JP6311867B2 - Fuel cell device - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池装置に関し、特に、オフガスに点火するための点火装置を備えた燃料電池装置に関する。   The present invention relates to a fuel cell device, and more particularly to a fuel cell device including an ignition device for igniting off-gas.

固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」とも言う)は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤ガス(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, has electrodes attached to both sides thereof, and supplies fuel gas to one side. The fuel cell operates at a relatively high temperature by supplying an oxidant gas (air, oxygen, etc.) to the other side.

特開2010−108698号公報(特許文献1)には、固体酸化物形燃料電池装置が記載されている。この燃料電池装置では、ハウジング内に複数の燃料電池セルユニットからなる燃料電池セル集合体が収容されている。この燃料電池セル集合体は、複数の燃料電池セルスタックの配列からなる。各燃料電池セルスタックでは、複数の燃料電池セルユニットの上端部及び下端部がそれぞれ支持板によって結合されることにより複数の燃料電池セルユニットが一体化されている。各燃料電池セルユニットの端部は、支持板を貫通して上下方向に延びている。運転中に燃料電池セルユニットの下端部から内部流路に導入された燃料ガスは、燃料電池セルユニットの内面の燃料極において発電反応に用いられる。一方、燃料極で発電反応に用いられなかった未反応燃料ガス(オフガス)は、内部流路を通過して上端部から流出し、燃料電池セル集合体の上方に位置する燃焼部へ導かれる。   Japanese Patent Laying-Open No. 2010-108698 (Patent Document 1) describes a solid oxide fuel cell device. In this fuel cell device, a fuel cell assembly comprising a plurality of fuel cell units is housed in a housing. This fuel cell assembly is composed of an array of a plurality of fuel cell stacks. In each fuel cell stack, the upper and lower ends of the plurality of fuel cell units are joined together by a support plate, so that the plurality of fuel cell units are integrated. The end of each fuel cell unit extends through the support plate in the vertical direction. The fuel gas introduced into the internal flow path from the lower end of the fuel cell unit during operation is used for the power generation reaction at the fuel electrode on the inner surface of the fuel cell unit. On the other hand, unreacted fuel gas (off-gas) that has not been used in the power generation reaction at the fuel electrode passes through the internal flow path, flows out from the upper end portion, and is guided to the combustion portion located above the fuel cell assembly.

また、特許文献1に記載の装置では、ハウジングの下方から燃料電池セルユニットの外部の発電室へ導入された酸化剤ガスは、燃料電池セルユニットの外面の酸化剤ガス極又は空気極において発電反応に用いられる。また、発電反応に用いられなかった酸化剤ガスは、上側支持板に設けられた孔及び隣接する上側支持板間の隙間を通過して燃焼部へ導かれる。   Further, in the apparatus described in Patent Document 1, the oxidant gas introduced from the lower side of the housing into the power generation chamber outside the fuel cell unit is generated at the oxidant gas electrode or the air electrode on the outer surface of the fuel cell unit. Used for. In addition, the oxidant gas that has not been used for the power generation reaction passes through a hole provided in the upper support plate and a gap between the adjacent upper support plates and is guided to the combustion unit.

このような構成により、特許文献1に記載の装置では、燃焼部において、オフガスと酸化剤ガスとが混合され燃焼される。燃料電池装置は、オフガスと酸化剤ガスとの混合ガスに点火するための点火装置を備えている。点火装置は、点火源(例えば、発熱体又は点火プラグ等)であり、1つ又は複数の燃料電池セルユニットの上端部において、酸化剤ガスの存在の下、流出するオフガスに点火する。さらに、点火した燃料電池セルユニットが熱源となり、隣の燃料電池セルユニットへ次々と火移りが起こっていき、最終的に燃料電池セル集合体のすべての燃料電池セルユニットへ火移りが完了する。これにより、燃料電池セル集合体のすべての燃料電池セルユニットにおいて、オフガスの燃焼が開始される。   With such a configuration, in the apparatus described in Patent Document 1, off-gas and oxidant gas are mixed and burned in the combustion section. The fuel cell device includes an ignition device for igniting a mixed gas of off-gas and oxidant gas. The ignition device is an ignition source (for example, a heating element or a spark plug), and ignites offflowing off-gas in the presence of an oxidant gas at the upper end of one or more fuel cell units. Further, the ignited fuel cell unit becomes a heat source, and fire transfer occurs one after another to the adjacent fuel cell unit, and finally the transfer to all the fuel cell units of the fuel cell assembly is completed. Thereby, the combustion of off-gas is started in all the fuel cell units of the fuel cell assembly.

