JP6278339B2 - Solid oxide fuel cell device - Google Patents

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Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池装置に関し、特に、需要電力に応じて発電出力電力を変化させる固体酸化物型燃料電池装置に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell device, and more particularly to a solid oxide fuel cell device that changes generated output power according to demand power.

固体酸化物型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」とも言う)は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤ガス(空気、酸素等)を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。   A solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as “SOFC”) uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, attaches electrodes on both sides thereof, and supplies fuel gas on one side, The fuel cell operates at a relatively high temperature by supplying an oxidant gas (air, oxygen, etc.) to the other side.

固体酸化物型燃料電池装置において、需要電力の変化に発電量を追従させるように動作するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載の固体酸化物型燃料電池装置では、需要電力が増加した場合、目標発電量に応じて酸化剤ガス(空気)供給量,水供給量及び燃料供給量を順次に増加させることにより、燃料電池セルユニットを劣化させることなく、所定時間の遅れをもって目標発電量まで発電量を増加させることができる。   Among solid oxide fuel cell devices, one that operates so that the amount of power generation follows the change in demand power is known (see, for example, Patent Document 1). In the solid oxide fuel cell device described in Patent Document 1, when demand power increases, an oxidant gas (air) supply amount, a water supply amount, and a fuel supply amount are sequentially increased according to a target power generation amount. Thus, the power generation amount can be increased to the target power generation amount with a predetermined time delay without deteriorating the fuel cell unit.

即ち、目標発電量に応じて燃料等の供給量を増量しても、例えば燃料は改質器等を含む燃料供給路を通過して燃料電池セルユニットに到達するまでに時間遅れがあるため、燃料電池装置からの電力取り出しを需要電力の増加に時間遅れなく追従させると、過剰な電力取り出しが行われることになり、燃料電池セルユニットを劣化又は損傷させてしまう。   That is, even if the supply amount of fuel or the like is increased according to the target power generation amount, for example, there is a time delay until the fuel reaches the fuel cell unit through the fuel supply path including the reformer, etc. If the power extraction from the fuel cell device is allowed to follow the increase in demand power without a time delay, excessive power extraction is performed, and the fuel cell unit is deteriorated or damaged.

したがって、特許文献1に記載の固体酸化物型燃料電池装置では、取り出し電力に見合った燃料が燃料電池セルユニットに到達するまでの時間遅れや、燃料到達後に実際に発電反応が可能になるまでの時間遅れに対応して、取り出し電力の増加タイミングを遅延させる遅延制御が実行される。このように、固体酸化物型燃料電池装置は、需要電力の変化に対して所定時間遅れて出力電力を追従させることができる。したがって、需要電力の時間変動が上述の遅れ時間に対して小さい場合は、需要電力の変化に出力電力を比較的良好に追従させることができる。   Therefore, in the solid oxide fuel cell device described in Patent Document 1, there is a time delay until the fuel corresponding to the extracted power reaches the fuel cell unit, or until the power generation reaction is actually possible after the fuel arrives. Corresponding to the time delay, delay control for delaying the increase timing of the extraction power is executed. Thus, the solid oxide fuel cell device can follow the output power with a predetermined time delay with respect to the change in the demand power. Therefore, when the time fluctuation of the demand power is small with respect to the above-described delay time, the output power can follow the change in the demand power relatively well.

特開2013−69447号公報JP 2013-69447 A

しかしながら、需要電力の時間変動が遅れ時間に比べて大きく、急激な変化を伴うものである場合、固体酸化物型燃料電池装置は、この急激な需要電力の変化に追従することができない。また、需要電力が短時間で頻繁に上下変動する場合、需要電力の増加に応じて燃料供給量が増大されても、上述の遅れ時間の経過前に需要電力が減少してしまうと、増大された燃料は発電反応に用いることができなくなる。このため、発電反応に用いられない分は、余剰燃料となり、単に燃料電池モジュール内での燃焼に用いられることになる。   However, when the time fluctuation of the demand power is large compared to the delay time and is accompanied by a rapid change, the solid oxide fuel cell device cannot follow the sudden change in the demand power. In addition, when the power demand fluctuates frequently in a short time, even if the fuel supply amount increases as the demand power increases, if the power demand decreases before the above-mentioned delay time elapses, it will increase. The remaining fuel cannot be used for the power generation reaction. For this reason, the portion not used for the power generation reaction becomes surplus fuel and is simply used for combustion in the fuel cell module.

したがって、このような遅れ時間に比べて短い周期で需要電力の時間変動が繰り返されると、無駄な余剰燃料が増加すると共に、その燃焼熱により燃料電池モジュール内の温度が上がり過ぎる過昇温という問題があった。特に、燃料電池モジュールは内部を高温に保持するために断熱性が良好であるため、余剰燃料による燃焼が過多であると、内部温度が上がり過ぎてしまう。   Therefore, if the time fluctuation of the demand power is repeated in a cycle shorter than such a delay time, the surplus fuel is increased and the temperature inside the fuel cell module is excessively increased due to the heat of combustion. was there. In particular, since the fuel cell module has good heat insulation to keep the interior at a high temperature, if the combustion with excess fuel is excessive, the internal temperature will rise too much.

具体的な例を以下に説明する。家庭内において、需要電力は一日の中で変化する。例えば、朝食時間帯や夕食時間帯は需要電力が大きい高負荷期間であり、深夜から早朝の時間帯や昼間の特定の時間帯は需要電力が小さい低負荷期間である。高負荷期間には、固体酸化物型燃料電池装置の定格電力(例えば、700W)を超えた需要電力の期間が継続するため、不足電力分は系統電力によって補われる。したがって、このような高負荷期間に急激な需要電力の変動があったとしても、燃料電池装置からの出力電力を一定としたまま、系統電力により需要電力の変動に対応することができる。   A specific example will be described below. In the home, power demand changes throughout the day. For example, a breakfast time zone and a dinner time zone are high load periods in which demand power is large, and a time zone from midnight to early morning or a specific time zone in the daytime is a low load period in which demand power is small. During the high load period, the period of demand power exceeding the rated power (for example, 700 W) of the solid oxide fuel cell device continues, so the shortage is supplemented by the system power. Therefore, even if there is a sudden fluctuation in demand power during such a high load period, the fluctuation in demand power can be dealt with by the grid power while the output power from the fuel cell device is kept constant.

一方、低負荷期間には、固体酸化物型燃料電池装置は、例えば、定格電力以下の1アンペア程度(数百ワット程度)の低出力運転を実行しており、この出力電力によって家庭内の需要電力を賄っている。このような低負荷期間において、急激で短周期の需要電力の変動が繰り返されると、上述のように固体酸化物型燃料電池装置は、無駄な燃料の発生や過昇温の問題を生じる。   On the other hand, during the low load period, the solid oxide fuel cell device performs a low output operation of, for example, about 1 ampere (about several hundred watts) below the rated power. It covers electricity. In such a low load period, if the fluctuation of demand power in a short and short cycle is repeated, as described above, the solid oxide fuel cell device causes problems of generation of useless fuel and excessive temperature rise.

例えば、家庭用電気製品が、低負荷期間である早朝時間帯にタイマー機能を利用して作動すると、需要電力が急増し、瞬時に千ワットを超える。さらに、家庭用電気製品には単純な電力オンオフ制御を繰り返すものが多く、例えば炊飯器は炊飯時において1分程度の間隔で電力のオンオフが繰り返される。このように、低負荷期間において、急激な電力オンオフ制御が繰り返し行われると、この急激な需要電力変動に遅れ時間をもって燃料電池装置が追従しようとするため、無駄な燃料や燃料電池モジュールの過昇温が発生してしまう。   For example, when a household electrical appliance operates using a timer function in the early morning hours during a low load period, the power demand increases rapidly and instantaneously exceeds 1,000 watts. Furthermore, many household electric appliances repeat simple power on / off control. For example, rice cookers are repeatedly turned on and off at intervals of about 1 minute during rice cooking. In this way, if the rapid power on / off control is repeatedly performed in the low load period, the fuel cell device tries to follow this rapid demand power fluctuation with a delay time, and therefore, excessive fuel or excessive increase of the fuel cell module is caused. Temperature will be generated.

従って、本発明は、遅れ時間をもって需要電力の変動に追従する固体酸化物型燃料電池装置において、需要電力の急激な変動の繰り返しによる燃料電池モジュールの過昇温を防止することができる固体酸化物型燃料電池装置を提供することを目的としている。   Accordingly, the present invention provides a solid oxide fuel cell device that follows fluctuations in demand power with a delay time, and can prevent overheating of the fuel cell module due to repeated sudden fluctuations in demand power. It aims at providing a type fuel cell device.

上述した課題を解決するために、本発明は、燃料電池セルを収容する燃料電池モジュールと、需要電力の一部又は全部を供給するように燃料電池モジュールによる発電を制御する制御手段とを備えた固体酸化物型燃料電池装置において、制御手段は、需要電力に基づいて発電量を決定する発電量決定手段と、決定された発電量に応じた燃料供給量を決定する燃料供給量決定手段と、決定された燃料供給量の燃料供給開始から所定時間遅れて前記燃料電池モジュールから、燃料供給量に応じた出力電力を取り出す遅延制御を実行することにより、出力電力を需要電力の変化に追従させる負荷追従制御実行手段と、を備え、制御手段は、更に、需要電力の時間変化を記憶する需要電力履歴記憶手段と、需要電力履歴記憶手段により記憶された需要電力の時間変化に基づいて、発電量の上限値を設定する上限値設定手段と、上限値設定手段により設定された上限値に応じた燃料供給量を超える燃料供給及び出力電力の取り出しを制限する負荷追従制限手段と、を備えたことを特徴としている。   In order to solve the above-described problems, the present invention includes a fuel cell module that accommodates a fuel cell, and a control unit that controls power generation by the fuel cell module so as to supply part or all of the demand power. In the solid oxide fuel cell device, the control means includes: a power generation amount determining means that determines a power generation amount based on demand power; a fuel supply amount determination means that determines a fuel supply amount according to the determined power generation amount; A load that causes the output power to follow the change in the demand power by executing delay control that extracts the output power corresponding to the fuel supply amount from the fuel cell module after a predetermined time delay from the start of fuel supply of the determined fuel supply amount Follow-up control execution means, and the control means further includes a demand power history storage means for storing a change in demand power over time, and a demand stored by the demand power history storage means. An upper limit value setting means for setting an upper limit value of the power generation amount based on the time change of the force, and a fuel supply exceeding the fuel supply amount according to the upper limit value set by the upper limit value setting means and taking out of output power are limited. Load follow-up limiting means.

固体酸化物型燃料電池装置では、需要電力の変動に対して負荷追従を行うことにより、必要なときに必要な分の燃料を投入して、効率のよい発電運転が可能となる。しかしながら、固体酸化物型燃料電池は燃料投入から電力取出しまでの間に遅れ時間があるので、需要電力が短周期で急激に変動するような場合には、負荷追従運転によって出力電力を需要電力に忠実に追従させようとすればする程、上述のように無駄な余剰燃料が増え、その燃焼熱量の増加により燃料電池モジュールの過昇温が発生するおそれがある。このような過昇温を抑制するためには、負荷追従を緩慢に行えばよいが、単に緩慢にするだけでは発電運転の効率が低下してしまう。   In the solid oxide fuel cell device, by performing load follow-up with respect to fluctuations in demand power, it is possible to supply the necessary amount of fuel when necessary and to perform efficient power generation operation. However, since solid oxide fuel cells have a delay time from fuel injection to power extraction, when the demand power fluctuates rapidly in a short cycle, the output power is converted to demand power by load following operation. The more faithful follow-up is, the more excess fuel is wasted as described above, and the fuel cell module may be overheated due to an increase in the amount of combustion heat. In order to suppress such an excessive temperature rise, the load follow-up may be performed slowly, but the efficiency of the power generation operation is reduced simply by slowing down.

