号公報記載の燃料電池発電装置においては、燃料枯れ等の問題を回避することができるものの、消費される電力が急激に減少された場合には、燃料電池モジュールに供給されている燃料は、取り出される電流に対して過剰なものであり、燃料電池全体の発電効率が低下するという問題がある。   However, in the fuel cell power generation device described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-307163, although problems such as fuel exhaustion can be avoided, when the consumed power is drastically reduced, the fuel cell power supply is supplied to the fuel cell module. The fuel that is used is excessive with respect to the current that is taken out, and there is a problem that the power generation efficiency of the entire fuel cell is lowered.

従って、本発明は、燃料枯れ等の問題を回避しながら、良好な発電効率を得ることができる固体電解質型燃料電池を提供することを目的としている。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell capable of obtaining good power generation efficiency while avoiding problems such as fuel exhaustion.

上述した課題を解決するために、本発明は、要求電力に応じた可変の電力を発電する固体電解質型燃料電池であって、供給された燃料により発電する燃料電池モジュールと、この燃料電池モジュールから電流を取り出し、交流に変換するインバータと、燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段と、要求電力の変化に応答して指令電流を設定する指令電流設定手段と、要求電力の変化に対して指令電流よりも高い追従性で要求電力に応答し、且つ指令電流以下の値になるように実発電電流を決定し、この実発電電流が燃料電池モジュールから取り出されるようにインバータを制御するインバータ制御手段と、実発電電流に基づいて、指令電流と実発電電流の差が所定の偏差電流まで減少されるように、指令電流を減少方向に補正する指令電流補正手段と、この補正された指令電流を発生可能な燃料が燃料電池モジュールに供給されるように、燃料供給手段を制御する燃料制御手段と、を有することを特徴としている。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a solid oxide fuel cell that generates variable power according to required power, a fuel cell module that generates power using supplied fuel, and a fuel cell module An inverter that extracts current and converts it into alternating current, a fuel supply means that supplies fuel to the fuel cell module, a command current setting means that sets a command current in response to a change in the required power, and a change in the required power Inverter control that responds to the required power with higher followability than the command current and determines the actual power generation current so that the value is equal to or less than the command current and controls the inverter so that the actual power generation current is taken out from the fuel cell module and means, based on the actual generated current, so that the difference of the command current and the actual generated current is reduced to a predetermined deviation current, corrects the command current in the decreasing direction A decree current correcting means, the corrected command current capable of generating a fuel to be supplied to the fuel cell module is characterized by having a fuel control means for controlling the fuel supply means.

このように構成された本発明においては、指令電流設定手段が、要求電力の変化に応答して指令電流を設定する。インバータ制御手段は、要求電力の変化に対して指令電流よりも高い追従性で要求電力に応答し、且つ指令電流以下の値になるように実発電電流を決定すると共に、この実発電電流が燃料電池モジュールから取り出されるようにインバータを制御する。さらに、指令電流補正手段は、実発電電流に基づいて、指令電流と実発電電流の差が減少されるように、指令電流を減少方向に補正する。燃料制御手段は、補正された指令電流を発生可能な燃料が燃料電池モジュールに供給されるように、燃料供給手段を制御する。燃料電池モジュールは供給された燃料により発電し、インバータは燃料電池モジュールから電流を取り出して交流に変換する。   In the present invention configured as described above, the command current setting means sets the command current in response to a change in the required power. The inverter control means determines the actual power generation current so that it responds to the required power with higher followability than the command current with respect to the change in the required power and becomes a value equal to or less than the command current. The inverter is controlled so as to be taken out from the battery module. Further, the command current correction means corrects the command current in the decreasing direction so that the difference between the command current and the actual power generation current is reduced based on the actual power generation current. The fuel control means controls the fuel supply means so that fuel capable of generating the corrected command current is supplied to the fuel cell module. The fuel cell module generates power using the supplied fuel, and the inverter extracts current from the fuel cell module and converts it into alternating current.

このように構成された本発明によれば、指令電流設定手段は、要求電力の変化に応答して指令電流を設定するが、その応答性は、インバータ制御手段により設定される実発電電流の応答性よりも低くされている。この結果、要求電力の変化に応じて燃料電池モジュールへの燃料供給量が過敏に変化されることがないので、燃料電池モジュールの無用な温度降下を招いたり、出力を増加させたいときに燃料電池モジュールの温度上昇が遅れ、十分な電力を供給することができないという問題や、燃料電池モジュールが燃料枯れを起こすという問題を回避することができる。また、同時に、指令電流補正手段が、指令電流よりも応答性が高い実発電電流に基づいて指令電流を減少方向に補正する。このため、常に指令電流以下の値に設定される実発電電流の、指令電流との差が減少され、不要な燃料消費を抑制し、省エネルギーを実現することができると共に、固体電解質型燃料電池の総合効率を向上させることができる。   According to the present invention configured as described above, the command current setting means sets the command current in response to the change in the required power, and the response is the response of the actual generated current set by the inverter control means. It is lower than gender. As a result, the amount of fuel supplied to the fuel cell module does not change excessively according to the change in the required power, so the fuel cell module can be used when an unnecessary temperature drop or an increase in output is desired. The problem that the temperature rise of the module is delayed and sufficient power cannot be supplied and the problem that the fuel cell module runs out of fuel can be avoided. At the same time, the command current correction means corrects the command current in a decreasing direction based on the actual generated current having higher responsiveness than the command current. For this reason, the difference between the command current and the actual power generation current that is always set to a value equal to or less than the command current is reduced, unnecessary fuel consumption can be suppressed, energy saving can be achieved, and the solid oxide fuel cell Overall efficiency can be improved.

本発明において、好ましくは、指令電流補正手段は、指令電流と実発電電流の差が所定の偏差電流よりも小さくなったとき、指令電流を増加させる
このように構成された本発明によれば、指令電流補正手段は、指令電流と実発電電流の差が所定の偏差電流よりも小さくなったとき、指令電流を増加させるので、再度出力電力を上昇させる際に燃料電池モジュールの温度上昇が遅れ、要求電力の上昇に対する応答が大幅に遅れるのを防止することができる。
In the present invention, preferably, the command current correcting means increases the command current when the difference between the command current and the actual generated current becomes smaller than a predetermined deviation current.
According to the present invention configured as described above, the command current correcting means increases the command current when the difference between the command current and the actual generated current becomes smaller than the predetermined deviation current, so that the output power is increased again. In this case, it is possible to prevent the temperature rise of the fuel cell module from being delayed and the response to the increase in required power from being greatly delayed.

本発明において、好ましくは、指令電流補正手段は、燃料電池モジュールの運転状態に応じて、所定の偏差電流を変更する。
このように構成された本発明によれば、偏差電流の値が燃料電池モジュールの運転状態に応じて変更されるので、運転の様々な局面において適切な偏差電流を設定することができる。この結果、偏差電流を減少させることにより不要な燃料消費を減少させる省エネ効果と、要求電力が上昇した際に、燃料電池モジュールが比較的迅速に要求電力に追従して、系統電力の消費を抑制する省エネ効果を両立することができる。
In the present invention, preferably, the command current correction means changes the predetermined deviation current according to the operating state of the fuel cell module.
According to the present invention configured as described above, since the value of the deviation current is changed according to the operation state of the fuel cell module, an appropriate deviation current can be set in various aspects of operation. As a result, energy consumption is reduced by reducing the deviation current, and when the required power rises, the fuel cell module follows the required power relatively quickly and suppresses system power consumption. It is possible to achieve both energy saving effects.

本発明において、好ましくは、指令電流補正手段は、指令電流が小さいほど、所定の偏差電流を減少させる。
このように構成された本発明によれば、指令電流が小さいほど偏差電流が減少されるので、燃料電池モジュールの温度が低く、温度を維持するために燃料が必要になる燃料利用率の低い運転状態における運転効率のより一層の低下を防止することができる。
In the present invention, preferably, the command current correction means decreases the predetermined deviation current as the command current is smaller.
According to the present invention configured as described above, since the deviation current is reduced as the command current is reduced, the temperature of the fuel cell module is low, and the fuel is required to maintain the temperature. Further reduction in operating efficiency in the state can be prevented.

本発明において、好ましくは、指令電流補正手段は、要求電力の変化が急激なほど、所定の偏差電流を増大させる。
このように構成された本発明によれば、要求電力の変化が急激な場合には偏差電流が大きくなるので、要求電力の増加局面において、燃料電池モジュールの温度上昇を促進することができ、燃料電池モジュールが比較的迅速に要求電力に追従して、系統電力の消費を抑制することができる。
In the present invention, it is preferable that the command current correction unit increases the predetermined deviation current as the change in the required power is rapid.
According to the present invention configured as described above, since the deviation current increases when the change in the required power is abrupt, the temperature increase of the fuel cell module can be promoted during the increase of the required power. The battery module can follow the required power relatively quickly and suppress the consumption of system power.