特開2010−108698号公報JP 2010-108698 A

しかしながら、特許文献1に記載の装置では、支持板によって発電室から燃焼部への酸化剤ガスの流入経路が狭くなるため、燃焼部への酸化剤ガス供給が制限され、良好な燃焼安定性が得られないという問題があった。即ち、燃焼部への酸化剤ガス供給量及び供給位置が限定され、酸化剤ガスの気流を安定させてオフガスと酸化剤ガスとを良好に混合させることが難く、燃焼部において混合気体に対して燃焼させることが難しかった。   However, in the apparatus described in Patent Document 1, since the inflow path of the oxidant gas from the power generation chamber to the combustion part is narrowed by the support plate, the supply of the oxidant gas to the combustion part is limited, and good combustion stability is achieved. There was a problem that it could not be obtained. That is, the amount of oxidant gas supplied to the combustion section and the supply position are limited, it is difficult to stabilize the oxidant gas flow and mix off-gas and oxidant gas well. It was difficult to burn.

一方、支持板を取り除いた場合、発電室から燃焼部への酸化剤ガスへの供給が支持板によって妨げられなくなるので、燃焼部への酸化剤ガスの供給性は向上するが、逆に酸化剤ガスの流れによって、点火させた燃料電池セルユニットからの迅速な火移りが妨げられるという問題がある。   On the other hand, when the support plate is removed, the supply of the oxidant gas from the power generation chamber to the combustion unit is not hindered by the support plate, so that the supply of oxidant gas to the combustion unit is improved. There is a problem in that the gas flow prevents rapid fire transfer from the ignited fuel cell unit.

従って、本発明は、燃焼部におけるオフガスへの着火性が向上された燃料電池装置を提供することを目的としている。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell device with improved ignitability to off-gas in the combustion section.

上述した課題を解決するために、本発明は、内部流路を通過する燃料ガスと外部の酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池セルユニットを備えた燃料電池装置において、ハウジング内に配置された複数の前記燃料電池セルユニットの配列からなる燃料電池セル集合体と、燃料電池セルユニットの外部にハウジングの下方から酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料電池セル集合体の上方に位置し、燃料電池セルユニットの内部流路を通過して燃料電池セルユニットの上端部から流出する燃料ガスと酸化剤ガス供給手段により供給された酸化剤ガスとを燃焼させる燃焼部と、燃焼部において燃料ガスと酸化剤ガスの混合ガスに点火するための点火部を有する点火装置と、を備え、点火装置の点火部の直下近傍のみに、酸化剤ガス供給手段から燃焼部へ供給される酸化剤ガスの流れを遮断する酸化剤ガス遮蔽板が配置され、酸化剤ガス遮蔽板は、複数の前記燃料電池セルユニットの上端部が酸化剤ガス遮蔽板を貫通した状態で、燃料電池セル集合体に対して保持されていることを特徴としている。   In order to solve the above-described problems, the present invention is arranged in a housing in a fuel cell device including a fuel cell unit that generates electric power by a reaction between a fuel gas passing through an internal flow path and an external oxidant gas. A fuel cell assembly comprising an array of a plurality of the fuel cell units, an oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the outside of the fuel cell unit from below the housing, and an upper part of the fuel cell assembly A combustion part that burns the fuel gas flowing through the internal flow path of the fuel cell unit unit and flowing out from the upper end of the fuel cell unit and the oxidant gas supplied by the oxidant gas supply means; And an igniter having an igniter for igniting a mixed gas of fuel gas and oxidant gas in the portion, and the oxidant gas only in the vicinity immediately below the igniter of the igniter An oxidant gas shielding plate for blocking the flow of the oxidant gas supplied from the supply means to the combustion unit is disposed, and the oxidant gas shielding plate has an oxidant gas shielding plate at the upper end of the plurality of fuel cell units. The fuel cell assembly is held in a penetrating state.