そこで、本発明では、一般家庭等の生活パターンには規則性があることに着目している。例えば、毎日、特定の時刻(早朝、夕方等)にある家電製品(炊飯器等)がタイマー起動して短周期の大きな負荷変動が繰り返される場合がある。このような場合に、遅れ時間を伴う負荷追従制御が厳密に行われると、上述のように燃料電池セルモジュール内で余剰燃料の燃焼に起因する過昇温が発生するおそれが高い。固体酸化物型燃料電池装置は、電力のオンオフ制御を数分以下の短周期で繰り返す電化製品(特に、炊飯器等の加熱機器)への負荷追従には向いていない発電方式を採用しており、むしろこのような負荷追従運転は無駄な燃料の発生による発電運転の効率低下の面で使用者のメリットにならず、燃料電池セルモジュール自体の耐久性を低下させるものでもある。このため、本発明では、上述のような特定の時間帯においては、需要電力の時間変化の傾向に基づいて、余剰燃料の発生を抑制するように発電量の上限値を設定して上限値を超えるような負荷追従制御を制限することにより、過昇温を抑制すると共に効率的な発電運転を可能としている。   Therefore, in the present invention, attention is paid to the fact that there is regularity in the life patterns of ordinary households. For example, a home appliance (such as a rice cooker) at a specific time (early morning, evening, etc.) may be started every day and a large load fluctuation in a short cycle may be repeated. In such a case, if load follow-up control with a delay time is strictly performed, there is a high possibility that an excessive temperature increase due to combustion of surplus fuel occurs in the fuel cell module as described above. The solid oxide fuel cell system employs a power generation method that is not suitable for load following appliances (especially heating equipment such as rice cookers) that repeats on / off control of power with a short period of several minutes or less. Rather, such load following operation does not give a user's merit in terms of reduction in efficiency of power generation operation due to generation of useless fuel, and also reduces the durability of the fuel cell module itself. For this reason, in the present invention, in the specific time period as described above, based on the tendency of the demand power to change over time, the upper limit value is set by setting the upper limit value of power generation so as to suppress the generation of surplus fuel. By limiting the load following control that exceeds the limit, excessive temperature rise is suppressed and efficient power generation operation is enabled.

本発明において、好ましくは、負荷追従制限手段は、記憶された需要電力の時間変化に基づいて、少なくとも需要電力の時間変化が大きい時間帯において上限値を設定し、上限値を超える出力電力の取り出しを制限する。
このように構成された本発明によれば、炊飯器等の使用時間帯のように、負荷追従制御の遅れ時間と比べて同じかそれよりも短時間周期の高頻度な電力オンオフが繰り返される時間帯において、需要電力の上限が設定されるため、燃料電池セル自体の温度変化、遅れ時間に伴い生じる余剰燃料の発生、及びその燃焼に起因した過昇温が抑制される。これにより、燃料電池セルの耐久性を確保できると共に、無駄な燃料の発生を抑制して燃費の向上といった使用者メリットも得ることができる。
In the present invention, it is preferable that the load follow-up limiting unit sets an upper limit value at least in a time zone in which the time change of the demand power is large based on the stored time change of the demand power, and extracts output power exceeding the upper limit value. Limit.
According to the present invention configured as described above, the time when the power on / off is repeated at a high frequency with the same or shorter period than the delay time of the load following control as in the use time zone of the rice cooker or the like. Since the upper limit of the demand power is set in the belt, the temperature change of the fuel cell itself, the generation of surplus fuel caused by the delay time, and the excessive temperature rise caused by the combustion are suppressed. As a result, the durability of the fuel cell can be ensured, and user benefits such as improvement of fuel consumption can be obtained by suppressing the generation of useless fuel.

本発明において、好ましくは、負荷追従制限手段は、記憶された需要電力の時間変化に基づいて、前記時間帯における需要電力の最低値を、この時間帯における上限値に設定する。
このように構成された本発明によれば、需要電力の時間変化が大きい時間帯において、その時間帯の需要電力の最低値を上限値に設定するので、出力電力を一定にすることができ、このため、燃料電池装置の発電運転を安定化させて、燃料電池モジュールの耐久性を向上させることが可能となる。
In the present invention, preferably, the load follow-up limiting means sets the minimum value of the demand power in the time zone as the upper limit value in the time zone based on the stored time change of the demand power.
According to the present invention configured as described above, in the time zone where the time change of the demand power is large, the minimum value of the demand power in that time zone is set to the upper limit value, so that the output power can be made constant, For this reason, it is possible to stabilize the power generation operation of the fuel cell device and improve the durability of the fuel cell module.

本発明において、好ましくは、負荷追従制限手段は、前記時間帯において、需要電力が上限値を所定期間超える場合には、上限値の設定を禁止又は上限値をより高い値に再設定する。
このように構成された本発明によれば、需要電力の時間変化が傾向とは異なった場合には、実際の電力需要に追従させた方が良い場合がある。即ち、上限値を固定化してしまうと、使用者が通常とは異なる電力使用をした場合(通常は小さな電力しか使用しない時間帯に大きな電力使用をする場合)に、燃料電池装置から電力が供給されずに、系統電力から電力が供給されることになる場合がある。そうすると燃料電池装置を用いるメリットが低減してしまう。したがって、本発明では、需要電力が上限値を所定期間超えるような場合には、上限値の設定を禁止又はより高い値に再設定することにより、より多くの出力電力を供給することができる。
In the present invention, preferably, the load follow-up limiting unit prohibits the setting of the upper limit value or resets the upper limit value to a higher value when the demand power exceeds the upper limit value for a predetermined period in the time period.
According to the present invention configured as described above, there is a case where it is better to follow the actual power demand when the time change of the demand power is different from the tendency. That is, if the upper limit is fixed, power is supplied from the fuel cell device when the user uses different power than usual (usually when using a large amount of power during a time when only a small amount of power is used). Instead, power may be supplied from the grid power. If it does so, the merit which uses a fuel cell device will reduce. Therefore, in the present invention, when the demand power exceeds the upper limit value for a predetermined period, more output power can be supplied by prohibiting the setting of the upper limit value or resetting the upper limit value to a higher value.

本発明の固体酸化物型燃料電池装置によれば、需要電力の急激な変動の繰り返しによる燃料電池モジュールの過昇温を防止することができる。   According to the solid oxide fuel cell device of the present invention, it is possible to prevent an excessive increase in temperature of the fuel cell module due to repeated rapid fluctuations in demand power.

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工程における燃料等の各供給量、及び各部の温度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 each supply_amount | feed_rate of fuel etc. in the starting process of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention, and the temperature of each part. 家庭内における需要電力及び燃料電池装置の出力電力の日変化を示すグラフである。It is a graph which shows the daily change of the demand power in a household, and the output power of a fuel cell apparatus. 需要電力の変化と、燃料供給量、及び燃料電池モジュールから実際に取り出される電流の関係を模式的に示したグラフである。It is the graph which showed typically the relation of the change of demand electric power, the amount of fuel supply, and the current actually taken out from a fuel cell module. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の出力電力の上限値の時間変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time change of the upper limit of the output electric power 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出力電力の上限値を設定する工程のフローチャートである。It is a flowchart of the process which sets the upper limit of the output electric power of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention.

次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)を説明する。
図1は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池(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酸化物型燃料電池(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7を介して金属製のケース8が内蔵されている。この密閉空間であるケース8の下方部分である発電室10には、燃料と酸化剤ガス(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 metal case 8 is built in the housing 6 via a heat insulating material 7. A fuel cell assembly 12 that performs a power generation reaction with fuel and oxidant gas (air) is disposed in a power generation chamber 10 that is a lower portion of the case 8 that is a sealed space. 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のケース8の上述した発電室10の上方には、燃焼部である燃焼室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。さらに、ケース8は断熱材7により覆われており、燃料電池モジュール2内部の熱が、外気へ発散するのを抑制している。
また、この燃焼室18の上方には、燃料を改質する改質器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、残余ガスの燃焼ガスにより発電用の空気を加熱し、発電用の空気を予熱する熱交換器である空気用熱交換器22が配置されている。
A combustion chamber 18 that is a combustion section is formed above the above-described power generation chamber 10 of the case 8 of the fuel cell module 2. In this combustion chamber 18, the remaining fuel and the remaining oxidant that have not been used for the power generation reaction. (Air) is combusted to generate exhaust gas. Further, the case 8 is covered with a heat insulating material 7 to suppress the heat inside the fuel cell module 2 from being diffused to the outside air.
Further, a reformer 20 for reforming the fuel 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. Yes. Further, an air heat exchanger 22, which is a heat exchanger for heating the power generation air with the remaining combustion gas and preheating the power generation air, is disposed above the reformer 20.

次に、補機ユニット4は、燃料電池モジュール2からの排気中に含まれる水分を結露させた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)と、電源喪失時において、燃料流量調整ユニット38から流出する燃料ガスを遮断するバルブ39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ガス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 pure water tank 26 that stores water condensed from moisture contained in the exhaust from the fuel cell module 2 and makes it pure water with a filter, and water supplied from the water storage tank. Is provided with a water flow rate adjusting unit 28 (such as a “water pump” driven by a motor). In addition, the auxiliary unit 4 adjusts the flow rate of the fuel gas, the gas shutoff valve 32 for shutting off the fuel supplied from the fuel supply source 30 such as city gas, the desulfurizer 36 for removing sulfur from the fuel gas, A fuel flow adjustment unit 38 (such as a “fuel pump” driven by a motor) and a valve 39 that shuts off fuel gas flowing out from the fuel flow adjustment unit 38 when power is lost. Further, the auxiliary unit 4 includes an electromagnetic valve 42 that shuts off air that is an oxidant gas supplied from an 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 adjustment. A 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 first heater for heating the power generating air supplied to the power generation chamber 2 heaters 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酸化物型燃料電池(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酸化物型燃料電池(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内のケース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, the case 8 in the housing 6 of the fuel cell module 2 has a fuel cell assembly 12, a reformer 20, and an air heat exchanger in order from the bottom as described above. 22 is arranged.

改質器20は、その上流端側の端部側面に純水、改質される燃料ガス、及び改質用空気を導入するための改質器導入管62が取り付けられている。
改質器導入管62は、改質器20の一端の側壁面から延びる円管であり、90゜屈曲されて概ね鉛直方向に延び、ケース8の上端面を貫通している。なお、改質器導入管62は、改質器20に水を導入する水導入管として機能している。また、改質器導入管62の上端には、T字管62aが接続されており、このT字管62aの概ね水平方向に延びる管の両側の端部には、燃料ガス及び純水を供給するための配管が夫々接続されている。水供給用配管63aはT字管62aの一方の側端から斜め上方に向けて延びている。燃料ガス供給用配管63bはT字管62aの他方の側端から水平方向に延びた後、U字型に屈曲され、水供給用配管63aと同様の方向に、概ね水平に延びている。
The reformer 20 is provided with a reformer introduction pipe 62 for introducing pure water, fuel gas to be reformed, and reforming air on the end side surface on the upstream end side.
The reformer introduction pipe 62 is a circular pipe extending from the side wall surface at one end of the reformer 20, is bent by 90 ° and extends in a substantially vertical direction, and penetrates the upper end surface of the case 8. The reformer introduction pipe 62 functions as a water introduction pipe for introducing water into the reformer 20. Further, a T-shaped tube 62a is connected to the upper end of the reformer introduction tube 62, and fuel gas and pure water are supplied to both ends of the T-shaped tube 62a extending in a substantially horizontal direction. Pipes for connecting are connected to each other. The water supply pipe 63a extends obliquely upward from one side end of the T-shaped pipe 62a. The fuel gas supply pipe 63b extends in the horizontal direction from the other side end of the T-shaped pipe 62a, then bends in a U shape, and extends substantially horizontally in the same direction as the water supply pipe 63a.

一方、改質器20の内部には、上流側から順に、蒸発部20a、混合部20b、改質部20cが形成され、この改質部20c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。   On the other hand, an evaporation unit 20a, a mixing unit 20b, and a reforming unit 20c are formed in the reformer 20 sequentially from the upstream side, and the reforming unit 20c is filled with a reforming catalyst. The fuel gas mixed with the steam (pure water) introduced into the reformer 20 is 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。また、燃料ガス供給管64の鉛直部の途中には、流路が狭められた圧力変動抑制用流路抵抗部64cが設けられ、燃料ガスの供給流路の流路抵抗が調整されている。   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. Further, in the middle of the vertical portion of the fuel gas supply pipe 64, a pressure fluctuation suppressing flow path resistance portion 64c having a narrow flow path is provided, and the flow path resistance of the fuel gas supply flow path is adjusted.

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.

一方、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。
また、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。
On the other hand, an air heat exchanger 22 is provided above the reformer 20.
Further, 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酸化物型燃料電池(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の両端部にそれぞれ接続されたキャップである内側電極端子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 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 that are caps respectively connected to both 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84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細管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 84 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. At the center of the inner electrode terminal 86, a fuel gas channel capillary 98 that communicates with the fuel gas channel 88 of the inner electrode layer 90 is formed.