本発明の固体電解質型燃料電池によれば、燃料枯れ等の問題を回避しながら、発電効率を向上させることができる。   According to the solid oxide fuel cell of the present invention, power generation efficiency can be improved while avoiding problems such as fuel exhaustion.

本発明の一実施形態による燃料電池装置を示す全体構成図である。1 is an overall configuration 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燃料電池モジュールを示す正面断面図である。It is front sectional drawing which shows the fuel cell module of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention. 図2のIII-III線に沿った断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 2. 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部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing a fuel cell unit of a fuel cell device by one embodiment of the present 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. 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 starting 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停止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 the stop 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作用の一例を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows an example of an effect | action of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention. 制御部により実行される制御のフローチャートである。It is a flowchart of the control performed by a control part. 燃料電池を使用して住宅に電力を供給する従来のシステムの一例を示している。1 shows an example of a conventional system for supplying power to a house using a fuel cell.

次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)を説明する。
図1は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)を示す全体構成図である。この図1に示すように、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)1は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。
Next, a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a solid oxide fuel cell (SOFC) 1 according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell module 2 and an auxiliary unit 4.

燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備え、このハウジング6内部には、断熱材(図示せず但し断熱材は必須の構成ではなく、なくても良いものである。)を介して密封空間8が形成されている。なお、断熱材は設けないようにしても良い。この密閉空間8の下方部分である発電室10には、燃料ガスと酸化剤(空気)とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体12が配置されている。この燃料電池セル集合体12は、10個の燃料電池セルスタック14(図5参照)を備え、この燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16(図4参照)から構成されている。このように、燃料電池セル集合体12は、160本の燃料電池セルユニット16を有し、これらの燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されている。   The fuel cell module 2 includes a housing 6, and a sealed space 8 is formed inside the housing 6 via a heat insulating material (not shown, but the heat insulating material is not an essential component and may not be necessary). Is formed. In addition, you may make it not provide a heat insulating material. A fuel cell assembly 12 that performs a power generation reaction with fuel gas and an oxidant (air) is disposed in a power generation chamber 10 that is a lower portion of the sealed space 8. The fuel cell assembly 12 includes ten fuel cell stacks 14 (see FIG. 5), and the fuel cell stack 14 includes 16 fuel cell unit 16 (see FIG. 4). Yes. Thus, the fuel cell assembly 12 has 160 fuel cell units 16, and all of these fuel cell units 16 are connected in series.

燃料電池モジュール2の密封空間8の上述した発電室10の上方には、燃焼室18が形成され、この燃焼室18で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤(空気)とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。
また、この燃焼室18の上方には、燃料ガスを改質する改質器20が配置され、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器20を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器20の上方には、改質器20の熱を受けて空気を加熱し、改質器20の温度低下を抑制するための空気用熱交換器22が配置されている。
A combustion chamber 18 is formed above the above-described power generation chamber 10 in the sealed space 8 of the fuel cell module 2. In this combustion chamber 18, the remaining fuel gas that has not been used for the power generation reaction and the remaining oxidant (air) ) And combusted to generate exhaust gas.
Further, a reformer 20 for reforming the fuel gas is disposed above the combustion chamber 18, and the reformer 20 is heated to a temperature at which a reforming reaction can be performed by the combustion heat of the residual gas. ing. Further, an air heat exchanger 22 is disposed above the reformer 20 to heat the air by receiving heat from the reformer 20 and suppress a temperature drop of the reformer 20.

次に、補機ユニット4は、水道等の水供給源24からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク26と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット28(モータで駆動される「水ポンプ」等)を備えている。また、補機ユニット4は、都市ガス等の燃料供給源30から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁32と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器36と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット38(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4は、空気供給源40から供給される酸化剤である空気を遮断する電磁弁42と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット44及び発電用空気流量調整ユニット45(モータで駆動される「空気ブロア」等)と、改質器20に供給される改質用空気を加熱する第1ヒータ46と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第2ヒータ48とを備えている。これらの第1ヒータ46と第2ヒータ48は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。   Next, the auxiliary unit 4 stores a pure water tank 26 that stores water from a water supply source 24 such as tap water and uses the filter to obtain pure water, and a water flow rate that adjusts the flow rate of the water supplied from the water storage tank. An adjustment unit 28 (such as a “water pump” driven by a motor) is provided. The auxiliary unit 4 also includes a gas shut-off valve 32 that shuts off the fuel gas supplied from a fuel supply source 30 such as city gas, a desulfurizer 36 for removing sulfur from the fuel gas, and a flow rate of the fuel gas. A fuel flow rate adjusting unit 38 (such as a “fuel pump” driven by a motor) is provided. Further, the auxiliary unit 4 includes an electromagnetic valve 42 that shuts off air that is an oxidant supplied from the air supply source 40, a reforming air flow rate adjusting unit 44 that adjusts the flow rate of air, and a power generation air flow rate adjusting unit. 45 (such as an “air blower” driven by a motor), a first heater 46 for heating the reforming air supplied to the reformer 20, and a second for heating the power generating air supplied to the power generation chamber And a heater 48. The first heater 46 and the second heater 48 are provided in order to efficiently raise the temperature at startup, but may be omitted.

次に、燃料電池モジュール2には、排気ガスが供給される温水製造装置50が接続されている。この温水製造装置50には、水供給源24から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
また、燃料電池モジュール2には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス52が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール2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54が接続されている。
Next, a hot water production apparatus 50 to which exhaust gas is supplied is connected to the fuel cell module 2. The hot water production apparatus 50 is supplied with tap water from the water supply source 24, and the tap water is heated by the heat of the exhaust gas and supplied to a hot water storage tank of an external hot water heater (not shown).
The fuel cell module 2 is provided with a control box 52 for controlling the amount of fuel gas supplied and the like.
Furthermore, the fuel cell module 2 is connected to an inverter 54 that is a power extraction unit (power conversion unit) for supplying the power generated by the fuel cell module to the outside.

次に、図2及び図3により、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図2は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図3は、図2のIII-III線に沿って断面図である。
図2及び図3に示すように、燃料電池モジュール2のハウジング6内の密閉空間8には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体12、改質器20、空気用熱交換器22が配置されている。
Next, the internal structure of a solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell module according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a side sectional view showing a solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell module according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG.
As shown in FIGS. 2 and 3, in the sealed space 8 in the housing 6 of the fuel cell module 2, as described above, the fuel cell assembly 12, the reformer 20, and the air heat exchange are sequentially performed from below. A vessel 22 is arranged.

改質器20は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管60と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管62が取り付けられ、また、改質器20の内部には、上流側から順に、蒸発部20aと改質部20bを形成され、これらの蒸発部20aと改質部20bには改質触媒が充填されている。この改質器20に導入された水蒸気(純水)が混合された燃料ガス及び空気は、改質器20内に充填された改質触媒により改質される。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や、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。   The reformer 20 is provided with a pure water introduction pipe 60 for introducing pure water and a reformed gas introduction pipe 62 for introducing reformed fuel gas and reforming air to the upstream end side thereof. In the reformer 20, an evaporator 20a and a reformer 20b are formed in this order from the upstream side, and the evaporator 20a and the reformer 20b are filled with a reforming catalyst. The fuel gas and air mixed with the steam (pure water) introduced into the reformer 20 are reformed by the reforming catalyst filled in the reformer 20. As the reforming catalyst, a catalyst obtained by imparting nickel to the alumina sphere surface or a catalyst obtained by imparting ruthenium to the alumina sphere surface is appropriately used.

この改質器20の下流端側には、燃料ガス供給管64が接続され、この燃料ガス供給管64は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体12の下方に形成されたマニホールド66内で水平に延びている。燃料ガス供給管64の水平部64aの下方面には、複数の燃料供給孔64bが形成されており、この燃料供給孔64bから、改質された燃料ガスがマニホールド66内に供給される。   A fuel gas supply pipe 64 is connected to the downstream end side of the reformer 20, and the fuel gas supply pipe 64 extends downward and further in an manifold 66 formed below the fuel cell assembly 12. It extends horizontally. A plurality of fuel supply holes 64 b are formed in the lower surface of the horizontal portion 64 a of the fuel gas supply pipe 64, and the reformed fuel gas is supplied into the manifold 66 from the fuel supply holes 64 b.

このマニホールド66の上方には、上述した燃料電池セルスタック14を支持するための貫通孔を備えた下支持板68が取り付けられており、マニホールド66内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット16内に供給される。   A lower support plate 68 having a through hole for supporting the fuel cell stack 14 described above is attached above the manifold 66, and the fuel gas in the manifold 66 flows into the fuel cell unit 16. Supplied.