このように構成された本発明においては、燃料電池セル集合体の上方に位置する燃焼部において、各燃料電池セルユニットの内部流路を通過して上端部から流出する燃料ガス(オフガス)と、燃料電池セルユニットの外部に供給され燃焼部へ導かれた酸化剤ガスとを燃焼させるように構成されており、燃焼部においてオフガスと酸化剤ガスとの混合ガスは点火装置により点火される。そして、本発明では、点火装置の点火部の直下近傍にのみ、燃焼部へ供給される酸化剤ガスの流れを遮断する酸化剤ガス遮蔽板が配置され、且つ、この酸化剤ガス遮蔽板が、複数の燃料電池セルユニットの上端部が貫通した状態で燃料電池セル集合体に対して保持されている。   In the present invention configured as described above, in the combustion section located above the fuel cell assembly, fuel gas (off gas) flowing through the internal flow path of each fuel cell unit and flowing out from the upper end, The oxidant gas supplied to the outside of the fuel cell unit and guided to the combustion part is combusted. In the combustion part, the mixed gas of off-gas and oxidant gas is ignited by an ignition device. In the present invention, an oxidant gas shielding plate that blocks the flow of the oxidant gas supplied to the combustion unit is disposed only near the ignition unit of the ignition device, and the oxidant gas shielding plate is The fuel cell unit assembly is held with the upper end portions of the plurality of fuel cell units penetrating therethrough.

このように本発明では、酸化剤ガス遮蔽板によって燃焼部へ供給される酸化剤ガスの流れが遮断又は制限されるが、酸化剤ガス遮蔽板が必要最小限の部分に局所的に配置されているため、この酸化剤ガスの流れの遮断は限定的であり、むしろ酸化剤ガス遮蔽板の周囲を通過する酸化剤ガスを酸化剤ガス遮蔽板の上方へ回り込ませるような気流を生成することができる。これにより、酸化剤ガスを点火装置の点火部の周囲に集中させることができると共に、酸化剤ガスの集中する気流により、酸化剤ガス遮蔽板を貫通する複数の燃料電池セルユニットの上端部から流出するオフガスも点火部の周囲に集中させることができる。したがって、点火装置の点火部の周囲には燃料リッチな混合ガス雰囲気が形成され、点火が容易となる。   As described above, in the present invention, the flow of the oxidant gas supplied to the combustion unit is blocked or restricted by the oxidant gas shielding plate, but the oxidant gas shielding plate is locally disposed in the minimum necessary portion. Therefore, the blocking of the flow of the oxidant gas is limited. Rather, the flow of the oxidant gas passing around the oxidant gas shielding plate may be generated so as to circulate above the oxidant gas shielding plate. it can. As a result, the oxidant gas can be concentrated around the ignition part of the ignition device, and the oxidant gas flows out from the upper ends of the plurality of fuel cell units penetrating the oxidant gas shielding plate due to the concentrated air flow. The off gas to be concentrated can also be concentrated around the ignition part. Therefore, a fuel-rich mixed gas atmosphere is formed around the ignition part of the ignition device, and ignition is easy.