この燃料ガス流路細管98は、内側電極端子86の中心から燃料電池セル84の軸線方向に延びるように設けられた細長い細管である。このため、マニホールド66(図2)から、下側の内側電極端子86の燃料ガス流路細管98を通って燃料ガス流路88に流入する燃料ガスの流れには、所定の圧力損失が発生する。従って、下側の内側電極端子86の燃料ガス流路細管98は、流入側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。また、燃料ガス流路88から、上側の内側電極端子86の燃料ガス流路細管98を通って燃焼室18(図2)に流出する燃料ガスの流れにも所定の圧力損失が発生する。従って、上側の内側電極端子86の燃料ガス流路細管98は、流出側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。   The fuel gas passage narrow tube 98 is an elongated thin tube provided so as to extend in the axial direction of the fuel cell 84 from the center of the inner electrode terminal 86. For this reason, a predetermined pressure loss occurs in the flow of the fuel gas flowing from the manifold 66 (FIG. 2) into the fuel gas passage 88 through the fuel gas passage narrow tube 98 of the lower inner electrode terminal 86. . Accordingly, the fuel gas flow passage narrow tube 98 of the lower inner electrode terminal 86 acts as an inflow side flow passage resistance portion, and the flow passage resistance is set to a predetermined value. Further, a predetermined pressure loss also occurs in the flow of the fuel gas flowing out from the fuel gas flow path 88 to the combustion chamber 18 (FIG. 2) through the fuel gas flow path narrow tube 98 of the upper inner electrode terminal 86. Therefore, the fuel gas flow passage narrow tube 98 of the upper inner electrode terminal 86 acts as an outflow side flow passage resistance portion, and the flow passage resistance is set to a predetermined value.

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 is, 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酸化物型燃料電池(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は、8本ずつ2列に並べて配置されている。
各燃料電池セルユニット16は、下端側がセラミック製の長方形の下支持板68(図2)により支持され、上端側は、両端部の燃料電池セルユニット16が4本ずつ、概ね正方形の2枚の上支持板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 these fuel cell units 16 are arranged in two rows of 8 each.
Each fuel cell unit 16 is supported at its lower end by a rectangular lower support plate 68 (FIG. 2) made of ceramic, and at the upper end, four fuel cell units 16 at both end portions are provided, each having a generally square shape. It is supported by the upper support plate 100. The lower support plate 68 and the upper support plate 100 are formed with through holes 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の外周面と電気的に接続される空気極用接続部102bとを接続するように一体的に形成されている。また、各燃料電池セルユニット16の外側電極層92(空気極)の外表面全体には、空気極側の電極として、銀製の薄膜が形成されている。この薄膜の表面に空気極用接続部102bが接触することにより、集電体102は空気極全体と電気的に接続される。   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 outer peripheral surface of the outer electrode layer 92 that is an air electrode. It is integrally formed so as to connect the air electrode connecting portion 102b that is electrically connected. In addition, a silver thin film is formed on the entire outer surface of the outer electrode layer 92 (air electrode) of each fuel cell unit 16 as an electrode on the air electrode side. When the air electrode connecting portion 102b contacts the surface of the thin film, the current collector 102 is electrically connected to the entire air electrode.

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)に位置する燃料電池セルユニット16の空気極86には、2つの外部端子104がそれぞれ接続されている。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の内側電極端子86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。   Furthermore, two external terminals 104 are connected to the air electrode 86 of the fuel cell unit 16 located at the end of the fuel cell stack 14 (the far left side in FIG. 5). These external terminals 104 are connected to the inner electrode terminal 86 of the fuel cell unit 16 at the end of the adjacent fuel cell stack 14, and as described above, all 160 fuel cell units 16 are connected in series. It has come to be.

次に図6により本実施形態による固体酸化物型燃料電池(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酸化物型燃料電池(SOFC)を示すブロック図である。
図6に示すように、固体酸化物型燃料電池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。
また、制御部110には、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(以上、図示せず)が内蔵されており、これらにより、各センサからの入力信号に基づいて、補機ユニット4、インバータ54等が制御される。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. An operation 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 a warning (warning) in an abnormal state are connected.
In addition, the control unit 110 incorporates a microprocessor, a memory, and a program (not shown) for operating these components, and thereby, based on input signals from the respective sensors, the auxiliary unit 4, The inverter 54 and the like are controlled. 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 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、固体酸化物型燃料電池(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。   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.

次に、図2及び図3を参照して、固体酸化物型燃料電池1の発電運転時における燃料、発電用空気、及び排気ガスの流れを説明する。
まず、燃料は、燃料ガス供給用配管63b、T字管62a、改質器導入管62を介して改質器20の蒸発部20aに導入されると共に、純水は、水供給用配管63a、T字管62a、改質器導入管62を介して蒸発部20aに導入される。従って、供給された燃料及び水はT字管62aにおいて合流され、改質器導入管62を通って蒸発部20aに導入される。発電運転中においては、蒸発部20aは高温に加熱されているため、蒸発部20aに導入された純水は、比較的速やかに蒸発され水蒸気となる。蒸発された水蒸気及び燃料は、混合部20b内で混合され、改質器20の改質部20cに流入する。水蒸気と共に改質部20cに導入された燃料は、ここで水蒸気改質され、水素を豊富に含む燃料ガスに改質される。改質部20cにおいて改質された燃料は、燃料ガス供給管64を通って下方に下り、分散室であるマニホールド66に流入する。
Next, the flow of fuel, power generation air, and exhaust gas during power generation operation of the solid oxide fuel cell 1 will be described with reference to FIGS.
First, the fuel is introduced into the evaporation section 20a of the reformer 20 through the fuel gas supply pipe 63b, the T-shaped pipe 62a, and the reformer introduction pipe 62, and the pure water is supplied to the water supply pipe 63a, It is introduced into the evaporator 20a through the T-shaped tube 62a and the reformer introducing tube 62. Accordingly, the supplied fuel and water are merged in the T-shaped tube 62 a and introduced into the evaporation unit 20 a through the reformer introduction tube 62. During the power generation operation, since the evaporation unit 20a is heated to a high temperature, the pure water introduced into the evaporation unit 20a is evaporated relatively quickly to become water vapor. The evaporated water vapor and fuel are mixed in the mixing unit 20 b and flow into the reforming unit 20 c of the reformer 20. The fuel introduced into the reforming unit 20c together with the steam is steam reformed here and reformed into a fuel gas rich in hydrogen. The fuel reformed in the reforming unit 20c goes down through the fuel gas supply pipe 64 and flows into the manifold 66 which is a dispersion chamber.

マニホールド66は、燃料電池セルスタック14の下側に配置された比較的体積の大きい直方体状の空間であり、その上面に設けられた多数の穴が燃料電池セルスタック14を構成する各燃料電池セルユニット16の内側に連通している。マニホールド66に導入された燃料は、その上面に設けられた多数の穴を通って、燃料電池セルユニット16の燃料極側、即ち、燃料電池セルユニット16の内部を通って、その上端から流出する。また、燃料である水素ガスが燃料電池セルユニット16の内部を通過する際、空気極(酸化剤ガス極)である燃料電池セルユニット16の外側を通る空気中の酸素と反応して電荷が生成される。この発電に使用されずに残った残余燃料は、各燃料電池セルユニット16の上端から流出し、燃料電池セルスタック14の上方に設けられた燃焼室18内で燃焼される。   The manifold 66 is a rectangular parallelepiped space having a relatively large volume, which is disposed on the lower side of the fuel cell stack 14, and a plurality of holes provided on the upper surface thereof constitute each fuel cell constituting the fuel cell stack 14. It communicates with the inside of the unit 16. The fuel introduced into the manifold 66 flows out from the upper end of the fuel cell unit 16 through the many holes provided on the upper surface thereof, through the fuel electrode side of the fuel cell unit 16, that is, through the inside of the fuel cell unit 16. . Further, when hydrogen gas as a fuel passes through the inside of the fuel cell unit 16, it reacts with oxygen in the air passing outside the fuel cell unit 16 as an air electrode (oxidant gas electrode) to generate a charge. Is done. The remaining fuel that is not used for power generation flows out from the upper end of each fuel cell unit 16 and is combusted in a combustion chamber 18 provided above the fuel cell stack 14.

一方、酸化剤ガスである発電用の空気は、発電用の酸化剤ガス供給装置である発電用空気流量調整ユニット45によって、発電用空気導入管74を介して燃料電池モジュール2内に送り込まれる。燃料電池モジュール2内に送り込まれた空気は、発電用空気導入管74を介して空気用熱交換器22の発電用空気流路72に導入され、予熱される。予熱された空気は、各出口ポート76a(図3)を介して各連絡流路76に流出する。各連絡流路76に流入した発電用の空気は、燃料電池モジュール2の両側面に設けられた発電用空気供給路77を通って下方に流れ、多数の吹出口77aから、燃料電池セルスタック14に向けて発電室10内に噴射される。   On the other hand, the power generation air that is the oxidant gas is sent into the fuel cell module 2 through the power generation air introduction pipe 74 by the power generation air flow rate adjustment unit 45 that is a power generation oxidant gas supply device. The air sent into the fuel cell module 2 is introduced into the power generation air passage 72 of the air heat exchanger 22 via the power generation air introduction pipe 74 and preheated. The preheated air flows out to each communication channel 76 via each outlet port 76a (FIG. 3). The power generation air flowing into each communication channel 76 flows downward through the power generation air supply passages 77 provided on both side surfaces of the fuel cell module 2, and the fuel cell stack 14 from a number of outlets 77a. Toward the power generation chamber 10.

発電室10内に噴射された空気は、燃料電池セルスタック14の空気極側(酸化剤ガス極側)である各燃料電池セルユニット16の外側面に接触し、空気中の酸素の一部が発電に利用される。また、吹出口77aを介して発電室10の下部に噴射された空気は、発電に利用されながら発電室10内を上昇する。発電室10内を上昇した空気は、各燃料電池セルユニット16の上端から流出する燃料を燃焼させる。この燃焼による燃焼熱は、燃料電池セルスタック14の上方に配置された改質器20の蒸発部20a、混合部20b及び改質部20cを加熱する。燃料が燃焼され、生成された燃焼ガスは、上方の改質器20を加熱した後、改質器20上方の開口部21aを通って整流板21の上側に流入する。整流板21の上側に流入した燃焼ガスは、整流板21によって構成された排気通路21bを通って空気用熱交換器22の入り口である連通開口8aに導かれる。連通開口8aから空気用熱交換器22に流入した燃焼ガスは、開放された各燃焼ガス配管70の端部に流入し、各燃焼ガス配管70外側の発電用空気流路72を流れる発電用空気との間で熱交換を行い、排気ガス集約室78に集約される。排気ガス集約室78に集約された排気ガスは、排気ガス排出管82を介して燃料電池モジュール2の外部に排出される。これにより、蒸発部20aにおける水の蒸発、及び改質部20cにおける吸熱反応である水蒸気改質反応が促進されると共に、空気用熱交換器22内の発電用空気が予熱される。   The air injected into the power generation chamber 10 comes into contact with the outer surface of each fuel cell unit 16 on the air electrode side (oxidant gas electrode side) of the fuel cell stack 14, and a part of oxygen in the air is in contact with it. Used for power generation. Moreover, the air injected to the lower part of the power generation chamber 10 through the blower outlet 77a rises in the power generation chamber 10 while being used for power generation. The air rising in the power generation chamber 10 burns the fuel flowing out from the upper end of each fuel cell unit 16. The combustion heat generated by this combustion heats the evaporation section 20a, the mixing section 20b, and the reforming section 20c of the reformer 20 disposed above the fuel cell stack 14. The combustion gas generated by burning the fuel heats the upper reformer 20 and then flows into the upper side of the rectifying plate 21 through the opening 21 a above the reformer 20. The combustion gas that has flowed into the upper side of the rectifying plate 21 is guided to the communication opening 8 a that is the inlet of the air heat exchanger 22 through the exhaust passage 21 b formed by the rectifying plate 21. The combustion gas that has flowed into the air heat exchanger 22 from the communication opening 8 a flows into the open end of each combustion gas pipe 70 and flows through the power generation air flow path 72 outside each combustion gas pipe 70. Are exchanged with each other and collected in an exhaust gas collecting chamber 78. The exhaust gas collected in the exhaust gas collection chamber 78 is discharged to the outside of the fuel cell module 2 through the exhaust gas discharge pipe 82. As a result, the evaporation of water in the evaporation unit 20a and the steam reforming reaction, which is an endothermic reaction in the reforming unit 20c, are promoted, and the power generation air in the air heat exchanger 22 is preheated.