次に、改質器20の上方には、空気用熱交換器22が設けられている。この空気用熱交換器22は、上流側に空気集約室70、下流側に2つの空気分配室72を備え、これらの空気集約室70と空気分配室72は、6個の空気流路管74により接続されている。ここで、図3に示すように、3個の空気流路管74が一組(74a,74b,74c,74d,74e,74f)となっており、空気集約室70内の空気が各組の空気流路管74からそれぞれの空気分配室72へ流入する。   Next, an air heat exchanger 22 is provided above the reformer 20. The air heat exchanger 22 includes an air aggregation chamber 70 on the upstream side and two air distribution chambers 72 on the downstream side. The air aggregation chamber 70 and the air distribution chamber 72 include six air flow path tubes 74. Connected by. Here, as shown in FIG. 3, three air flow path pipes 74 form a set (74a, 74b, 74c, 74d, 74e, 74f), and the air in the air collecting chamber 70 is in each set. It flows into each air distribution chamber 72 from the air flow path pipe 74.

空気用熱交換器22の6個の空気流路管74内を流れる空気は、燃焼室18で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。
空気分配室72のそれぞれには、空気導入管76が接続され、この空気導入管76は、下方に延び、その下端側が、発電室10の下方空間に連通し、発電室10に余熱された空気を導入する。
The air flowing through the six air flow path pipes 74 of the air heat exchanger 22 is preheated by exhaust gas that burns and rises in the combustion chamber 18.
An air introduction pipe 76 is connected to each of the air distribution chambers 72, the air introduction pipe 76 extends downward, and the lower end side communicates with the lower space of the power generation chamber 10, and the air that has been preheated in the power generation chamber 10. Is introduced.

次に、マニホールド66の下方には、排気ガス室78が形成されている。また、図3に示すように、ハウジング6の長手方向に沿った面である前面6aと後面6bの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路80が形成され、この排気ガス室通路80の上端側は、空気用熱交換器22が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室78と連通している。また、排気ガス室78の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管82が接続され、この排気ガス排出管82の下流端は、図1に示す上述した温水製造装置50に接続されている。
図2に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置83が、燃焼室18に設けられている。
Next, an exhaust gas chamber 78 is formed below the manifold 66. Further, as shown in FIG. 3, an exhaust gas passage 80 extending in the vertical direction is formed inside the front surface 6 a and the rear surface 6 b which are surfaces along the longitudinal direction of the housing 6, and the upper end of the exhaust gas chamber passage 80 is formed. The side communicates with the space in which the air heat exchanger 22 is disposed, and the lower end side communicates with the exhaust gas chamber 78. Further, an exhaust gas discharge pipe 82 is connected to substantially the center of the lower surface of the exhaust gas chamber 78, and the downstream end of the exhaust gas discharge pipe 82 is connected to the above-described hot water producing apparatus 50 shown in FIG.
As shown in FIG. 2, an ignition device 83 for starting combustion of fuel gas and air is provided in the combustion chamber 18.

次に図4により燃料電池セルユニット16について説明する。図4は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図4に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子86とを備えている。
燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の内側電極層90と、円筒形の外側電極層92と、内側電極層90と外側電極層92との間にある電解質層94とを備えている。この内側電極層90は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極層92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。
Next, the fuel cell unit 16 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing a fuel cell unit of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 4, the fuel cell unit 16 includes a fuel cell 84 and inner electrode terminals 86 respectively connected to the vertical ends of the fuel cell 84.
The fuel cell 84 is a tubular structure extending in the vertical direction, and includes a cylindrical inner electrode layer 90 that forms a fuel gas flow path 88 therein, a cylindrical outer electrode layer 92, an inner electrode layer 90, and an outer side. An electrolyte layer 94 is provided between the electrode layer 92 and the electrode layer 92. The inner electrode layer 90 is a fuel electrode through which fuel gas passes and becomes a (−) electrode, while the outer electrode layer 92 is an air electrode in contact with air and becomes a (+) electrode.

燃料電池セル16の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子86は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子86について具体的に説明する。内側電極層90の上部90aは、電解質層94と外側電極層92に対して露出された外周面90bと上端面90cとを備えている。内側電極端子86は、導電性のシール材96を介して内側電極層90の外周面90bと接続され、さらに、内側電極層90の上端面90cとは直接接触することにより、内側電極層90と電気的に接続されている。内側電極端子86の中心部には、内側電極層90の燃料ガス流路88と連通する燃料ガス流路98が形成されている。   Since the inner electrode terminal 86 attached to the upper end side and the lower end side of the fuel cell 16 has the same structure, the inner electrode terminal 86 attached to the upper end side will be specifically described here. The upper portion 90 a of the inner electrode layer 90 includes an outer peripheral surface 90 b and an upper end surface 90 c exposed to the electrolyte layer 94 and the outer electrode layer 92. The inner electrode terminal 86 is connected to the outer peripheral surface 90b of the inner electrode layer 90 through a conductive sealing material 96, and is further in direct contact with the upper end surface 90c of the inner electrode layer 90, thereby Electrically connected. A fuel gas passage 98 communicating with the fuel gas passage 88 of the inner electrode layer 90 is formed at the center of the inner electrode terminal 86.

内側電極層90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ドとの混合体、の少なくとも一種から形成される。   The inner electrode layer 90 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, and Ni and ceria doped with at least one selected from rare earth elements. The mixture is formed of at least one of Ni and a mixture of lanthanum garade doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe, and Cu.

電解質層94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。   The electrolyte layer 94 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.

外側電極層92は、例えば、Sr、Caから選ばれた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から選ばれた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から選ばれた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。   The outer electrode layer 92 includes, 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 of lanthanum cobaltite doped with at least one selected from the group consisting of silver and silver.

次に図5により燃料電池セルスタック14について説明する。図5は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図5に示すように、燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16を備え、これらの燃料電池セルユニット16の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の下支持板68及び上支持板100により支持されている。これらの下支持板68及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴68a及び100aがそれぞれ形成されている。
Next, the fuel cell stack 14 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a perspective view showing a fuel cell stack of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 5, the fuel cell stack 14 includes 16 fuel cell units 16, and the lower end side and the upper end side of these fuel cell units 16 are a ceramic lower support plate 68 and an upper side, respectively. It is supported by the support plate 100. The lower support plate 68 and the upper support plate 100 are formed with through holes 68a and 100a through which the inner electrode terminal 86 can pass.

さらに、燃料電池セルユニット16には、集電体102及び外部端子104が取り付けられている。この集電体102は、燃料極である内側電極層90に取り付けられた内側電極端子86と電気的に接続される燃料極用接続部102aと、空気極である外側電極層92の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部102bとにより一体的に形成されている。空気極用接続部102bは、外側電極層92の表面を上下方向に延びる鉛直部102cと、この鉛直部102cから外側電極層92の表面に沿って水平方向に延びる多数の水平部102dとから形成されている。また、燃料極用接続部102aは、空気極用接続部102bの鉛直部102cから燃料電池セルユニット16の上下方向に位置する内側電極端子86に向って斜め上方又は斜め下方に向って直線的に延びている。   Furthermore, a current collector 102 and an external terminal 104 are attached to the fuel cell unit 16. The current collector 102 includes a fuel electrode connection portion 102a that is electrically connected to an inner electrode terminal 86 attached to the inner electrode layer 90 that is a fuel electrode, and an entire outer peripheral surface of the outer electrode layer 92 that is an air electrode. And an air electrode connecting portion 102b electrically connected to each other. The air electrode connecting portion 102b is formed of a vertical portion 102c extending in the vertical direction on the surface of the outer electrode layer 92 and a plurality of horizontal portions 102d extending in a horizontal direction along the surface of the outer electrode layer 92 from the vertical portion 102c. Has been. The fuel electrode connection portion 102a is linearly directed obliquely upward or obliquely downward from the vertical portion 102c of the air electrode connection portion 102b toward the inner electrode terminal 86 positioned in the vertical direction of the fuel cell unit 16. It extends.

さらに、燃料電池セルスタック14の端(図5では左端の奥側及び手前側)に位置する2個の燃料電池セルユニット16の上側端及び下側端の内側電極端子86には、それぞれ外部端子104が接続されている。これらの外部端子104は、隣接する燃料電池セルスタック14の端にある燃料電池セルユニット16の外部端子104(図示せず)に接続され、上述したように、160本の燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されるようになっている。   Further, the inner electrode terminals 86 at the upper end and the lower end of the two fuel cell units 16 located at the ends of the fuel cell stack 14 (the far left side and the near side in FIG. 5) are external terminals, respectively. 104 is connected. These external terminals 104 are connected to the external terminals 104 (not shown) of the fuel cell unit 16 at the end of the adjacent fuel cell stack 14, and as described above, the 160 fuel cell units 16 Everything is connected in series.

次に図6により本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)に取り付けられたセンサ類等について説明する。図6は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)を示すブロック図である。
図6に示すように、固体電解質型燃料電池1は、制御部110を備え、この制御部110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112、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114、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116が接続されている。なお、この報知装置116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, sensors and the like attached to the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a block diagram illustrating a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 6, the solid oxide fuel cell 1 includes a control unit 110, and the control unit 110 includes operation buttons such as “ON” and “OFF” for operation by the user. A device 112, a display device 114 for displaying various data such as a power generation output value (wattage), and a notification device 116 for issuing an alarm (warning) in an abnormal state are connected. The notification device 116 may be connected to a remote management center and notify the management center of an abnormal state.