さらに、点火後においては、各燃料電池セルユニットの上端部から延びる燃焼炎が、集中する気流によって、点火部付近で一体化され肥大化し、点火部は大きな燃焼炎に晒される。即ち、単独の燃料電池セルユニットからのオフガスによる燃焼炎よりも大きな燃焼炎が形成される。このため、形成された大きな燃焼炎が大きな熱源となり、酸化剤ガス遮蔽板が設けられた領域以外の燃料電池セルユニットから流出するオフガスに次々と火移りさせ、即ち点火させることが可能となり、すべての燃料電池セルユニットに対して迅速に点火することができる。肥大化した燃焼炎は、酸化剤ガス遮蔽板の上方に設けられた点火装置にまで達する。このように、該酸化剤ガス遮蔽板によりその周囲の気流を積極的に変化させることで、点火装置による点火性を向上させることができる。   Further, after ignition, the combustion flame extending from the upper end portion of each fuel cell unit is integrated and enlarged near the ignition portion by the concentrated air flow, and the ignition portion is exposed to a large combustion flame. That is, a combustion flame larger than the combustion flame caused by off-gas from a single fuel cell unit is formed. For this reason, the formed large combustion flame becomes a large heat source, and it is possible to cause the off-gas flowing out from the fuel cell unit other than the region where the oxidant gas shielding plate is provided one after another, that is, to ignite, The fuel cell unit can be ignited quickly. The enlarged combustion flame reaches the ignition device provided above the oxidant gas shielding plate. Thus, the ignitability by the ignition device can be improved by positively changing the airflow around the oxidant gas shielding plate.

また、本発明では、燃焼時は、酸化剤ガス遮蔽板が取り付けられていない領域では、燃料電池セルユニットの上方に十分な量の発電用空気を供給することができる。さらに、酸化剤ガス遮蔽板が取り付けられている領域においても、酸化剤ガス遮蔽板の遮蔽面積が限定的であるので、酸化剤ガス遮蔽板の上方に酸化剤ガスを回り込ませて供給することができる。このため、酸化剤ガス遮蔽板の上方では、気流の乱れがあったとしても、十分な量の酸化剤ガスを供給すること可能であり、燃焼の安定性を維持することができる。   Further, in the present invention, during combustion, a sufficient amount of power generation air can be supplied above the fuel cell unit in a region where the oxidant gas shielding plate is not attached. Furthermore, since the shielding area of the oxidant gas shielding plate is limited even in the region where the oxidant gas shielding plate is attached, the oxidant gas can be supplied around the oxidant gas shielding plate. it can. Therefore, a sufficient amount of oxidant gas can be supplied above the oxidant gas shielding plate even if air current is disturbed, and combustion stability can be maintained.

さらに、本発明では、酸化剤ガス遮蔽板により複数の燃料電池セルユニットを保持することができるので、異なる燃料電池装置間において、点火装置の点火部の近傍における燃料電池セルユニットの位置を均一に揃えることができる。したがって、異なる燃料電池装置間で、点火工程に時間差が生じることを防止することができる。
さらに、本発明では、酸化剤ガス遮蔽板を一部の燃料電池セルユニットの上端にのみ配置しているため、すべての燃料電池セルユニットを覆うように配置した場合と比べて、部材コストを低減することができる。
Further, in the present invention, since the plurality of fuel cell units can be held by the oxidant gas shielding plate, the positions of the fuel cell units in the vicinity of the ignition unit of the ignition device are made uniform between different fuel cell devices. Can be aligned. Therefore, it is possible to prevent a time difference from occurring in the ignition process between different fuel cell devices.
Furthermore, in the present invention, since the oxidant gas shielding plate is arranged only at the upper end of some fuel cell units, the member cost is reduced as compared with the case where it is arranged so as to cover all the fuel cell units. can do.