次に、図7を新たに参照して、固体酸化物型燃料電池装置1の起動工程における制御を説明する。
図7は、起動工程における燃料等の各供給量、及び各部の温度の一例を示すタイムチャートである。なお、図7の縦軸の目盛りは温度を示しており、燃料等の各供給量は、それらの増減を概略的に示したものである。
Next, control in the starting process of the solid oxide fuel cell device 1 will be described with reference to FIG.
FIG. 7 is a time chart showing an example of each supply amount of fuel and the temperature of each part in the starting process. In addition, the scale of the vertical axis | shaft of FIG. 7 has shown temperature, and each supply amount of fuel etc. has shown those increase / decrease roughly.

図7に示す起動工程においては、常温の状態にある燃料電池セルスタック14の温度を、発電が可能な温度まで上昇させる。
まず、図7の時刻t0において、発電用空気及び改質用空気の供給が開始される。具体的には、コントローラである制御部110が、発電用の酸化剤ガス供給装置である発電用空気流量調整ユニット45に信号を送って、これを作動させる。上述したように、発電用空気は、発電用空気導入管74を介して燃料電池モジュール2内に導入され、空気用熱交換器22、発電用空気供給路77を経て発電室10内に流入する。また、制御部110は、改質用の酸化剤ガス供給装置である改質用空気流量調整ユニット44に信号を送って、これを作動させる。燃料電池モジュール2内に導入された改質用空気は、改質器20、マニホールド66を経て、各燃料電池セルユニット16の内部に流入し、その上端から流出する。なお、時刻t0においては、まだ燃料が供給されていないため、改質器20内において改質反応は発生しない。本実施形態においては、図7の時刻t0において開始される発電用空気の供給量は約100L/minであり、改質用空気の供給量は約10.0L/minである。
In the starting process shown in FIG. 7, the temperature of the fuel cell stack 14 at room temperature is raised to a temperature at which power generation is possible.
First, at time t0 in FIG. 7, supply of power generation air and reforming air is started. Specifically, the control unit 110 that is a controller sends a signal to the power generation air flow rate adjustment unit 45 that is a power generation oxidant gas supply device to operate it. As described above, the power generation air is introduced into the fuel cell module 2 through the power generation air introduction pipe 74 and flows into the power generation chamber 10 through the air heat exchanger 22 and the power generation air supply path 77. . In addition, the control unit 110 sends a signal to the reforming air flow rate adjustment unit 44 which is a reforming oxidant gas supply device to operate it. The reforming air introduced into the fuel cell module 2 flows into the interior of each fuel cell unit 16 through the reformer 20 and the manifold 66, and flows out from the upper end thereof. Note that at time t0, no reforming reaction occurs in the reformer 20 because fuel has not yet been supplied. In the present embodiment, the supply amount of power generation air started at time t0 in FIG. 7 is about 100 L / min, and the supply amount of reforming air is about 10.0 L / min.

次いで、図7の時刻t0から所定時間後の時刻t1において、燃料の供給が開始される。具体的には、制御部110が、燃料供給装置である燃料流量調整ユニット38に信号を送って、これを作動させる。本実施形態においては、時刻t1において開始される燃料の供給量は約5.0L/minである。燃料電池モジュール2内に導入された燃料は、改質器20、マニホールド66を経て、各燃料電池セルユニット16の内部に流入し、その上端から流出する。なお、時刻t1においては、まだ改質器の温度が低温であるため、改質器20内において改質反応は発生しない。   Next, the fuel supply is started at time t1 after a predetermined time from time t0 in FIG. Specifically, the control unit 110 sends a signal to the fuel flow rate adjustment unit 38 which is a fuel supply device to operate it. In the present embodiment, the fuel supply amount started at time t1 is about 5.0 L / min. The fuel introduced into the fuel cell module 2 flows into the interior of each fuel cell unit 16 through the reformer 20 and the manifold 66, and flows out from the upper end thereof. At time t1, the reformer reaction is not generated in the reformer 20 because the temperature of the reformer is still low.

次に、図7の時刻t1から所定時間経過した時刻t2において、供給されている燃料への点火工程が開始される。具体的には、点火工程においては、制御部110が、点火手段である点火装置83(図2)に信号を送り、各燃料電池セルユニット16の上端から流出する燃料に点火する。点火装置83は、燃料電池セルスタック14の上端近傍で繰り返し火花を発生させ、各燃料電池セルユニット16の上端から流出する燃料に点火する。   Next, at time t2 when a predetermined time has elapsed from time t1 in FIG. 7, an ignition process for the supplied fuel is started. Specifically, in the ignition process, the control unit 110 sends a signal to an ignition device 83 (FIG. 2) that is an ignition means, and ignites the fuel flowing out from the upper end of each fuel cell unit 16. The ignition device 83 repeatedly generates a spark in the vicinity of the upper end of the fuel cell stack 14 and ignites the fuel flowing out from the upper end of each fuel cell unit 16.

図7の時刻t3において着火が完了すると、改質用の水の供給が開始される。具体的には、制御部110が、水供給装置である水流量調整ユニット28(図6)に信号を送り、これを作動させる。本実施形態においては、時刻t3に開始される水の供給量は、2.0cc/minである。時刻t3においては、燃料供給量は、従前の約5.0L/minに維持される。また、発電用空気及び改質用空気の供給量も、従前の値に維持される。なお、この時刻t3において、改質用空気中の酸素O2と燃料中の炭素Cの比O2/Cは約0.32になる。 When ignition is completed at time t3 in FIG. 7, supply of reforming water is started. Specifically, the control unit 110 sends a signal to the water flow rate adjustment unit 28 (FIG. 6), which is a water supply device, to activate it. In the present embodiment, the supply amount of water started at time t3 is 2.0 cc / min. At time t3, the fuel supply amount is maintained at about 5.0 L / min. Further, the supply amounts of the power generation air and the reforming air are also maintained at the previous values. At this time t3, the ratio O 2 / C of oxygen O 2 in the reforming air and carbon C in the fuel becomes about 0.32.

図7の時刻t3において着火された後、供給された燃料は、各燃料電池セルユニット16の上端からオフガスとして流出し、ここで燃焼される。この燃焼熱は、燃料電池セルスタック14の上方に配置された改質器20を加熱する。ここで、改質器20の上方(ケース8の上)には、蒸発室用断熱材23が配置されており、これにより、燃料の燃焼開始直後において、改質器20の温度は常温から急激に上昇する。蒸発室用断熱材23の上に配置されている空気用熱交換器22には外気が導入されているため、空気用熱交換器22は、特に燃焼開始直後においては温度が低く、冷却源となりやすい。本実施形態においては、ケース8の上面と空気用熱交換器22の底面の間に蒸発室用断熱材23が配置されていることにより、ケース8内の上部に配置された改質器20から空気用熱交換器22への熱の移動が抑制され、ケース8内の改質器20付近には熱が籠もりやすくなる。加えて、蒸発部20aの上方の、整流板21の上側の空間は、燃焼ガスの流れが遅くなる気体滞留空間21c(図2)として構成されているため、蒸発部20a付近は二重に断熱され、より急速に温度が上昇する。   After being ignited at time t3 in FIG. 7, the supplied fuel flows out from the upper end of each fuel cell unit 16 as off-gas and is burned here. This combustion heat heats the reformer 20 disposed above the fuel cell stack 14. Here, an evaporating chamber heat insulator 23 is disposed above the reformer 20 (above the case 8), so that immediately after the start of fuel combustion, the temperature of the reformer 20 suddenly increases from room temperature. To rise. Since the outside air is introduced into the air heat exchanger 22 disposed on the heat insulating material 23 for the evaporation chamber, the air heat exchanger 22 has a low temperature, particularly immediately after the start of combustion, and serves as a cooling source. Cheap. In the present embodiment, the evaporation chamber heat insulating material 23 is disposed between the upper surface of the case 8 and the bottom surface of the air heat exchanger 22, so that the reformer 20 disposed in the upper portion of the case 8 The movement of heat to the air heat exchanger 22 is suppressed, and heat is easily trapped in the vicinity of the reformer 20 in the case 8. In addition, the space above the rectifying plate 21 above the evaporation unit 20a is configured as a gas retention space 21c (FIG. 2) in which the flow of combustion gas is slow, so that the vicinity of the evaporation unit 20a is double insulated. And the temperature rises more rapidly.

このように、蒸発部20aの温度が急速に上昇することにより、オフガスの燃焼開始後短時間で水蒸気を生成することが可能になる。また、蒸発部20aには、改質用の水が少量ずつ供給されているため、多量の水が蒸発部20aに貯留されている場合に比べ、わずかな熱で水を沸点まで加熱することができ、早急に水蒸気の供給を開始することができる。さらに、水流量調整ユニット28の作動開始直後から水が流入するため、水の供給遅れによる、蒸発部20aの過剰な温度上昇、及び水蒸気の供給遅れを回避することができる。   As described above, the temperature of the evaporation unit 20a rapidly increases, so that water vapor can be generated in a short time after the start of off-gas combustion. In addition, since the reforming water is supplied to the evaporation unit 20a little by little, it is possible to heat the water to the boiling point with a slight amount of heat compared to the case where a large amount of water is stored in the evaporation unit 20a. The supply of water vapor can be started immediately. Furthermore, since water flows in immediately after the start of the operation of the water flow rate adjustment unit 28, it is possible to avoid an excessive increase in temperature of the evaporation unit 20a and a delay in supply of water vapor due to a delay in supply of water.

なお、オフガスの燃焼開始後、或る程度の時間が経過すると、燃焼室18から空気用熱交換器22に流入する排気ガスにより、空気用熱交換器22の温度も上昇する。改質器20と空気用熱交換器22の間を断熱する蒸発室用断熱材23は、断熱材7の内側に設けられた断熱材である。従って、蒸発室用断熱材23は、燃料電池モジュール2からの熱の散逸を抑制するものではなく、オフガスの燃焼開始直後において、改質器20、特に、その蒸発部20aの温度を急速に上昇させる。   When a certain amount of time elapses after the start of off-gas combustion, the temperature of the air heat exchanger 22 also rises due to the exhaust gas flowing from the combustion chamber 18 into the air heat exchanger 22. The evaporation chamber heat insulating material 23 that insulates between the reformer 20 and the air heat exchanger 22 is a heat insulating material provided inside the heat insulating material 7. Therefore, the heat insulating material 23 for the evaporation chamber does not suppress the dissipation of heat from the fuel cell module 2, but immediately increases the temperature of the reformer 20, particularly the evaporation section 20a immediately after the start of off-gas combustion. Let

このようにして、改質器20の温度が上昇した時刻t4において、蒸発部20aを経て改質部20bに流入した燃料と改質用空気が、式(1)に示す部分酸化改質反応を起こすようになる。
mn+xO2 → aCO2+bCO+cH2 (1)
この部分酸化改質反応は発熱反応であるため、改質部20b内で部分酸化改質反応が発生すると、その周囲の温度が局部的に急上昇する。
In this way, at time t4 when the temperature of the reformer 20 rises, the fuel and the reforming air that have flowed into the reforming unit 20b through the evaporation unit 20a undergo the partial oxidation reforming reaction represented by the equation (1). Get up.
C m H n + xO 2 → aCO 2 + bCO + cH 2 (1)
Since this partial oxidation reforming reaction is an exothermic reaction, when the partial oxidation reforming reaction occurs in the reforming part 20b, the ambient temperature rapidly rises locally.