次に、制御部110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120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2及び補機ユニット4に取り付けられている。
CO検出センサ122は、本来排気ガス通路80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2及び補機ユニット4を覆う外部ハウジング(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124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 110.
First, the combustible gas detection sensor 120 is for detecting a gas leak, and is attached to the fuel cell module 2 and the auxiliary unit 4.
The CO detection sensor 122 detects whether or not CO in the exhaust gas originally discharged to the outside through the exhaust gas passage 80 or the like leaks to an external housing (not shown) that covers the fuel cell module 2 and the auxiliary unit 4. Is to do.
The hot water storage state detection sensor 124 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126は、インバータ54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128は、発電室10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130は、改質器20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132は、改質器20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 126 is for detecting the current and voltage of the inverter 54 and the distribution board (not shown).
The power generation air flow rate detection sensor 128 is for detecting the flow rate of power generation air supplied to the power generation chamber 10.
The reforming air flow sensor 130 is for detecting the flow rate of the reforming air supplied to the reformer 20.
The fuel flow sensor 132 is for detecting the flow rate of the fuel gas supplied to the reformer 20.

水流量センサ134は、改質器20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136は、純水タンク26の水位を検出するためのものである。
圧力センサ138は、改質器20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140は、温水製造装置50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 134 is for detecting the flow rate of pure water (steam) supplied to the reformer 20.
The water level sensor 136 is for detecting the water level of the pure water tank 26.
The pressure sensor 138 is for detecting the pressure on the upstream side outside the reformer 20.
The exhaust temperature sensor 140 is for detecting the temperature of the exhaust gas flowing into the hot water production apparatus 50.

発電室温度センサ142は、図3に示すように、燃料電池セル集合体12の近傍の前面側と背面側に設けられ、燃料電池セルスタック14の近傍の温度を検出して、燃料電池セルスタック14(即ち燃料電池セル84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144は、燃焼室18の温度を検出するためのものである。
排気ガス室温度センサ146は、排気ガス室78の排気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148は、改質器20の温度を検出するためのものであり、改質器20の入口温度と出口温度から改質器20の温度を算出する。
外気温度センサ150は、固体電解質型燃料電池(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。
As shown in FIG. 3, the power generation chamber temperature sensor 142 is provided on the front side and the back side in the vicinity of the fuel cell assembly 12, and detects the temperature in the vicinity of the fuel cell stack 14 to thereby detect the fuel cell stack. 14 (ie, the fuel cell 84 itself) is estimated.
The combustion chamber temperature sensor 144 is for detecting the temperature of the combustion chamber 18.
The exhaust gas chamber temperature sensor 146 is for detecting the temperature of the exhaust gas in the exhaust gas chamber 78.
The reformer temperature sensor 148 is for detecting the temperature of the reformer 20, and calculates the temperature of the reformer 20 from the inlet temperature and the outlet temperature of the reformer 20.
The outside air temperature sensor 150 is for detecting the temperature of the outside air when the solid oxide fuel cell (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110に送られ、制御部110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28、燃料流量調整ユニット38、改質用空気流量調整ユニット44、発電用空気流量調整ユニット45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、制御ユニット110は、インバータ54に、制御信号を送り、電力供給量を制御するようになっている。
Signals from these sensors are sent to the control unit 110, and the control unit 110, based on data based on these signals, the water flow rate adjustment unit 28, the fuel flow rate adjustment unit 38, the reforming air flow rate adjustment unit 44, A control signal is sent to the power generation air flow rate adjusting unit 45 to control each flow rate in these units.
Further, the control unit 110 sends a control signal to the inverter 54 to control the power supply amount.

次に図7により本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)による起動時の動作を説明する。図7は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の起動時の動作を示すタイムチャートである。
最初は、燃料電池モジュール2を温めるために、無負荷状態で、即ち、燃料電池モジュール2を含む回路を開いた状態で、運転を開始する。このとき、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュール2は発電を行わない。
Next, the operation at the time of start-up by the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a time chart showing the operation at the time of startup of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to one embodiment of the present invention.
Initially, in order to warm the fuel cell module 2, the operation is started in a no-load state, that is, in a state where a circuit including the fuel cell module 2 is opened. At this time, since no current flows through the circuit, the fuel cell module 2 does not generate power.

先ず、改質用空気流量調整ユニット44から改質用空気を第1ヒータ46を経由して燃料電池モジュール2の改質器20へ供給する。また、同時に、発電用空気流量調整ユニット45から発電用空気を第2ヒータ48を経由して燃料電池モジュール2の空気用熱交換器22へ供給し、この発電用空気が、発電室10及び燃焼室18に到達する。
この直ぐ後、燃料流量調整ユニット38からも燃料ガスが供給され、改質用空気が混合された燃料ガスが、改質器20及び燃料電池セルスタック14、燃料電池セルユニット16を通過して、燃焼室18に到達する。
First, reforming air is supplied from the reforming air flow rate adjustment unit 44 to the reformer 20 of the fuel cell module 2 via the first heater 46. At the same time, the power generation air is supplied from the power generation air flow rate adjustment unit 45 to the air heat exchanger 22 of the fuel cell module 2 via the second heater 48, and this power generation air is supplied to the power generation chamber 10 and the combustion chamber. Reach chamber 18.
Immediately after this, the fuel gas is also supplied from the fuel flow rate adjustment unit 38, and the fuel gas mixed with the reforming air passes through the reformer 20, the fuel cell stack 14, and the fuel cell unit 16, and It reaches the combustion chamber 18.

次に、点火装置83により着火して、燃焼室18にある燃料ガスと空気(改質用空気及び発電用空気)とを燃焼させる。この燃料ガスと空気との燃焼により排気ガスが生じ、この排気ガスにより、発電室10が暖められ、また、排気ガスが燃料電池モジュール2の密封空間8内を上昇する際、改質器20内の改質用空気を含む燃料ガスを暖めると共に、空気熱交換器22内の発電用空気も暖める。   Next, the ignition device 83 is ignited to burn the fuel gas and air (reforming air and power generation air) in the combustion chamber 18. Exhaust gas is generated by the combustion of the fuel gas and air, and the power generation chamber 10 is warmed by the exhaust gas, and when the exhaust gas rises in the sealed space 8 of the fuel cell module 2, The fuel gas containing the reforming air is warmed, and the power generation air in the air heat exchanger 22 is also warmed.

このとき、燃料流量調整ユニット38及び改質用空気流量調整ユニット44により、改質用空気が混合された燃料ガスが改質器20に供給されているので、改質器20において、式(1)に示す部分酸化改質反応POXが進行する。この部分酸化改質反応POXは、発熱反応であるので、起動性が良好となる。また、この昇温した燃料ガスが燃料ガス供給管64により燃料電池セルスタック14の下方に供給され、これにより、燃料電池セルスタック14が下方から加熱され、また、燃焼室18も燃料ガスと空気が燃焼して昇温されているので、燃料電池セルスタック14は、上方からも加熱され、この結果、燃料電池セルスタック14は、上下方向において、ほぼ均等に昇温可能となっている。この部分酸化改質反応POXが進行しても、燃焼室18では継続して燃料ガスと空気との燃焼反応が持続される。   At this time, the fuel gas mixed with the reforming air is supplied to the reformer 20 by the fuel flow rate adjusting unit 38 and the reforming air flow rate adjusting unit 44. The partial oxidation reforming reaction POX shown in FIG. Since the partial oxidation reforming reaction POX is an exothermic reaction, the startability is good. Further, the heated fuel gas is supplied to the lower side of the fuel cell stack 14 through the fuel gas supply pipe 64, whereby the fuel cell stack 14 is heated from below, and the combustion chamber 18 also has the fuel gas and air. The fuel cell stack 14 is also heated from above, and as a result, the fuel cell stack 14 can be heated substantially uniformly in the vertical direction. Even if the partial oxidation reforming reaction POX proceeds, the combustion reaction between the fuel gas and air continues in the combustion chamber 18.

mn+xO2 → aCO2+bCO+cH2 (1) C m H n + xO 2 → aCO 2 + bCO + cH 2 (1)

部分酸化改質反応POXの開始後、改質器温度センサ148により改質器20が所定温度(例えば、600℃)になったことを検知したとき、水流量調整ユニット28、燃料流量調整ユニット38及び改質用空気流量調整ユニット44により、燃料ガスと改質用空気と水蒸気とを予め混合したガスを改質器20に供給する。このとき、改質器20においては、上述した部分酸化改質反応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20内では熱的に自立した状態で反応が進行する。即ち、酸素(空気)が多い場合には部分酸化改質反応POXによる発熱が支配的となり、水蒸気が多い場合には水蒸気改質反応SRによる吸熱反応が支配的となる。この段階では、既に起動の初期段階は過ぎており、発電室10内がある程度の温度まで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引き起こすことはない。また、オートサーマル改質反応ATRが進行中も、燃焼室18では燃焼反応が継続して行われている。   When the reformer temperature sensor 148 detects that the reformer 20 has reached a predetermined temperature (for example, 600 ° C.) after the partial oxidation reforming reaction POX is started, the water flow rate adjustment unit 28 and the fuel flow rate adjustment unit 38 are detected. In addition, the reforming air flow rate adjusting unit 44 supplies a gas in which fuel gas, reforming air, and water vapor are mixed in advance to the reformer 20. At this time, in the reformer 20, 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 proceeds. Since the autothermal reforming reaction ATR is thermally balanced internally, the reaction proceeds in the reformer 20 in a thermally independent state. That is, when oxygen (air) is large, heat generation by the partial oxidation reforming reaction POX is dominant, and when there is much steam, an endothermic reaction by the steam reforming reaction SR is dominant. At this stage, the initial stage of startup has already passed, and the temperature inside the power generation chamber 10 has been raised to a certain temperature. Therefore, even if the endothermic reaction is dominant, no significant temperature drop is caused. Further, the combustion reaction continues in the combustion chamber 18 even while the autothermal reforming reaction ATR is in progress.