本発明において、好ましくは、点火装置の点火部は、燃料電池装置の上面視において、燃料電池セルユニットの内部流路からずれた位置に配置されている。
このように構成された本発明によれば、点火装置の点火部が、燃料電池セルユニットの内部流路と重ならない位置に配置されているので、複数の燃料電池セルユニットの内部流路に隣接して点火部が配置される。これにより、隣接する複数の燃料電池セルユニットからのオフガスを点火部に集中させて点火することができ、点火を容易とすることができると共に、形成される燃焼炎を大きくすることができ、迅速な火移りを可能とすることができる。このため、点火工程において着火遅れにより、オフガスが燃焼部内等に滞留することや、滞留したオフガスによる爆発的な燃焼の発生を防止することができる。
In the present invention, preferably, the ignition part of the ignition device is disposed at a position shifted from the internal flow path of the fuel cell unit in a top view of the fuel cell device.
According to the present invention configured as described above, the ignition unit of the ignition device is disposed at a position that does not overlap the internal flow path of the fuel cell unit, so that it is adjacent to the internal flow paths of the plurality of fuel cell units. And an ignition part is arrange | positioned. As a result, off-gas from a plurality of adjacent fuel cell units can be concentrated and ignited in the ignition part, and ignition can be facilitated, and the formed combustion flame can be enlarged and quickly Can be easily transferred. For this reason, it is possible to prevent the off gas from staying in the combustion part or the like due to the ignition delay in the ignition process, and the occurrence of explosive combustion due to the stayed off gas.

本発明において、好ましくは、点火装置の点火部は、燃料電池装置の上面視において、隣接する複数の燃料電池セルユニットの内部流路と近接する位置に配置されている。
このように構成された本発明によれば、点火部によって複数の燃料電池セルユニットからのオフガスに対して同時に点火させることができ、且つ、大きな燃焼炎を形成することができる。これにより、すべての燃料電池セルユニットに対する点火を迅速に完了することができる。このため、点火工程において着火遅れにより、オフガスが燃焼部内等に滞留することや、滞留したオフガスによる爆発的な燃焼の発生を防止することができる。
In the present invention, preferably, the ignition unit of the ignition device is arranged at a position close to the internal flow paths of the plurality of adjacent fuel cell units in a top view of the fuel cell device.
According to the present invention configured as described above, it is possible to simultaneously ignite off-gas from the plurality of fuel battery cell units by the ignition unit, and it is possible to form a large combustion flame. Thereby, ignition with respect to all the fuel cell units can be completed quickly. For this reason, it is possible to prevent the off gas from staying in the combustion part or the like due to the ignition delay in the ignition process, and the occurrence of explosive combustion due to the stayed off gas.

本発明において、好ましくは、複数の燃料電池セルユニットは、それぞれ鉛直方向に延びると共に、燃料電池装置の上面視において縦方向及び横方向に沿って配置されており、酸化剤ガス遮蔽板は、燃料電池装置の上面視において略正方形であり、上面視において縦方向及び横方向に沿って2行2列に並ぶ4本の燃料電池セルユニットの上端部が貫通しており、点火装置は、プローブ状の点火部が、少なくとも酸化剤ガス遮蔽板の略中央まで延びている。
このように構成された本発明によれば、酸化剤ガス遮蔽板の大きさを4本の燃料電池セルユニットに対応させ、酸化剤ガスの遮蔽面積を小さくすることができる。これにより、燃焼時に酸化剤ガス遮蔽板の上方のオフガスへの酸化剤ガス供給を安定化させることができる。また、安定供給される酸化剤ガスの存在下で、4本の燃料電池セルユニットから流出する燃料ガスを集中させることにより点火し易さが向上し、さらに、他の燃料電池セルユニットへの火移り性を向上させることができる。
In the present invention, preferably, each of the plurality of fuel cell units extends in the vertical direction and is disposed along the vertical direction and the horizontal direction in a top view of the fuel cell device. a substantially square in a top view of the battery device, and through the upper end of the four fuel cell units arranged in two rows and two columns along the longitudinal direction and the transverse direction in top view is transmural, igniter, probe-like The ignition portion extends at least to the approximate center of the oxidant gas shielding plate.
According to the present invention thus configured, the size of the oxidant gas shielding plate can be made to correspond to the four fuel cell units, and the shielding area of the oxidant gas can be reduced. Thereby, the oxidant gas supply to the off gas above the oxidant gas shielding plate can be stabilized during combustion. In addition, the ease of ignition is improved by concentrating the fuel gas flowing out from the four fuel cell units in the presence of the oxidant gas that is stably supplied, and further the fire to other fuel cell units is improved. Transferability can be improved.