一方、本実施形態においては、着火が確認された直後の時刻t3から改質用の水の供給が開始されており、また、蒸発部20aの温度が急速に上昇するように構成されているため、時刻t4においては、既に蒸発部20a内で水蒸気が生成され、改質部20bに供給されている。即ち、オフガスに着火された後、改質部20bの温度が部分酸化改質反応が発生する温度に到達する所定時間前から水の供給が開始され、部分酸化改質反応が発生する温度に到達した時点においては、蒸発部20aに所定量の水が貯留され、水蒸気が生成されている。このため、部分酸化改質反応の発生により温度が急上昇すると、改質部20bに供給されている改質用の水蒸気と燃料が反応する水蒸気改質反応が発生する。この水蒸気改質反応は、式(2)に示す吸熱反応であり、部分酸化改質反応よりも高い温度で発生する。
mn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (2)
On the other hand, in the present embodiment, the supply of the reforming water is started from time t3 immediately after the ignition is confirmed, and the temperature of the evaporation unit 20a is rapidly increased. At time t4, water vapor has already been generated in the evaporator 20a and supplied to the reformer 20b. That is, after the off-gas is ignited, the supply of water is started a predetermined time before the temperature of the reforming unit 20b reaches the temperature at which the partial oxidation reforming reaction occurs, and reaches the temperature at which the partial oxidation reforming reaction occurs. At that time, a predetermined amount of water is stored in the evaporation unit 20a, and water vapor is generated. For this reason, when the temperature rapidly rises due to the occurrence of the partial oxidation reforming reaction, a steam reforming reaction occurs in which the reforming steam supplied to the reforming unit 20b reacts with the fuel. This steam reforming reaction is an endothermic reaction shown in Formula (2), and occurs at a higher temperature than the partial oxidation reforming reaction.
C m H n + xH 2 O → aCO 2 + bCO + cH 2 (2)

このように、図7の時刻t4に到達すると、改質部20b内では部分酸化改質反応が発生するようになり、また、部分酸化改質反応が発生することによる温度上昇で、水蒸気改質反応も同時に発生するようになる。従って、時刻t4以降に改質部20b内で発生する改質反応は、部分酸化改質反応と水蒸気改質反応が混在した式(3)に示すオートサーマル改質反応(ATR)となる。即ち、時刻t4においてATR1工程が開始される。
mn+xO2+yH2O → aCO2+bCO+cH2 (3)
As described above, when the time t4 in FIG. 7 is reached, the partial oxidation reforming reaction occurs in the reforming unit 20b, and the steam reforming is caused by the temperature rise caused by the partial oxidation reforming reaction. Reaction will also occur at the same time. Therefore, the reforming reaction that occurs in the reforming unit 20b after time t4 is an autothermal reforming reaction (ATR) shown in Formula (3) in which the partial oxidation reforming reaction and the steam reforming reaction are mixed. That is, the ATR1 process is started at time t4.
C m H n + xO 2 + yH 2 O → aCO 2 + bCO + cH 2 (3)

このように、本発明の実施形態の固体酸化物型燃料電池装置1では、起動工程の全期間において水が供給されており、部分酸化改質反応(POX)が単独で発生することはない。なお、図12に示すタイムチャートでは、時刻t4における改質器温度は約200℃である。この改質器温度は部分酸化改質反応が発生する温度よりも低いが、改質器温度センサ148(図6)により検出されている温度は改質部20bの平均的な温度である。
実際には、時刻t4においても、改質部20bは部分的には部分酸化改質反応が発生する温度に到達しており、発生した部分酸化改質反応の反応熱により、水蒸気改質反応をも誘発される。このように、本実施形態においては、着火された後、改質部20bが部分酸化改質が発生する温度に到達する前から、水の供給が開始されており、部分酸化改質反応が単独で発生することがない。
Thus, in the solid oxide fuel cell device 1 according to the embodiment of the present invention, water is supplied during the entire start-up process, and the partial oxidation reforming reaction (POX) does not occur alone. In the time chart shown in FIG. 12, the reformer temperature at time t4 is about 200.degree. The reformer temperature is lower than the temperature at which the partial oxidation reforming reaction occurs, but the temperature detected by the reformer temperature sensor 148 (FIG. 6) is the average temperature of the reforming unit 20b.
Actually, even at time t4, the reforming unit 20b partially reaches the temperature at which the partial oxidation reforming reaction occurs, and the steam reforming reaction is performed by the reaction heat of the generated partial oxidation reforming reaction. Is also triggered. As described above, in this embodiment, after the ignition, the supply of water is started before the reforming unit 20b reaches the temperature at which the partial oxidation reforming occurs, and the partial oxidation reforming reaction is performed independently. Will not occur.

次に、改質器温度センサ148による検出温度が約500℃以上に到達すると、図7の時刻t5において、ATR1工程からATR2工程に移行される。時刻t5において、水供給量が2.0cc/minから3.0cc/minに変更される。また、燃料供給量、改質用空気供給量及び発電用空気供給量は従前の値が維持される。これにより、ATR2工程における水蒸気と炭素の比S/Cは0.64に増加される一方、改質用空気と炭素の比O2/Cは0.32に維持される。このように、改質用空気と炭素の比O2/Cを一定に維持しながら、水蒸気と炭素の比S/Cを増加させることにより、部分酸化改質可能な炭素の量を低下させずに、水蒸気改質可能な炭素の量が増加される。これにより、改質部20bにおける炭素析出のリスクを確実に回避しながら、改質部20bの温度上昇と共に、水蒸気改質される炭素の量を増加させることができる。 Next, when the temperature detected by the reformer temperature sensor 148 reaches about 500 ° C. or higher, the process moves from the ATR1 process to the ATR2 process at time t5 in FIG. At time t5, the water supply amount is changed from 2.0 cc / min to 3.0 cc / min. Further, the fuel supply amount, the reforming air supply amount, and the power generation air supply amount are maintained at the previous values. As a result, the steam / carbon ratio S / C in the ATR2 step is increased to 0.64, while the reforming air / carbon ratio O 2 / C is maintained at 0.32. Thus, by maintaining the ratio of reforming air and carbon O 2 / C constant, the ratio S / C of steam and carbon is increased, so that the amount of carbon that can be partially oxidized and reformed is not reduced. In addition, the amount of carbon that can be steam reformed is increased. This makes it possible to increase the amount of carbon subjected to steam reforming as the temperature of the reforming unit 20b increases while reliably avoiding the risk of carbon deposition in the reforming unit 20b.

さらに、図7の時刻t6において、発電室温度センサ142による検出温度が約400℃以上に到達すると、ATR2工程からATR3工程に移行される。これに伴い、燃料供給量が5.0L/minから4.0L/minに変更され、改質用空気供給量が9.0L/minから6.5L/minに変更される。また、水供給量及び発電用空気供給量は従前の値が維持される。これにより、ATR3工程における水蒸気と炭素の比S/Cは0.80に増加される一方、改質用空気と炭素の比O2/Cは0.29に減少される。 Furthermore, when the temperature detected by the power generation chamber temperature sensor 142 reaches about 400 ° C. or higher at time t6 in FIG. 7, the process proceeds from the ATR2 process to the ATR3 process. Accordingly, the fuel supply amount is changed from 5.0 L / min to 4.0 L / min, and the reforming air supply amount is changed from 9.0 L / min to 6.5 L / min. Also, the previous values are maintained for the water supply amount and the power generation air supply amount. This increases the steam / carbon ratio S / C in the ATR3 step to 0.80, while the reforming air to carbon ratio O 2 / C is reduced to 0.29.

さらに、図7の時刻t7において、発電室温度センサ142による検出温度が約550℃以上に到達すると、SR1工程に移行される。これに伴い、燃料供給量が4.0L/minから3.0L/minに変更され、水供給量が3.0cc/minから7.0cc/minに変更される。
また、改質用空気の供給は停止され、発電用空気供給量は従前の値が維持される。これにより、SR1工程では、改質部20b内で専ら水蒸気改質が発生するようになり、水蒸気と炭素の比S/Cは、供給された燃料の全量を水蒸気改質するために適切な2.49に設定される。図12の時刻t7においては、改質器20、燃料電池セルスタック14とも、十分に温度が上昇しているので、改質部20bにおいて部分酸化改質反応が発生していなくとも、水蒸気改質反応を安定して発生させることができる。
Furthermore, when the temperature detected by the power generation chamber temperature sensor 142 reaches about 550 ° C. or higher at time t7 in FIG. 7, the process proceeds to the SR1 process. Along with this, the fuel supply amount is changed from 4.0 L / min to 3.0 L / min, and the water supply amount is changed from 3.0 cc / min to 7.0 cc / min.
Further, the supply of the reforming air is stopped, and the power supply air supply amount is maintained at the previous value. Thus, in the SR1 process, steam reforming occurs exclusively in the reforming unit 20b, and the steam / carbon ratio S / C is 2 which is appropriate for steam reforming the entire amount of supplied fuel. .49. At time t7 in FIG. 12, since the temperature of both the reformer 20 and the fuel cell stack 14 is sufficiently increased, the steam reforming is performed even if the partial oxidation reforming reaction has not occurred in the reforming unit 20b. The reaction can be generated stably.

次に、図7の時刻t8において、発電室温度センサ142による検出温度が約600℃以上に到達すると、SR2工程に移行される。これに伴い、燃料供給量が3.0L/minから2.5L/minに変更され、水供給量が7.0cc/minから6.0cc/minに変更される。
また、発電用空気供給量は従前の値が維持される。これにより、SR2工程では、水蒸気と炭素の比S/Cは、2.56に設定される。
Next, when the temperature detected by the power generation chamber temperature sensor 142 reaches about 600 ° C. or higher at time t8 in FIG. 7, the process proceeds to the SR2 step. Accordingly, the fuel supply amount is changed from 3.0 L / min to 2.5 L / min, and the water supply amount is changed from 7.0 cc / min to 6.0 cc / min.
In addition, the previous value of the power supply air supply amount is maintained. Thereby, in the SR2 step, the ratio S / C of water vapor to carbon is set to 2.56.

さらに、SR2工程を所定時間実行した後、発電工程に移行する。発電工程においては、燃料電池セルスタック14からインバータ54(図6)に電力が取り出され、発電が開始される。なお、発電工程では、改質部20bにおいて、専ら水蒸気改質により燃料が改質される。また、発電運転中においては、燃料電池モジュール2に対して要求される出力電力に対応して、燃料供給量、発電用空気供給量、及び水供給量が変更される。さらに、発電運転中においては、制御部110は、燃料供給量、発電用空気供給量、及び水供給量を、燃料電池セルスタック14の温度が所定の発電温度範囲である適正温度域内になるように制御している。   Further, after executing the SR2 process for a predetermined time, the process proceeds to the power generation process. In the power generation process, power is extracted from the fuel cell stack 14 to the inverter 54 (FIG. 6), and power generation is started. In the power generation process, the reforming unit 20b reforms the fuel exclusively by steam reforming. Further, during the power generation operation, the fuel supply amount, the power generation air supply amount, and the water supply amount are changed in accordance with the output power required for the fuel cell module 2. Further, during the power generation operation, the control unit 110 sets the fuel supply amount, the power generation air supply amount, and the water supply amount so that they are within an appropriate temperature range in which the temperature of the fuel cell stack 14 is within a predetermined power generation temperature range. Is controlling.

次に、図8を参照して、需要電力と出力電力の時間変動について説明する。図8(A)はある日の家庭内における需要電力及び燃料電池装置による出力電力の日変化を示すグラフであり、図8(B)は別の日における需要電力及び出力電力の日変化を示すグラフである。
家庭における需要電力は、季節の違いや、平日又は週末のような違いによって相違がある。しかしながら、各家庭のライフサイクルは、家族構成によっても異なるが、ある程度パターンがあるため、需要電力にもある程度のパターンがある。例えば、就寝時間帯は、ほとんど需要電力が無い場合が多く、朝夕の食事時間帯前後及び夕食後就寝までの時間帯は、大きな需要電力が存在する場合が多い。
Next, with reference to FIG. 8, the time fluctuation of demand power and output power is demonstrated. FIG. 8A is a graph showing daily changes in demand power and output power by the fuel cell device in one day in the home, and FIG. 8B shows daily changes in demand power and output power in another day. It is a graph.
The power demand at home varies depending on the season and differences such as weekdays or weekends. However, although the life cycle of each household varies depending on the family structure, there is a certain pattern, so there is a certain pattern in demand power. For example, there are many cases where there is almost no power demand in the bedtime, and there is often a large demand power in the morning and evening meal time zones and the time zone after going to dinner after going to dinner.

図8(A)の例では、家庭内の需要電力は、6時半から9時半の間、14時半から19時半の間、20時半から21時半の間、及び、22時から24時半の間が高負荷期間であり、その他の時間帯が低負荷期間となっている。一方、図8(B)の例では、同じ家庭内需要電力であるが異なる曜日であるため、6時半から9時半の間、及び、20時半から24時までの間が高負荷期間であり、その他の時間帯が低負荷期間となっている。このように、同一の家庭においても、異なる日には、図8(A)及び図8(B)のように相違があるものの、例えば、朝食時間帯や就寝時間前における高い需要電力や、就寝時間帯における低い需要電力という点では共通するパターンが存在することが分かる。   In the example of FIG. 8A, the household power demand is between 6:30 and 9:30, between 14:30 and 19:30, between 20:30 and 21:30, and 22:00 24:30 is a high load period, and the other time zone is a low load period. On the other hand, in the example of FIG. 8B, since it is the same household demand power but different days of the week, the period between 6:30 and 9:30 and between 20:30 and 24:00 is a high load period. The other time zones are low load periods. In this way, even in the same home, there are differences as shown in FIG. 8A and FIG. 8B on different days, but for example, high power demand before bedtime or bedtime, It can be seen that there is a common pattern in terms of low power demand in the time zone.