式(2)に示すオートサーマル改質反応ATRの開始後、改質器温度センサ146により改質器20が所定温度(例えば、700℃)になったことを検知したとき、改質用空気流量調整ユニット44による改質用空気の供給を停止すると共に、水流量調整ユニット28による水蒸気の供給を増加させる。これにより、改質器20には、空気を含まず燃料ガスと水蒸気のみを含むガスが供給され、改質器20において、式(3)の水蒸気改質反応SRが進行する。   When the reformer temperature sensor 146 detects that the reformer 20 has reached a predetermined temperature (for example, 700 ° C.) after the start of the autothermal reforming reaction ATR shown in Formula (2), the reforming air flow rate The supply of reforming air by the adjustment unit 44 is stopped, and the supply of water vapor by the water flow rate adjustment unit 28 is increased. As a result, the reformer 20 is supplied with a gas that does not contain air and contains only fuel gas and water vapor, and the steam reforming reaction SR of formula (3) proceeds in the reformer 20.

mn+xO2+yH2O → aCO2+bCO+cH2 (2)
mn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (3)
C m H n + xO 2 + yH 2 O → aCO 2 + bCO + cH 2 (2)
C m H n + xH 2 O → aCO 2 + bCO + cH 2 (3)

この水蒸気改質反応SRは吸熱反応であるので、燃焼室18からの燃焼熱と熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、燃料電池モジュール2の起動の最終段階であるため、発電室10内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応が進行しても、発電室10が大幅な温度低下を招くこともない。また、水蒸気改質反応SRが進行しても、燃焼室18では継続して燃焼反応が進行する。   Since the steam reforming reaction SR is an endothermic reaction, the reaction proceeds while maintaining a heat balance with the combustion heat from the combustion chamber 18. At this stage, since the fuel cell module 2 is in the final stage of start-up, the power generation chamber 10 is heated to a sufficiently high temperature. Therefore, even if the endothermic reaction proceeds, the power generation chamber 10 is greatly reduced in temperature. There is nothing. Even if the steam reforming reaction SR proceeds, the combustion reaction continues in the combustion chamber 18.

このようにして、燃料電池モジュール2は、点火装置83により点火した後、部分酸化改質反応POX、オートサーマル改質反応ATR、水蒸気改質反応SRが、順次進行することにより、発電室10内の温度が徐々に上昇する。次に、発電室10内及び燃料電池セル84の温度が燃料電池モジュール2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2を含む回路を閉じ、燃料電池モジュール2による発電を開始し、それにより、回路に電流が流れる。燃料電池モジュール2の発電により、燃料電池セル84自体も発熱し、燃料電池セル84の温度も上昇する。この結果、燃料電池モジュール2を作動させる定格温度、例えば、600℃〜800℃になる。   In this way, after the fuel cell module 2 is ignited by the ignition device 83, the partial oxidation reforming reaction POX, the autothermal reforming reaction ATR, and the steam reforming reaction SR proceed in sequence, so that the inside of the power generation chamber 10 The temperature gradually increases. Next, when the temperature in the power generation chamber 10 and the fuel cell 84 reaches a predetermined power generation temperature lower than the rated temperature at which the fuel cell module 2 is stably operated, the circuit including the fuel cell module 2 is closed, and the fuel cell Power generation by the module 2 is started, so that a current flows in the circuit. Due to the power generation of the fuel cell module 2, the fuel cell 84 itself also generates heat, and the temperature of the fuel cell 84 also rises. As a result, the rated temperature at which the fuel cell module 2 is operated becomes, for example, 600 ° C. to 800 ° C.

この後、定格温度を維持するために、燃料電池セル84で消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い燃料ガス及び空気を供給し、燃焼室18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で発電が進行する。   Thereafter, in order to maintain the rated temperature, more fuel gas and air than the amount of fuel gas and air consumed in the fuel cell 84 are supplied, and combustion in the combustion chamber 18 is continued. During power generation, power generation proceeds in a steam reforming reaction SR with high reforming efficiency.

次に、図8により本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の運転停止時の動作を説明する。図8は、本実施形態により固体電解質型燃料電池(SOFC)の運転停止時の動作を示すタイムチャートである。
図8に示すように、燃料電池モジュール2の運転停止を行う場合には、先ず、燃料流量調整ユニット38及び水流量調整ユニット28を操作して、燃料ガス及び水蒸気の改質器20への供給量を減少させる。
Next, the operation when the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment is stopped will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a time chart showing the operation when the solid oxide fuel cell (SOFC) is stopped according to this embodiment.
As shown in FIG. 8, when the operation of the fuel cell module 2 is stopped, first, the fuel flow rate adjustment unit 38 and the water flow rate adjustment unit 28 are operated to supply fuel gas and water vapor to the reformer 20. Reduce the amount.

また、燃料電池モジュール2の運転停止を行う場合には、燃料ガス及び水蒸気の改質器20への供給量を減少させると同時に、改質用空気流量調整ユニット44による発電用空気の燃料電池モジュール2内への供給量を増大させて、燃料電池セル集合体12及び改質器20を空気により冷却し、これらの温度を低下させる。その後、改質器20の温度が所定温度、例えば、400℃まで低下したとき、燃料ガス及び水蒸気の改質器20への供給を停止し、改質器20の水蒸気改質反応SRを終了する。この発電用空気の供給は、改質器20の温度が所定温度、例えば、200℃まで低下するまで、継続し、この所定温度となったとき、発電用空気流量調整ユニット45からの発電用空気の供給を停止する。   Further, when the operation of the fuel cell module 2 is stopped, the amount of fuel gas and water vapor supplied to the reformer 20 is reduced, and at the same time, the fuel cell module for generating air by the reforming air flow rate adjusting unit 44 The supply amount into 2 is increased, the fuel cell assembly 12 and the reformer 20 are cooled by air, and these temperatures are lowered. Thereafter, when the temperature of the reformer 20 decreases to a predetermined temperature, for example, 400 ° C., the supply of fuel gas and steam to the reformer 20 is stopped, and the steam reforming reaction SR of the reformer 20 is ended. . This supply of power generation air continues until the temperature of the reformer 20 decreases to a predetermined temperature, for example, 200 ° C., and when this temperature is reached, the power generation air from the power generation air flow rate adjustment unit 45 is supplied. Stop supplying.

このように、本実施形態においては、燃料電池モジュール2の運転停止を行うとき、改質器20による水蒸気改質反応SRと発電用空気による冷却とを併用しているので、比較的短時間に、燃料電池モジュールの運転を停止させることができる。   As described above, in the present embodiment, when the operation of the fuel cell module 2 is stopped, the steam reforming reaction SR by the reformer 20 and the cooling by the power generation air are used in combination. The operation of the fuel cell module can be stopped.

次に、図9及び図10を参照して、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池1の作用を説明する。図9は、本実施形態の固体電解質型燃料電池1の作用の一例を示すタイムチャートである。また、図10は、制御部110により実行される制御のフローチャートである。図10のフローチャートに示す処理は、主に、制御部110に内蔵された指令電流設定手段110a、インバータ制御手段110b、指令電流補正手段110c、及び燃料制御手段110dにより実行されるものである。具体的には、これら指令電流設定手段110a、インバータ制御手段110b、指令電流補正手段110c、及び燃料制御手段110dは、制御部110に内蔵されたマイクロプロセッサ、メモリ、及びこれらを作動させるプログラム等により構成される。   Next, the operation of the solid oxide fuel cell 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 9 is a time chart showing an example of the operation of the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment. FIG. 10 is a flowchart of control executed by the control unit 110. The process shown in the flowchart of FIG. 10 is mainly executed by the command current setting unit 110a, the inverter control unit 110b, the command current correction unit 110c, and the fuel control unit 110d built in the control unit 110. Specifically, the command current setting unit 110a, the inverter control unit 110b, the command current correction unit 110c, and the fuel control unit 110d are based on a microprocessor built in the control unit 110, a memory, a program for operating these, and the like. Composed.

まず、図9に示すタイムチャートは、住宅等の施設が消費している総需要電力(要求電力)を1段目に表し、総需要電力のうち固体電解質型燃料電池1によって供給される電力、即ち、インバータ54から出力されるインバータ出力電力を2段目に表し、指令電流Iiを3段目に表し、燃料電池モジュール2からインバータ54に取り出される電流である実発電電流Icを4段目に表している。   First, the time chart shown in FIG. 9 represents the total demand power (required power) consumed by facilities such as houses in the first stage, and the power supplied by the solid oxide fuel cell 1 out of the total demand power, That is, the inverter output power output from the inverter 54 is represented in the second stage, the command current Ii is represented in the third stage, and the actual power generation current Ic that is the current drawn from the fuel cell module 2 to the inverter 54 is represented in the fourth stage. Represents.

図9の時刻t0〜t1においては、総需要電力は、細かな変動を含みながらも概ね増加傾向にあり、これに伴ってインバータ出力電力も緩やかに増加している。各時刻における総需要電力とインバータ出力電力の差に相当する電力は、系統電力から供給されている。なお、施設が消費する総需要電力は、総需要電力モニター信号Ms(図6)として制御部110に入力される。また、時刻t0〜t1においては、指令電流設定手段110aは、総需要電力の増加傾向に緩やかに追従するように、指令電流Iiを上昇させ、インバータ制御手段110bは、指令電流Iiを越えない範囲で実発電電流Icを緩やかに上昇させている。   At times t0 to t1 in FIG. 9, the total demand power is generally increasing while including fine fluctuations, and accordingly, the inverter output power is gradually increasing. The power corresponding to the difference between the total demand power and the inverter output power at each time is supplied from the grid power. The total demand power consumed by the facility is input to the control unit 110 as a total demand power monitor signal Ms (FIG. 6). At times t0 to t1, the command current setting unit 110a increases the command current Ii so as to gently follow the increasing trend of the total demand power, and the inverter control unit 110b does not exceed the command current Ii. Thus, the actual power generation current Ic is gradually increased.

次いで、時刻t1においては、総需要電力が短期間急激に減少している。これに伴いインバータ制御手段110bは、燃料電池モジュール2からインバータ54に取り出す実発電電流Icを急激に減少させている。なお、インバータ54に取り出される実発電電流Icは、実発電電流モニター信号Mic(図6)として制御部110に入力される。また、インバータ54から出力されるインバータ出力電力も実発電電流Icとほぼ同様に変化されるが、インバータ54に内蔵されたキャパシタ等の作用により、実発電電流Icよりも若干変動が緩やかになっている。その後、インバータ制御手段110bは、総需要電力の増加に追従して、実発電電流Icを緩やかに上昇させている(時刻t1〜t4)。なお、総需要電力に対する実発電電流Icの追従性は、総需要電力に対する指令電流Iiの追従性よりも高く設定されている。   Next, at time t1, the total demand power is rapidly decreasing for a short period. Accordingly, the inverter control means 110b sharply reduces the actual power generation current Ic extracted from the fuel cell module 2 to the inverter 54. The actual generated current Ic extracted by the inverter 54 is input to the control unit 110 as the actual generated current monitor signal Mic (FIG. 6). Further, the inverter output power output from the inverter 54 also changes in substantially the same manner as the actual power generation current Ic, but due to the action of a capacitor or the like built in the inverter 54, the fluctuation becomes slightly gentler than the actual power generation current Ic. Yes. After that, the inverter control unit 110b gradually increases the actual power generation current Ic following the increase in the total demand power (time t1 to t4). The followability of the actual generated current Ic with respect to the total demand power is set higher than the followability of the command current Ii with respect to the total demand power.

一方、指令電流設定手段110aは、総需要電力に基づいて指令電流Iiを決定している。しかしながら、指令電流設定手段110aは、総需要電力の変化を大幅に平滑化して指令電流Iiを決定しているため、時刻t1における総需要電力の短期間の減少は指令電流Iiの設定には殆ど影響を与えることがない。このため、指令電流Iiは単調に増加するように設定される(図9における想像線)。従来の燃料電池においては、このようにして決定された指令電流Iiの値がそのまま使用され、これに基づいて燃料電池モジュール2への燃料供給量が決定されていた。   On the other hand, the command current setting means 110a determines the command current Ii based on the total demand power. However, since the command current setting means 110a determines the command current Ii by largely smoothing the change in the total demand power, the short-term decrease in the total demand power at the time t1 is almost not in the setting of the command current Ii. There is no impact. For this reason, the command current Ii is set to increase monotonously (imaginary line in FIG. 9). In the conventional fuel cell, the value of the command current Ii determined in this way is used as it is, and the fuel supply amount to the fuel cell module 2 is determined based on this value.

これに対して、本実施形態の固体電解質型燃料電池1においては、上記のようにして決定された指令電流Iiの値が、指令電流Iiと実発電電流Icの差が減少されるように、指令電流補正手段110cによって減少方向に補正される(図9における破線)。燃料制御手段110dは、このように補正された指令電流Iiに基づいて燃料供給量を決定し、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット38を制御する。   On the other hand, in the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment, the value of the command current Ii determined as described above is such that the difference between the command current Ii and the actual power generation current Ic is reduced. It is corrected in the decreasing direction by the command current correcting means 110c (broken line in FIG. 9). The fuel control means 110d determines the fuel supply amount based on the command current Ii corrected in this way, and controls the fuel flow rate adjustment unit 38 that is the fuel supply means.

次に、図10を参照して、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池1の作用を説明する。
まず、ステップS1においては、指令電流設定手段110aに、総需要電力が総需要電力モニター信号Msとして入力される。次に、ステップS2においては、指令電流設定手段110aは、入力された総需要電力に基づいて指令電流Iiを決定する。指令電流設定手段110aは、過去に入力された総需要電力の積分計算等により、極めて緩やかに変化するように指令電流Iiを決定する。また、指令電流Iiは、燃料電池モジュール2の最大定格電流以下の値に決定される。
Next, the operation of the solid oxide fuel cell 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
First, in step S1, the total demand power is input to the command current setting means 110a as the total demand power monitor signal Ms. Next, in step S2, the command current setting means 110a determines the command current Ii based on the input total demand power. The command current setting means 110a determines the command current Ii so as to change very slowly by integration calculation of the total demand power input in the past. Further, the command current Ii is determined to be a value equal to or less than the maximum rated current of the fuel cell module 2.

次に、ステップS3においては、総需要電力のうち、系統電力から供給されている電力が所定値以上か否かが判断される。即ち、インバータ54から出力される電力は系統電力への逆潮流を防止するため、総需要電力よりも所定の電力だけ小さい値になるように設定されている。ステップS3においては、この総需要電力に対するマージンが十分に確保されているか否かが判断される。マージンが十分でない場合には、ステップS4に進む。   Next, in step S3, it is determined whether or not the power supplied from the grid power out of the total demand power is greater than or equal to a predetermined value. That is, the power output from the inverter 54 is set to be a value smaller than the total demand power by a predetermined power in order to prevent a reverse flow to the grid power. In step S3, it is determined whether or not a sufficient margin for the total demand power is secured. If the margin is not sufficient, the process proceeds to step S4.

ステップS4においては、インバータ出力電力が、総需要電力の急激な落ち込み等により総需要電力を超えていないかが判断される。インバータ出力電力が総需要電力を超えている場合にはステップS5に進む。ステップS5において、インバータ制御手段110bは、逆潮流を回避すべく実発電電流Icを低下させる。さらに、この場合には、燃料電池モジュール2が発電している電力が総需要電力に対して大きすぎる状態であるため、指令電流Iiを実発電電流Icまで低下させる。また、インバータ出力電力が総需要電力を超えていない場合にはステップS6に進み、ステップS6では、指令電流Iiの値が従前の値に維持される。   In step S4, it is determined whether or not the inverter output power does not exceed the total demand power due to a sudden drop in the total demand power or the like. If the inverter output power exceeds the total demand power, the process proceeds to step S5. In step S5, the inverter control means 110b reduces the actual power generation current Ic so as to avoid reverse power flow. Furthermore, in this case, since the power generated by the fuel cell module 2 is too large relative to the total demand power, the command current Ii is reduced to the actual power generation current Ic. On the other hand, if the inverter output power does not exceed the total demand power, the process proceeds to step S6, where the value of the command current Ii is maintained at the previous value.

一方、ステップS3において、マージンが十分に確保されていると判断された場合には、ステップS7に進む。ステップS7においては、実発電電流Icが指令電流Ii以上であるか否か判断される。実発電電流Icが指令電流Ii以上である場合には、燃料電池モジュール2の発電能力以上にインバータ54が電流を取り出している状態であるため、ステップS13に進み、指令電流Iiを増加させる。   On the other hand, if it is determined in step S3 that a sufficient margin is secured, the process proceeds to step S7. In step S7, it is determined whether or not the actual power generation current Ic is equal to or greater than the command current Ii. If the actual power generation current Ic is greater than or equal to the command current Ii, the inverter 54 is taking out more current than the power generation capacity of the fuel cell module 2, and thus the process proceeds to step S13 and the command current Ii is increased.