高負荷期間(例えば、図8(A)の6時半から9時半の間)において、燃料電池装置1は、最大出力(定格出力約700W)で作動しており、需要電力が定格出力を上回るため、不足電力は系統電力により補われている。したがって、高負荷期間に定格電力を超えた範囲で需要電力の変化がある場合は、その変化分は系統電力によって賄われる。   During a high load period (for example, between 6:30 and 9:30 in FIG. 8A), the fuel cell device 1 operates at the maximum output (rated output of about 700 W), and the demand power reaches the rated output. Therefore, the shortage is compensated by the grid power. Therefore, if there is a change in demand power in the range exceeding the rated power during the high load period, the change is covered by the grid power.

一方、低負荷期間(例えば、図8(A)の0時半から6時半の間)において、需要電力は定格電力以下であるため、原則的にはすべての需要電力を燃料電池装置1から供給することが可能である。このような低負荷期間において、需要電力が増加すると、燃料電池装置1は、その増加に追従して出力電力を増大させようとする。しかしながら、後述するように需要電力の増加に対する燃料電池装置1の応答には遅れ時間が存在するため、即座には需要電力の増加分を供給することができず、遅れ時間の間の需要電力の増加分は系統電力によって賄われる。さらに、低負荷期間において、需要電力が短期的に急増すると、燃料電池装置1は急増分に即座には追従できない。例えば、図8(A)及び図8(B)では、朝6時頃に需要電力が急増し、1000ワットを超えている。これは特定の電気製品がタイマーによって作動したためである。   On the other hand, in the low load period (for example, between 0:30 and 6:30 in FIG. 8A), since the demand power is lower than the rated power, in principle, all the demand power is supplied from the fuel cell device 1. It is possible to supply. When the demand power increases during such a low load period, the fuel cell device 1 tries to increase the output power following the increase. However, as will be described later, since there is a delay time in the response of the fuel cell device 1 to the increase in demand power, the increase in demand power cannot be supplied immediately, and the demand power during the delay time cannot be supplied. The increase will be covered by grid power. Furthermore, if the demand power rapidly increases in a short period during the low load period, the fuel cell device 1 cannot immediately follow the rapid increase. For example, in FIG. 8 (A) and FIG. 8 (B), the power demand rapidly increases around 6 o'clock and exceeds 1000 watts. This is because certain electrical products are activated by a timer.

また、低負荷期間において、電気製品が短時間周期で電力オンオフ制御されると、需要電力が短時間周期で急増及び急減を繰り返す。燃料電池装置1は、このような短時間周期の需要電力の急増及び急減にも追従しようとする。しかしながら、需要電力の急増に対応するために燃料供給量が増加されても、遅延制御により出力電力が増大するのは、所定の遅れ時間後であるから、遅れ時間が経過した時点では既に需要電力が急減していると、増大された燃料供給量に応じた発電反応及び電力取出しを行うことができず、増大燃料分を発電反応により消費させることができない。このため、消費できない燃料が余剰燃料となって無駄になると共に、この余剰燃料は燃焼によって消費される。そして、このような需要電力の短時間周期の増減に伴う余剰燃料の燃焼が繰り返されると、燃料電池モジュール2の内部温度が上昇し過ぎてしまう。   In addition, when the electric product is controlled to be turned on / off in a short cycle during a low load period, the demand power repeatedly increases and decreases rapidly in a short cycle. The fuel cell device 1 tries to follow such a rapid increase and decrease in demand power in a short period. However, even if the fuel supply amount is increased in order to cope with the sudden increase in demand power, the output power increases due to the delay control after a predetermined delay time. If the fuel consumption is rapidly decreasing, the power generation reaction and the power extraction corresponding to the increased fuel supply amount cannot be performed, and the increased fuel cannot be consumed by the power generation reaction. For this reason, fuel that cannot be consumed becomes surplus fuel and is wasted, and this surplus fuel is consumed by combustion. And if the combustion of the surplus fuel accompanying the increase / decrease of the short period of such demand power is repeated, the internal temperature of the fuel cell module 2 will rise too much.

このように、低負荷期間において、需要電力が短時間間隔で増減を繰り返した場合に、単に遅れ時間をもって負荷追従する制御では、燃料の無駄と燃料電池モジュール2の内部で過昇温が生じるおそれがある。このような過昇温を抑制するためだけであれば、遅延制御の応答速度をさらに緩慢にすればよいが、応答速度の低下は発電運転効率を犠牲にしてしまう。そこで、本実施形態では、このような不都合が生じないように、需要電力の時間変化のパターンを学習し、この学習したパターンに基づいて負荷追従する際の目標発電量(目標出力電力)を現在の需要電力以下の電力に制限するように構成されている。これにより、低負荷期間において、需要電力の短時間間隔の変動があった場合に、燃料電池装置1が負荷(需要電力)に対して追従する程度を制限することができるので、発電運転効率を犠牲にすることなく、無駄な燃料や過昇温といった問題の発生を抑制することができる。   In this way, when the demand power repeatedly increases and decreases at short intervals in the low load period, in the control that simply follows the load with a delay time, there is a possibility that waste of fuel and excessive temperature rise inside the fuel cell module 2 may occur. There is. If it is only to suppress such excessive temperature rise, the response speed of the delay control may be further slowed down, but the reduction in the response speed sacrifices the power generation operation efficiency. Therefore, in the present embodiment, in order to prevent such an inconvenience, a time change pattern of demand power is learned, and a target power generation amount (target output power) at the time of following the load based on the learned pattern is currently calculated. It is configured to limit the power to less than the required power. Thereby, in the low load period, when there is a change in the short time interval of the demand power, it is possible to limit the extent to which the fuel cell device 1 follows the load (demand power). The occurrence of problems such as wasteful fuel and excessive temperature rise can be suppressed without sacrificing.

次に、図9乃至図11を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池1の制御を説明する。
図9は、需要電力の変化と、燃料供給量、及び燃料電池モジュールから実際に取り出される電流の関係を模式的に示したグラフである。図10は、出力電力の上限値の時間変化を示すグラフである。図11は、出力電力の上限値を設定する工程のフローチャートである。
Next, control of the solid oxide fuel cell 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 9 to 11.
FIG. 9 is a graph schematically showing the relationship between the change in power demand, the amount of fuel supplied, and the current actually taken from the fuel cell module. FIG. 10 is a graph showing the time change of the upper limit value of the output power. FIG. 11 is a flowchart of a process of setting an upper limit value of output power.

先ず、図9により、本実施形態における遅れ時間制御を伴う負荷追従制御について説明する。
図9に示すように、燃料電池モジュール2は、図9の最上段に示す需要電力に応じた電力を生成できるように制御される。制御手段である制御部110の発電量決定手段110aは、需要電力に基づいて、燃料電池モジュール2が生成すべき目標の電流である燃料供給電流値Ifを、図9の2段目のグラフに示すように設定する。燃料供給電流値Ifは、概ね需要電力の変化に追従するように設定される。即ち、燃料供給電流値Ifを出力することにより、概ね需要電力を供給することが可能になる。
First, referring to FIG. 9, load follow-up control with delay time control in the present embodiment will be described.
As shown in FIG. 9, the fuel cell module 2 is controlled so as to be able to generate power corresponding to the demand power shown in the uppermost stage of FIG. The power generation amount determination unit 110a of the control unit 110, which is a control unit, displays the fuel supply current value If, which is a target current to be generated by the fuel cell module 2, on the second graph of FIG. Set as shown. The fuel supply current value If is generally set so as to follow a change in power demand. That is, by outputting the fuel supply current value If, it is possible to substantially supply the demand power.

しかしながら、燃料電池モジュール2の応答速度は需要電力の変化に対して緩慢であるため、需要電力の短時間周期の急激な変化に対して燃料供給電流値Ifを完全に追従させることはせず、需要電力に緩やかに追従させるように設定される。また、需要電力が固体酸化物型燃料電池の定格発電電力を超えた場合には、燃料供給電流値Ifは定格発電電力に対応する電流値まで追従し、それ以上の電流値に設定されることはない。
なお、本実施形態では、発電量決定手段110aは、目標発電量として目標出力電流を設定しているが、これに限らず、目標発電量として目標出力電力を設定してもよい。
However, since the response speed of the fuel cell module 2 is slow with respect to the change in the demand power, the fuel supply current value If is not allowed to completely follow the rapid change in the short-term cycle of the demand power. It is set to gently follow the demand power. In addition, when the demand power exceeds the rated generated power of the solid oxide fuel cell, the fuel supply current value If follows the current value corresponding to the rated generated power and is set to a current value higher than that. There is no.
In the present embodiment, the power generation amount determination unit 110a sets the target output current as the target power generation amount, but is not limited thereto, and the target output power may be set as the target power generation amount.

制御部110の燃料供給量決定手段110bは、図9の3段目のグラフに示すように、燃料供給電流値Ifに対応する電力が生成できる流量の燃料供給量Frを決定し、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット38を制御して、決定した燃料供給量Frで燃料を燃料電池モジュール2に供給する。なお、燃料供給量に対する実際に発電に使用される燃料の割合である燃料利用率が一定であるとすれば、燃料供給電流値Ifと燃料供給量Frは比例する。図9のグラフは、燃料供給電流値Ifと燃料供給量Frが比例するものとして描かれているが、実際には、燃料利用率は運転状態に応じて変更される。   The fuel supply amount determination means 110b of the control unit 110 determines the fuel supply amount Fr at a flow rate that can generate electric power corresponding to the fuel supply current value If, as shown in the third graph of FIG. The fuel flow rate adjusting unit 38 is controlled to supply fuel to the fuel cell module 2 with the determined fuel supply amount Fr. If the fuel utilization rate, which is the ratio of the fuel actually used for power generation with respect to the fuel supply amount, is constant, the fuel supply current value If and the fuel supply amount Fr are proportional. In the graph of FIG. 9, the fuel supply current value If and the fuel supply amount Fr are drawn as being proportional to each other, but actually, the fuel utilization rate is changed according to the operating state.

さらに、図9の最下段のグラフに示すように、制御部110の負荷追従制御実行手段110cは、燃料供給量決定手段110bにより決定された燃料供給量Frに応じて、燃料電池モジュール2から取り出すことができる電流値である取出可能電流Iinvをインバータ54に対して指示する信号を出力する。インバータ54は、時々刻々急激に変化する需要電力に応じ、取出可能電流Iinvの範囲内で燃料電池モジュール2から電流(電力)を取り出す。需要電力が取出可能電流Iinvを上回る部分については、系統電力から供給され、これが買電力となる。   Further, as shown in the lowermost graph of FIG. 9, the load follow-up control execution unit 110c of the control unit 110 takes out from the fuel cell module 2 according to the fuel supply amount Fr determined by the fuel supply amount determination unit 110b. A signal for instructing the inverter 54 of the extractable current Iinv that is a current value that can be output is output. The inverter 54 extracts current (electric power) from the fuel cell module 2 within the range of the extractable current Iinv according to the demand power that changes suddenly every moment. The portion where the demand power exceeds the extractable current Iinv is supplied from the grid power, and this is the purchased power.

ここで、図9に示すように、制御部110がインバータ54に指示する取出可能電流Iinvは、電流が増加傾向にある場合、燃料供給量Frの変化に対して所定時間遅れて変化するように設定される(遅延制御)。例えば、図9の時刻t10においては、燃料供給電流値If及び燃料供給量Frが上昇を始めた後、遅れて、取出可能電流Iinvの増加が開始される。また、時刻t12においても、燃料供給電流値If及び燃料供給量Frの増加の後、遅れて、取出可能電流Iinvの増加が開始される。   Here, as shown in FIG. 9, when the current tends to increase, the extractable current Iinv instructed by the control unit 110 to the inverter 54 changes so as to be delayed by a predetermined time with respect to the change in the fuel supply amount Fr. Set (delay control). For example, at time t10 in FIG. 9, after the fuel supply current value If and the fuel supply amount Fr start to increase, the increase of the extractable current Iinv is started with a delay. Also at time t12, after the fuel supply current value If and the fuel supply amount Fr increase, the increase of the extractable current Iinv is started with a delay.