また、ステップS7において、実発電電流Icが指令電流Ii以上でないと判断された場合には、ステップS8に進み、ステップS8においては、指令電流Iiと実発電電流Icの差である偏差電流ΔY(=Ii−Ic)が計算される。なお、実発電電流Icは、実発電電流モニター信号Micとして指令電流補正手段110cに入力される。   If it is determined in step S7 that the actual power generation current Ic is not equal to or greater than the command current Ii, the process proceeds to step S8. In step S8, the deviation current ΔY (which is the difference between the command current Ii and the actual power generation current Ic). = Ii-Ic) is calculated. The actual power generation current Ic is input to the command current correction unit 110c as the actual power generation current monitor signal Mic.

次に、ステップS9において、偏差電流ΔYの値が、所定の偏差電流上限値Y1以上であるか否かが判断される。偏差電流ΔYが偏差電流上限値Y1以上である場合には、ステップS10に進む。偏差電流ΔYが偏差電流上限値Y1以上の場合(図9における時刻t1)は、燃料電池モジュール2の発電能力が実際に燃料電池モジュール2から取り出されている実発電電流Icに比べ大きすぎる状態であるため、ステップS10において、指令電流補正手段110cは、指令電流Iiを所定の電流量Δaだけ減少させる。この電流量Δaは、指令電流Iiの減少による燃料電池モジュール2の急激な温度低下が発生しない値に設定されている。偏差電流ΔYが偏差電流上限値Y1以上になっている間は、図10に示すフローチャートが実行される毎にステップS10の処理が行われ、指令電流Iiの減少状態が継続する(図9における時刻t1〜t2)。   Next, in step S9, it is determined whether or not the value of the deviation current ΔY is equal to or greater than a predetermined deviation current upper limit value Y1. If the deviation current ΔY is greater than or equal to the deviation current upper limit value Y1, the process proceeds to step S10. When the deviation current ΔY is greater than or equal to the deviation current upper limit value Y1 (time t1 in FIG. 9), the power generation capability of the fuel cell module 2 is too large compared to the actual power generation current Ic actually extracted from the fuel cell module 2. Therefore, in step S10, the command current correction unit 110c decreases the command current Ii by a predetermined current amount Δa. The current amount Δa is set to a value that does not cause a rapid temperature drop of the fuel cell module 2 due to a decrease in the command current Ii. While the deviation current ΔY is equal to or greater than the deviation current upper limit value Y1, the process of step S10 is performed every time the flowchart shown in FIG. 10 is executed, and the reduction state of the command current Ii continues (time in FIG. 9). t1-t2).

次に、指令電流Iiの減少、及び/又は実発電電流Icの増大により、偏差電流ΔYが偏差電流上限値Y1よりも小さくなると、ステップS9からステップS11に処理が移行するようになる。ステップS11において、偏差電流ΔYの値が、所定の偏差電流下限値Y2以上であるか否かが判断される。偏差電流ΔYが偏差電流上限値Y1よりも小さく、偏差電流下限値Y2以上である場合には、ステップS12に進む。ステップS12においては、指令電流Iiの値は従前の値に維持される。このように、指令電流補正手段110cは、指令電流Iiと実発電電流Icの差が減少されるように作用すると共に、この差が0になるまで減少することなく、所定の偏差電流(偏差電流下限値Y2)以上残存するように作用する。偏差電流ΔYが偏差電流下限値Y2以上、偏差電流上限値Y1未満になっている間は、図10に示すフローチャートが実行される毎にステップS12の処理が行われ、指令電流Iiの値が一定に維持される(図9における時刻t2〜t3)。   Next, when the deviation current ΔY becomes smaller than the deviation current upper limit Y1 due to the decrease in the command current Ii and / or the increase in the actual power generation current Ic, the process proceeds from step S9 to step S11. In step S11, it is determined whether or not the value of the deviation current ΔY is equal to or greater than a predetermined deviation current lower limit value Y2. If the deviation current ΔY is smaller than the deviation current upper limit value Y1 and greater than or equal to the deviation current lower limit value Y2, the process proceeds to step S12. In step S12, the value of the command current Ii is maintained at the previous value. In this way, the command current correcting unit 110c acts so that the difference between the command current Ii and the actual power generation current Ic is reduced, and the predetermined deviation current (deviation current) is not reduced until the difference becomes zero. It acts so as to remain over the lower limit Y2). While the deviation current ΔY is not less than the deviation current lower limit value Y2 and less than the deviation current upper limit value Y1, the process of step S12 is performed every time the flowchart shown in FIG. 10 is executed, and the value of the command current Ii is constant. (Time t2 to t3 in FIG. 9).

さらに、実発電電流Icの増大により、偏差電流ΔYが偏差電流下限値Y2よりも小さくなると、ステップS11からステップS13に処理が移行するようになる。ステップS13においては、偏差電流ΔYが小さくなりすぎたため、指令電流Iiを所定の電流量Δaだけ増加させる(図9における時刻t3以降)。この電流量Δaは、指令電流Iiの増加による燃料電池モジュール2の急激な温度上昇が発生しない値に設定されている。   Further, when the deviation current ΔY becomes smaller than the deviation current lower limit value Y2 due to the increase in the actual power generation current Ic, the process proceeds from step S11 to step S13. In step S13, since the deviation current ΔY has become too small, the command current Ii is increased by a predetermined current amount Δa (after time t3 in FIG. 9). This amount of current Δa is set to a value that does not cause a rapid temperature rise of the fuel cell module 2 due to an increase in the command current Ii.

このように、本実施形態の固体電解質型燃料電池1においては、指令電流設定手段110aが総需要電力に基づいて指令電流Iiを設定すると共に、指令電流補正手段110cは実発電電流Icに基づいて、指令電流Iiと実発電電流Icの差が減少されるように指令電流Iiを補正する。さらに、指令電流補正手段110cは、指令電流Iiと実発電電流Icの差を減少させながらも、その差が偏差電流下限値Y2よりも小さくなったとき、指令電流Iiを増加させるThus, in the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment, the command current setting unit 110a sets the command current Ii based on the total demand power, and the command current correction unit 110c is based on the actual power generation current Ic. The command current Ii is corrected so that the difference between the command current Ii and the actual generated current Ic is reduced. Further, the command current correcting unit 110c decreases the difference between the command current Ii and the actual generated current Ic, but increases the command current Ii when the difference becomes smaller than the deviation current lower limit value Y2.

本発明の実施形態の固体電解質型燃料電池1によれば、図9に示すように、指令電流設定手段110aは、総需要電力の変化に応答して指令電流Iiを設定するが、その応答性は、インバータ制御手段110bにより設定される実発電電流Icの応答性よりも低くされている。この結果、総需要電力の変化に応じて燃料電池モジュール2への燃料供給量が過敏に変化されることがないので、燃料電池モジュール2の無用な温度降下を招いたり、出力を増加させたいときに燃料電池モジュール2の温度上昇が遅れ、十分な電力を供給することができないという問題や、燃料電池モジュール2が燃料枯れを起こすという問題を回避することができる。また、同時に、指令電流補正手段110cが、指令電流Iiよりも応答性が高い実発電電流Icに基づいて指令電流Iiを減少方向に補正する。このため、常に指令電流以下の値に設定される実発電電流Icの、指令電流Iiとの差が減少され、不要な燃料消費を抑制し、省エネルギーを実現することができると共に、固体電解質型燃料電池1の総合効率を向上させることができる。   According to the solid oxide fuel cell 1 of the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 9, the command current setting means 110a sets the command current Ii in response to a change in the total demand power. Is lower than the responsiveness of the actual generated current Ic set by the inverter control means 110b. As a result, the amount of fuel supplied to the fuel cell module 2 is not sensitively changed in accordance with the change in the total demand power, so that an unnecessary temperature drop of the fuel cell module 2 or an increase in output is desired. In addition, the problem that the temperature rise of the fuel cell module 2 is delayed and sufficient power cannot be supplied, and the problem that the fuel cell module 2 runs out of fuel can be avoided. At the same time, the command current correction unit 110c corrects the command current Ii in a decreasing direction based on the actual power generation current Ic that has higher responsiveness than the command current Ii. For this reason, the difference between the actual power generation current Ic, which is always set to a value equal to or less than the command current, and the command current Ii is reduced, unnecessary fuel consumption can be suppressed, energy saving can be realized, and solid electrolyte fuel The overall efficiency of the battery 1 can be improved.

また、本実施形態の固体電解質型燃料電池1によれば、指令電流補正手段110cは、指令電流Iiと実発電電流Icの間に偏差電流が残存する(図10のステップS11〜S13)ように、指令電流Iiと実発電電流Icの差を減少させる(図10のステップS9、S10)ので、再度出力電力を上昇させる際に燃料電池モジュール2の温度上昇が遅れ、総需要電力の上昇に対する応答が大幅に遅れるのを防止することができる。 In addition, according to the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment, the command current correction unit 110c has a deviation current remaining between the command current Ii and the actual power generation current Ic (steps S11 to S13 in FIG. 10). Since the difference between the command current Ii and the actual power generation current Ic is reduced (steps S9 and S10 in FIG. 10), the temperature rise of the fuel cell module 2 is delayed when the output power is increased again, and the response to the increase in the total demand power Can be prevented from being significantly delayed.

なお、上述した本発明の実施形態においては、偏差電流下限値Y2の値は一定であったが、変形例として、偏差電流下限値Y2の値を、燃料電池モジュール2の運転状態に応じて変更することもできる。好ましくは、指令電流Iiが小さい状態においては、偏差電流下限値Y2の値を小さく設定する。また、好ましくは、総需要電力が急激に変化している状態においては、偏差電流下限値Y2の値を大きく設定する。   In the embodiment of the present invention described above, the value of the deviation current lower limit value Y2 is constant. However, as a modification, the value of the deviation current lower limit value Y2 is changed according to the operating state of the fuel cell module 2. You can also Preferably, when the command current Ii is small, the deviation current lower limit value Y2 is set small. Preferably, the value of the deviation current lower limit value Y2 is set to be large in a state where the total demand power is changing rapidly.

このように構成された本発明の実施形態の変形例によれば、偏差電流下限値Y2の値が燃料電池モジュール2の運転状態に応じて変更されるので、運転の様々な局面において指令電流Iiと実発電電流Icの間に適切な偏差をもたせることができる。この結果、指令電流Iiと実発電電流Icの偏差を減少させることにより不要な燃料消費を減少させる省エネ効果と、総需要電力が上昇した際に、燃料電池モジュール2が比較的迅速に総需要電力に追従して、系統電力の消費を抑制する省エネ効果を両立することができる。   According to the modification of the embodiment of the present invention configured as described above, the value of the deviation current lower limit value Y2 is changed according to the operation state of the fuel cell module 2, and therefore the command current Ii in various aspects of operation. And the actual generated current Ic can have an appropriate deviation. As a result, an energy saving effect that reduces unnecessary fuel consumption by reducing the deviation between the command current Ii and the actual power generation current Ic, and when the total demand power increases, the fuel cell module 2 relatively quickly The energy saving effect that suppresses the consumption of the system power can be achieved at the same time.

また、上述した変形例によれば、指令電流Iiが小さいほど偏差電流下限値Y2が減少されるので、燃料電池モジュール2の温度が低く、温度を維持するために燃料が必要になる燃料利用率の低い運転状態における運転効率のより一層の低下を防止することができる。   Further, according to the above-described modification, the deviation current lower limit value Y2 is reduced as the command current Ii is smaller. Therefore, the fuel utilization rate at which the temperature of the fuel cell module 2 is low and fuel is required to maintain the temperature. It is possible to prevent further reduction in operating efficiency in the low operating state.

さらに、上述した変形例によれば、総需要電力の変化が急激な場合には偏差電流下限値Y2が大きくなるので、総需要電力の増加局面において、燃料電池モジュール2の温度上昇を促進することができ、燃料電池モジュール2が比較的迅速に総需要電力に追従することが可能になり、系統電力の消費を抑制することができる。   Furthermore, according to the above-described modification, the deviation current lower limit value Y2 becomes large when the change in the total demand power is abrupt, so that the temperature increase of the fuel cell module 2 is promoted in the increase phase of the total demand power. Thus, the fuel cell module 2 can follow the total demand power relatively quickly, and the consumption of the system power can be suppressed.

1 固体電解質型燃料電池
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
8 密封空間
10 発電室
12 燃料電池セル集合体
14 燃料電池セルスタック
16 燃料電池セルユニット(固体電解質型燃料電池セル)
18 燃焼室
20 改質器
22 空気用熱交換器
24 水供給源
26 純水タンク
28 水流量調整ユニット(水供給手段)
30 燃料供給源
38 燃料流量調整ユニット(燃料供給手段)
40 空気供給源
44 改質用空気流量調整ユニット
45 発電用空気流量調整ユニット(改質用空気供給手段)
46 第1ヒータ
48 第2ヒータ
50 温水製造装置
52 制御ボックス
54 インバータ
83 点火装置
84 燃料電池セル
110 制御部
110a 指令電流設定手段
110b インバータ制御手段
110c 指令電流補正手段
110d 燃料制御手段
112 操作装置
114 表示装置
116 警報装置
126 電力状態検出センサ
132 燃料流量センサ(燃料供給量検出センサ)
138 圧力センサ(改質器圧力センサ)
142 発電室温度センサ(温度検出手段)
150 外気温度センサ
200 住宅
202 燃料電池
204 系統電力
206 カレントトランス
208 燃料電池モジュール
210 フィルター
212 インバータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid oxide type fuel cell 2 Fuel cell module 4 Auxiliary unit 8 Sealed space 10 Power generation chamber 12 Fuel cell assembly 14 Fuel cell stack 16 Fuel cell unit (solid oxide fuel cell)
18 Combustion chamber 20 Reformer 22 Air heat exchanger 24 Water supply source 26 Pure water tank 28 Water flow rate adjustment unit (water supply means)
30 Fuel supply source 38 Fuel flow rate adjustment unit (fuel supply means)
40 Air supply source 44 Reforming air flow rate adjustment unit 45 Power generation air flow rate adjustment unit (reforming air supply means)
46 1st heater 48 2nd heater 50 Hot water production apparatus 52 Control box 54 Inverter 83 Ignition apparatus 84 Fuel cell 110 Control part 110a Command current setting means 110b Inverter control means 110c Command current correction means 110d Fuel control means 112 Operation device 114 Display Device 116 Alarm device 126 Power state detection sensor 132 Fuel flow rate sensor (fuel supply amount detection sensor)
138 Pressure sensor (reformer pressure sensor)
142 Power generation chamber temperature sensor (temperature detection means)
150 Outside temperature sensor 200 House 202 Fuel cell 204 System power 206 Current transformer 208 Fuel cell module 210 Filter 212 Inverter

Claims (5)

要求電力に応じた可変の電力を発電する固体電解質型燃料電池であって、
供給された燃料により発電する燃料電池モジュールと、
この燃料電池モジュールから電流を取り出し、交流に変換するインバータと、
上記燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段と、
上記要求電力の変化に応答して指令電流を設定する指令電流設定手段と、
上記要求電力の変化に対して上記指令電流よりも高い追従性で上記要求電力に応答し、且つ上記指令電流以下の値になるように実発電電流を決定し、この実発電電流が上記燃料電池モジュールから取り出されるように上記インバータを制御するインバータ制御手段と、
上記実発電電流に基づいて、上記指令電流と上記実発電電流の差が所定の偏差電流まで減少されるように、上記指令電流を減少方向に補正する指令電流補正手段と、
この補正された指令電流を発生可能な燃料が上記燃料電池モジュールに供給されるように、上記燃料供給手段を制御する燃料制御手段と、
を有することを特徴とする固体電解質型燃料電池。
A solid oxide fuel cell that generates variable power according to required power,
A fuel cell module for generating electricity from the supplied fuel;
An inverter that extracts current from the fuel cell module and converts it into alternating current;
Fuel supply means for supplying fuel to the fuel cell module;
Command current setting means for setting a command current in response to a change in the required power;
The actual power generation current is determined so as to respond to the required power with higher followability than the command current with respect to the change in the required power, and to be a value equal to or less than the command current. Inverter control means for controlling the inverter so as to be removed from the module;
Command current correction means for correcting the command current in a decreasing direction so that a difference between the command current and the actual power generation current is reduced to a predetermined deviation current based on the actual power generation current;
Fuel control means for controlling the fuel supply means so that fuel capable of generating the corrected command current is supplied to the fuel cell module;
A solid oxide fuel cell comprising:
上記指令電流補正手段は、上記指令電流と上記実発電電流の差が上記所定の偏差電流よりも小さくなったとき、上記指令電流を増加させる請求項1記載の固体電解質型燃料電池。 The command current correction means, when the difference between the command current and the actual generated current is smaller than the predetermined deviation current, solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein increasing the command current. 上記指令電流補正手段は、上記燃料電池モジュールの運転状態に応じて、上記所定の偏差電流を変更する請求項2記載の固体電解質型燃料電池。   3. The solid oxide fuel cell according to claim 2, wherein the command current correcting means changes the predetermined deviation current according to an operating state of the fuel cell module. 上記指令電流補正手段は、上記指令電流が小さいほど、上記所定の偏差電流を減少させる請求項3記載の固体電解質型燃料電池。   4. The solid oxide fuel cell according to claim 3, wherein the command current correcting means decreases the predetermined deviation current as the command current is smaller. 上記指令電流補正手段は、上記要求電力の変化が急激なほど、上記所定の偏差電流を増大させる請求項3記載の固体電解質型燃料電池。   4. The solid oxide fuel cell according to claim 3, wherein the command current correcting means increases the predetermined deviation current as the change in the required power is abrupt.
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