このように、制御部110は、燃料供給量Frを増加させた後、実際に燃料電池モジュール2から取り出す電力を増加させるタイミングを遅らせる遅延制御を行いながら取出可能電流Iinv又は取出可能電力を需要電力の変化に追従させ、燃料電池モジュール2に供給された燃料が改質器20等を通って燃料電池セルスタック14に到達するまでの時間遅れや、燃料が燃料電池セルスタック14に到達した後、実際の発電反応が可能になるまでの時間遅れに対処している。これにより、各燃料電池セルユニット16において燃料枯れが発生し、燃料電池セルユニット16が損傷されるのを確実に防止している。
なお、本実施形態では、負荷追従制御実行手段110cは、取出可能電力(そのうち、取出し時の実際の需要電力に合わせてインバータ54から出力される電力が出力電力)に対応させて取出可能電流Iinvを設定しているが、これに限らず、取出可能電力自体を設定してもよい。
As described above, the control unit 110 increases the fuel supply amount Fr, and then performs the delay control for delaying the timing for actually increasing the power to be extracted from the fuel cell module 2, while obtaining the extractable current Iinv or the extractable power as demand power. The time delay until the fuel supplied to the fuel cell module 2 reaches the fuel cell stack 14 through the reformer 20 or the like, or after the fuel reaches the fuel cell stack 14, The time delay until the actual power generation reaction becomes possible is addressed. This reliably prevents the fuel battery cell unit 16 from being depleted of fuel and damaging the fuel battery cell unit 16.
In the present embodiment, the load follow-up control execution unit 110c takes out the current Iinv that can be taken out in correspondence with the electric power that can be taken out (of which, the electric power output from the inverter 54 in accordance with the actual demand power at the time of taking out). However, the present invention is not limited to this, and the extractable power itself may be set.

制御部110の需要電力履歴記憶手段110dは、図8に示した需要電力の時間変化、及び、実際にインバータ54から負荷側へ出力された出力電力の時間変化を記憶するように構成されている。需要電力履歴記憶手段110dは、外部から受け取った需要電力の時間データ、及び電力状態検出センサ126から受け取った出力電力の時間データをメモリ内に記憶する。また、需要電力履歴記憶手段110dは、直近の所定期間(例えば、3日、1週間、2週間、1ヶ月、3ヶ月等)の需要電力及び出力電力の時間データに基づいて、所定周期(本実施形態では1日)の需要電力及び出力電力の平均データを算出し、更新した平均データを記憶する。なお、本実施形態では、所定周期において、所定の時間区分(本実施形態では2時間)毎に平均値を算出している。   The demand power history storage means 110d of the control unit 110 is configured to store the time change of the demand power shown in FIG. 8 and the time change of the output power actually output from the inverter 54 to the load side. . The demand power history storage means 110d stores the demand power time data received from the outside and the output power time data received from the power state detection sensor 126 in the memory. Further, the demand power history storage unit 110d stores a predetermined cycle (this time) based on demand power and output power time data for the most recent predetermined period (eg, 3 days, 1 week, 2 weeks, 1 month, 3 months, etc.). In the embodiment, average data of demand power and output power for 1 day) is calculated, and the updated average data is stored. In the present embodiment, an average value is calculated for each predetermined time segment (2 hours in the present embodiment) in a predetermined cycle.

制御部110の上限値設定手段110eは、需要電力履歴記憶手段110dによって記憶された需要電力の平均データを用いて、需要電力の上限値(上限電力)を設定及び更新する。
図10は、設定された上限値の例である。図10の例では、需要電力の上限値が所定の時間区分毎(図10では2時間毎)に所定の期間を単位とする時間変化(図10では日変化)として設定されている。ただし、これに限らず、例えば、時間区分の長さを、5分、10分、30分、1時間、2時間等の任意の時間長さにしてもよい。また、時間変化を、日変化ではなく、週変化、季節変化等の任意の期間の変化としてもよい。
図10は、図8に示された電力時間変化のデータを含むデータに基づいて設定されており、一般的な家庭内での非活動時間帯(深夜から早朝等)は、出力電力の上限値が低く設定されており、一方、活動時間帯(朝食時間帯や夕方から深夜等)は、出力電力の上限値が高く設定されている。
The upper limit value setting unit 110e of the control unit 110 sets and updates the upper limit value (upper limit power) of demand power using the average power demand data stored by the demand power history storage unit 110d.
FIG. 10 is an example of the set upper limit value. In the example of FIG. 10, the upper limit value of demand power is set as a time change (daily change in FIG. 10) with a predetermined period as a unit for every predetermined time segment (every 2 hours in FIG. 10). However, the present invention is not limited to this, and for example, the length of the time segment may be any time length such as 5 minutes, 10 minutes, 30 minutes, 1 hour, 2 hours, or the like. Further, the time change may be a change in an arbitrary period such as a week change or a seasonal change instead of a daily change.
FIG. 10 is set based on the data including the power time change data shown in FIG. 8, and the inactive time zone (such as from midnight to early morning) in a general home is the upper limit value of the output power. On the other hand, the upper limit value of the output power is set high in the activity time zone (breakfast time zone or evening to midnight, etc.).

制御部110の負荷追従制限手段110fは、上限値設定手段110eによって決定された上限値に応じて、この上限値を超えることになる燃料供給量及び取出可能電力を制限する。具体的には、需要電力に応じて発電量決定手段110aにより設定された目標発電量(目標出力電流である燃料供給電流値Ifに基づいて算出)が上限値を超えない場合は、負荷追従制限手段110fは、目標発電量に応じて順次、燃料供給量決定手段110bにより決定される燃料供給量Fr、及び、負荷追従制御実行手段110cにより指示される取出可能電流Iinv(又は、取出可能電流Iinvに基づいて算出される取出可能電力)を制限しない。   The load follow-up limiting unit 110f of the control unit 110 limits the fuel supply amount and the extractable power that will exceed the upper limit value according to the upper limit value determined by the upper limit value setting unit 110e. Specifically, when the target power generation amount (calculated based on the fuel supply current value If which is the target output current) set by the power generation amount determination unit 110a according to the demand power does not exceed the upper limit value, the load follow-up restriction is performed. The means 110f sequentially outputs the fuel supply amount Fr determined by the fuel supply amount determination means 110b and the extractable current Iinv (or the extractable current Iinv instructed by the load following control execution means 110c) according to the target power generation amount. Is not limited.

しかしながら、需要電力が上限値を超える場合は、負荷追従制限手段110fは、需要電力に代替して上限値を発電量決定手段110aへ出力することにより、需要電力ではなく、上限値に基づいて、発電量決定手段110aにより目標発電量(燃料供給電流値If)を設定させ、その結果、燃料供給量決定手段110bにより燃料供給量Frを決定させると共に、負荷追従制御実行手段110cにより取出可能電力(取出可能電流値Iinv)を指示させる。これにより、発電量決定手段110aにより設定される目標発電量、燃料供給量決定手段110bにより決定される燃料供給量、及び、負荷追従制御実行手段110cにより指示される取出可能電力が制限される。   However, when the demand power exceeds the upper limit value, the load follow-up limiting means 110f outputs the upper limit value to the power generation amount determination means 110a instead of the demand power, so that it is based on the upper limit value instead of the demand power. The target power generation amount (fuel supply current value If) is set by the power generation amount determination means 110a, and as a result, the fuel supply amount Fr is determined by the fuel supply amount determination means 110b and the power that can be taken out by the load following control execution means 110c ( An extractable current value Iinv) is indicated. As a result, the target power generation amount set by the power generation amount determination means 110a, the fuel supply amount determined by the fuel supply amount determination means 110b, and the extractable power instructed by the load following control execution means 110c are limited.

本実施形態では、上限値設定手段110eは、図11のフローチャートに基づいて、図10に示した発電量の上限値を設定及び更新する。この処理は、所定時間毎に繰り返し実行される。
この発電量の上限値設定処理において、先ず、上限値設定手段110eは、需要電力履歴記憶手段110dによって記憶された現在の需要電力値Tn及び出力電力値Unを読み込む(ステップS1)。
In the present embodiment, the upper limit value setting unit 110e sets and updates the upper limit value of the power generation amount shown in FIG. 10 based on the flowchart of FIG. This process is repeatedly executed every predetermined time.
At the upper limit value setting process of the power generation amount, first, upper limit setting unit 110e reads the current demand power value T n and the output power value U n stored by the power demand history storage unit 110d (step S1).

次に、上限値設定手段110eは、需要電力履歴記憶手段110dによって記憶されている需要電力の平均データから、現在の時間区分における需要電力の平均値TOn-1を読み込み(ステップS2)、読み込んだ需要電力値Tn及び需要電力平均値TOn-1に基づいて、現在の時間区分における最新の需要電力平均値TOnを算出及び更新する(ステップS3)。
なお、本実施形態では、1つの時間区分内で時間経過と共に複数個の需要電力値Tnが読み込まれ、複数回の更新が行われる。このため、各需要電力値Tnは、重み付けされて平均値が求められる。例えば、1つの時間区分でN回の需要電力値Tnの読み込みが行われ、N回更新が行われるとすると、1つの需要電力値Tnは、1/Nの重みで平均値算出に用いられる。
Next, the upper limit value setting unit 110e reads the average value TO n-1 of the demand power in the current time section from the average data of the demand power stored by the demand power history storage unit 110d (Step S2). it based on the power demand values T n and demand electric power mean value tO n-1, calculates and updates the latest demand power averages tO n at the current time segment (step S3).
In the present embodiment, a plurality of demand power values T n are read as time elapses within one time segment, and a plurality of updates are performed. For this reason, each demand electric power value Tn is weighted and an average value is calculated | required. For example, if the demand power value T n is read N times in one time segment and updated N times, one demand power value T n is used for calculating the average value with a weight of 1 / N. It is done.

次に、上限値設定手段110eは、需要電力履歴記憶手段110dによって記憶されている出力電力の平均データから、現在の時間区分における出力電力の平均値UOn-1を読み込み(ステップS4)、読み込んだ出力電力値Un及び出力電力平均値UOn-1に基づいて、現在の時間区分における最新の出力電力平均値UOnを算出及び更新する(ステップS5)。
なお、本実施形態では、1つの時間区分内で時間経過と共に複数個の出力電力値Unが読み込まれ、複数回の更新が行われる。このため、各出力電力値Unは、重み付けされて平均値が求められる。例えば、1つの時間区分でN回の出力電力値Unの読み込みが行われ、N回更新が行われるとすると、1つの出力電力値Unは、1/Nの重みで平均値算出に用いられる。
Next, the upper limit value setting unit 110e reads the average value UO n-1 of the output power in the current time segment from the average data of the output power stored by the demand power history storage unit 110d (Step S4). I based on the output power value U n and the output electric power mean value UO n-1, it calculates and updates the latest output power averages UO n at the current time segment (step S5).
In the present embodiment, a plurality of output power values Un are read over time within one time segment, and a plurality of updates are performed. For this reason, each output power value Un is weighted to obtain an average value. For example, reading of N times the output power value U n is performed in one time segment, if it is assumed that N times updates are performed, one output power value U n uses the average value calculated by the weight of 1 / N It is done.

次に、上限値設定手段110eは、更新された最新の出力電力平均値UOn及び需要電力平均値TOnに基づいて、現在の時間区分における発電量の上限値を算出及び更新し(ステップS6)、処理を終了する。本実施形態では、上限値設定手段110eは、「上限値=出力電力平均値UOn×0.7+需要電力平均値TOn×0.3」により、上限値を算出する。これにより、現在の時間区分における実績の平均値(出力電力平均値)に、需要電力平均値が加味されて上限値が定められる。 Then, upper limit value setting means 110e on the basis of the updated latest output power averages UO n and demand electric power mean value TO n, calculates and updates the upper limit value of the power generation amount in the current time segment (step S6 ), The process is terminated. In the present embodiment, the upper limit value setting unit 110e calculates the upper limit value by “upper limit value = output power average value UO n × 0.7 + demand power average value TO n × 0.3”. Thus, the upper limit value is determined by adding the average demand power to the average value (output power average value) of the results in the current time segment.

したがって、低負荷時間帯において、短周期的な変動がなく需要電力が安定している場合は、需要電力平均値も日変化せず一定となり、また、出力電力も需要電力と一致した値で一定となる。したがって、このような安定状態では、上限値は、出力電力及び需要電力の平均値と一致する。
しかしながら、低負荷時間帯においても、微小ながら短周期的な需要電力の変動があるので、遅延制御による遅れ時間に起因して、需要電力の平均値の方が、出力電力の平均値よりも僅かに大きくなる。したがって、低負荷時間帯において、上限値は、出力電力の平均値よりも大きめに設定される。
Therefore, when there is no short-term fluctuation and the demand power is stable in the low load time, the demand power average value does not change day by day and the output power is constant at a value that matches the demand power. It becomes. Therefore, in such a stable state, the upper limit value matches the average value of output power and demand power.
However, even in the low load time zone, there is a small but short period fluctuation in demand power, so the average value of demand power is slightly less than the average value of output power due to the delay time due to delay control. Become bigger. Therefore, the upper limit value is set larger than the average value of the output power in the low load time zone.

また、季節変化やライフスタイル変化に伴って需要電力も影響を受けるので、本実施形態においては、上限値を決定する要因として、需要電力の平均値を加味することにより、このような季節やライフスタイルの変化に対応して、上限値を設定及び更新することができる。   In addition, since demand power is also affected by seasonal changes and lifestyle changes, in this embodiment, by adding the average value of demand power as a factor for determining the upper limit value, The upper limit value can be set and updated in response to a change in style.

次に、上限値の設定に基づく、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池1の制御を説明する。
上述のように、例えば図8に示すように、定刻(朝6時)にタイマーを利用して電気製品が作動し、低負荷時間帯に急激且つ短周期的な需要電力の増加及び減少の繰り返し変動が生じることがある。低負荷時間帯においても、需要電力の微小な増減はあるが、定格電力を超えるような大きな負荷変動が起こると、燃料電池装置1の発電の遅れ時間に起因して、燃料の無駄や過昇温といった問題が生じる。
Next, control of the solid oxide fuel cell 1 according to the embodiment of the present invention based on the setting of the upper limit value will be described.
As described above, for example, as shown in FIG. 8, the electric appliance is operated using a timer at a fixed time (6:00 am), and the demand power is repeatedly increased and decreased repeatedly in a low load time period. Variations may occur. Even in a low load time zone, there is a slight increase or decrease in demand power, but if a large load fluctuation occurs that exceeds the rated power, fuel is wasted or excessively increased due to the power generation delay time of the fuel cell device 1. Problems such as temperature arise.

このような大きな負荷変動が起きた場合、急増した需要電力が上限値を超えるので、制御部110の負荷追従制限手段110fは、上限値までの出力電力を取出し可能とするように、目標発電量(燃料供給電流値)、燃料供給量及び取出可能電力(取出可能電流値)を制限する。これにより、発電量決定手段110a、燃料供給量決定手段110b及び負荷追従制御実行手段110cは、実際の需要電力の増加に追従しようとはせず、取出可能電力が上限値となるように低減された追従制御を行う。これにより、上述のような燃料の無駄や過昇温といった問題を抑制することができる。   When such a large load fluctuation occurs, the rapidly increased demand power exceeds the upper limit value, so that the load follow-up limiting means 110f of the control unit 110 can output the target power generation amount so that the output power up to the upper limit value can be taken out. (Fuel supply current value), fuel supply amount and extractable power (extractable current value) are limited. As a result, the power generation amount determining means 110a, the fuel supply amount determining means 110b, and the load follow-up control executing means 110c do not try to follow the actual increase in demand power, but are reduced so that the available power becomes the upper limit value. Follow-up control is performed. As a result, problems such as fuel waste and excessive temperature rise as described above can be suppressed.

また、タイマー利用により定刻に需要電力の大きな変動が開始される場合でも、上限値が出力電力の平均値及び需要電力の平均値に基づいて決定されるので、上限値が需要電力の大きな変動の開始の直前までの低負荷のレベルと比べて極端に大きく設定されることがない。また、需要電力の大きな変動は、電力のオンオフ制御に基づくものであるので、時間的に平均すると需要電力は大きくならない。また、需要電力の大きな変動中においても、遅延制御に起因して、仮に目標発電量が大きく設定されたとしても、出力電力は極端に大きくならない。したがって、本実施形態のように、上限値を出力電力の平均値及び需要電力の平均値に基づいて決定することにより、更には時間区分を設定することにより、需要電力の大きな変動の開始の直前までの低負荷のレベルに比べて上限値が大幅に大きく設定されることがなく、むしろ低負荷のレベルに近い値が設定される。   In addition, even when large fluctuations in demand power are started on time by using the timer, the upper limit value is determined based on the average value of output power and the average value of demand power. It is not set extremely large compared to the low load level until just before the start. In addition, since the large fluctuation of the demand power is based on the power on / off control, the demand power does not increase when averaged over time. Even during a large fluctuation in demand power, the output power does not become extremely large even if the target power generation amount is set large due to delay control. Therefore, as in this embodiment, the upper limit value is determined based on the average value of the output power and the average value of the demand power, and further, by setting the time segment, immediately before the start of a large fluctuation in the demand power. The upper limit value is not set to be significantly larger than the low load level until, but rather, a value close to the low load level is set.

上記実施形態では、上限値が所定周期(例えば日変化)におけるすべての時間区分において設定されているが、これに限らず、特定の時間区分のみに上限値が設定されるように構成してもよい。例えば、低負荷時間帯において、所定の電力値(例えば定格出力)を超える大きな需要電力が発生した時間区分、需要電力に対して所定の割合以下でしか出力電力を提供できない時間区分等のみに上限値を設定してもよい。このように構成することにより、遅延制御に起因する燃料の無駄や過昇温を生じるおそれのある時間帯又は時間区分において、上記問題の発生を抑制することができる。   In the above embodiment, the upper limit value is set in all time segments in a predetermined cycle (for example, daily change). However, the present invention is not limited to this, and the upper limit value may be set only in a specific time segment. Good. For example, in a low load time zone, the upper limit is limited only to the time segment in which large demand power exceeding a predetermined power value (for example, rated output) occurs, or the time segment in which output power can be provided only at a predetermined ratio or less with respect to the demand power. A value may be set. By configuring in this way, it is possible to suppress the occurrence of the above problem in a time zone or a time segment in which there is a risk of waste of fuel or excessive temperature rise due to delay control.

また、上記実施形態では、上限値が出力電力の平均値及び需要電力の平均値に基づいて決定されているが、これに限らず、各時間区分において、需要電力の最低値を上限値として設定するように構成してもよい。このように構成することにより、需要電力の変動に起因する出力電力の変動が抑制され、出力電力の安定的な供給が可能となると共に、燃料電池モジュール2の運転の効率化及び長寿命化を図ることができる。   In the above embodiment, the upper limit value is determined based on the average value of the output power and the average value of the demand power. However, the present invention is not limited to this, and the minimum value of the demand power is set as the upper limit value in each time segment. You may comprise. By configuring in this way, fluctuations in output power due to fluctuations in demand power are suppressed, stable supply of output power becomes possible, and more efficient operation and longer life of the fuel cell module 2 are achieved. Can be planned.

また、上記実施形態では、設定された上限値を超えるような需要電力の変動があった場合に、出力電力が上限値を超えることが無いように制御が行われるが、これに限らず、所定の時間区分において、上限値を所定期間超える場合は、上限値を更に大きな値に再設定したり、上限値を一時的に設定しない状態としたりすることにより、需要電力の変動に追従する程度を高めてもよい。例えば、ある日のある時間区分において、上限値を超える期間が所定期間継続する場合には、例外的な需要電力があると判断することができる。上限値の設定は、燃料電池装置1による電力供給を低減して、買電力を増加させることになる。したがって、このように例外的な需要電力がある場合には、上限値の再設定や一時的中止により、買電力を低減して、燃料電池装置1からの電力供給量を増加させるメリットがある。   In the above-described embodiment, control is performed so that the output power does not exceed the upper limit value when there is a fluctuation in demand power that exceeds the set upper limit value. When the upper limit value is exceeded for a predetermined period, the upper limit value is reset to a larger value, or the upper limit value is not set temporarily, so that the degree of follow-up to fluctuations in demand power is reduced. May be raised. For example, when a period exceeding an upper limit value continues for a predetermined period in a certain time segment on a certain day, it can be determined that there is exceptional demand power. The setting of the upper limit value decreases the power supply by the fuel cell device 1 and increases the purchased power. Therefore, when there is exceptional demand power as described above, there is a merit that the purchased power is reduced and the power supply amount from the fuel cell device 1 is increased by resetting the upper limit value or temporarily stopping it.

1 固体酸化物型燃料電池
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
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
18 燃焼室
28 水流量調整ユニット
38 燃料流量調整ユニット
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
54 インバータ
110 制御部
110a 発電量決定手段
110b 燃料供給量決定手段
110c 負荷追従制御実行手段
110d 需要電力履歴記憶手段
110e 上限値設定手段
110f 負荷追従制限手段
126 電力状態検出センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid oxide type fuel cell 2 Fuel cell module 4 Auxiliary machine unit 10 Power generation chamber 12 Fuel cell assembly 14 Fuel cell stack 16 Fuel cell unit 18 Combustion chamber 28 Water flow rate adjustment unit 38 Fuel flow rate adjustment unit 44 Reformation Air flow rate adjustment unit 45 Power generation air flow rate adjustment unit 54 Inverter 110 Control unit 110a Power generation amount determination means 110b Fuel supply amount determination means 110c Load follow-up control execution means 110d Demand power history storage means 110e Upper limit value setting means 110f Load follow-up restriction means 126 Power state detection sensor

Claims (4)

燃料電池セルを収容する燃料電池モジュールと、需要電力の一部又は全部を供給するように前記燃料電池モジュールによる発電を制御する制御手段とを備えた固体酸化物型燃料電池装置において、
前記制御手段は、
需要電力に基づいて発電量を決定する発電量決定手段と、
前記決定された発電量に応じた燃料供給量を決定する燃料供給量決定手段と、
前記決定された燃料供給量の燃料供給開始から所定時間遅れて前記燃料電池モジュールから、前記燃料供給量に応じた出力電力を取り出す遅延制御を実行することにより、出力電力を需要電力の変化に追従させる負荷追従制御実行手段と、を備え、
前記制御手段は、更に、
需要電力の時間変化を記憶する需要電力履歴記憶手段と、
前記需要電力履歴記憶手段により記憶された前記需要電力の時間変化に基づいて、発電量の上限値を設定する上限値設定手段と、
前記上限値設定手段により設定された上限値に応じた燃料供給量を超える燃料供給及び出力電力の取り出しを制限する負荷追従制限手段と、を備えたことを特徴とする固体酸化物型燃料電池装置。
In a solid oxide fuel cell device comprising: a fuel cell module that accommodates fuel cells; and a control unit that controls power generation by the fuel cell module so as to supply part or all of the demand power.
The control means includes
A power generation amount determining means for determining a power generation amount based on demand power;
Fuel supply amount determination means for determining a fuel supply amount according to the determined power generation amount;
By executing delay control for extracting output power corresponding to the fuel supply amount from the fuel cell module after a predetermined time delay from the start of fuel supply of the determined fuel supply amount, the output power follows the change in demand power. Load follow-up control execution means,
The control means further includes
Demand power history storage means for storing changes in demand power over time;
Upper limit value setting means for setting an upper limit value of the amount of power generation based on a temporal change in the demand power stored by the demand power history storage means;
A solid oxide fuel cell device comprising: load follow-up limiting means for limiting fuel supply exceeding the fuel supply amount according to the upper limit value set by the upper limit value setting means and extraction of output power. .
前記負荷追従制限手段は、前記記憶された需要電力の時間変化に基づいて、少なくとも需要電力の時間変化が大きい時間帯において前記上限値を設定し、前記上限値を超える出力電力の取り出しを制限することを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池装置。   The load follow-up limiting unit sets the upper limit value at least in a time zone in which the time change in demand power is large based on the stored time change in demand power, and limits the extraction of output power exceeding the upper limit value. The solid oxide fuel cell device according to claim 1. 前記負荷追従制限手段は、前記記憶された需要電力の時間変化に基づいて、前記時間帯における需要電力の最低値を、この時間帯における前記上限値に設定することを特徴とする請求項2に記載の固体酸化物型燃料電池装置。   3. The load follow-up limiting unit sets a minimum value of demand power in the time zone to the upper limit value in the time zone based on the time change of the stored demand power. The solid oxide fuel cell device described. 前記負荷追従制限手段は、前記時間帯において、需要電力が前記上限値を所定期間超える場合には、前記上限値の設定を禁止又は前記上限値をより高い値に再設定することを特徴とする請求項2に記載の固体酸化物型燃料電池装置。   The load follow-up limiting means prohibits the setting of the upper limit value or resets the upper limit value to a higher value when demand power exceeds the upper limit value for a predetermined period in the time period. The solid oxide fuel cell device according to claim 2.
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