本発明において、点火装置としてはセラミックヒータを用いるとよい。点火装置としてセラミックヒータを用いることにより、周辺の電子機器等にノイズを発生することなく着火することができる。また、セラミックヒータは、点火部がセラミック製であるので、高温下において酸化することなく耐久性を確保することができる。
また、本発明において、点火装置として点火プラグを用いてもよい。点火装置として点火プラグを用いることにより、僅かな電力で確実に点火を行うことができる。
In the present invention, a ceramic heater may be used as the ignition device. By using a ceramic heater as the ignition device, it is possible to ignite without generating noise in peripheral electronic devices and the like. Moreover, since the ignition part is ceramic, the ceramic heater can ensure durability without being oxidized at a high temperature.
In the present invention, a spark plug may be used as the ignition device. By using a spark plug as the ignition device, ignition can be reliably performed with a small amount of electric power.

本発明の燃料電池装置によれば、燃焼部におけるオフガスへの着火性を向上することができる。   According to the fuel cell device of the present invention, it is possible to improve the ignitability of off-gas in the combustion section.

本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池システムを示す全体構成図である。1 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池モジュールを示す正面断面図である。1 is a front sectional view showing a fuel cell module of a solid oxide fuel cell system according to an embodiment of the present 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固体酸化物形燃料電池システム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 solid oxide fuel cell system by one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池セルスタックを示す斜視図である。1 is a perspective view showing a fuel cell stack of a solid oxide fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池モジュールからハウジング,断熱材等を取外した状態の斜視図である。1 is a perspective view of a solid oxide fuel cell system according to an embodiment of the present invention with a housing, a heat insulating material, and the like removed from a fuel cell module. 図6の上面図である。FIG. 7 is a top view of FIG. 6. 本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池システムを示すブロック図である。1 is a block diagram illustrating a solid oxide fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池システム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 solid oxide fuel cell system by one Embodiment of this invention, and the temperature of each part. 本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池システムの点火装置の点火棒及び遮蔽板の説明図である。It is explanatory drawing of the ignition rod and shielding board of the ignition device of the solid oxide fuel cell system by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池システムの点火工程における動作の説明図である。It is explanatory drawing of the operation | movement in the ignition process of the solid oxide fuel cell system 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形燃料電池システム(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形燃料電池システム(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形燃料電池システム(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 system (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 system (SOFC) according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a solid oxide fuel cell system (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、9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、144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 nine fuel cell stacks 14 (see FIG. 5). The fuel cell stack 14 includes 16 fuel cell unit 16 (see FIG. 4). Yes. Thus, the fuel cell assembly 12 has 144 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形燃料電池システム(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形燃料電池システム(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線に沿った断面図である。
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 the fuel cell module of the solid oxide fuel cell system (SOFC) according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 is a side sectional view showing a fuel cell module of a solid oxide fuel cell system (SOFC) according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. is there.
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及び空気は、改質器20内に充填された改質触媒により改質される。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。   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 and air mixed with the steam (pure water) introduced into the reformer 20 are reformed by the reforming catalyst filled in the reformer 20. As the reforming catalyst, a catalyst obtained by imparting nickel to the alumina sphere surface or a catalyst obtained by imparting ruthenium to the alumina sphere surface is appropriately used.

この改質器20の下流端側には、燃料ガス供給管64が接続され、この燃料ガス供給管64は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体12の下方に形成されたマニホールド66内で水平に延びている。燃料ガス供給管64の水平部64aの下方面には、複数の燃料供給孔64bが形成されており、この燃料供給孔64bから、改質された燃料ガスがマニホールド66内に供給される。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形燃料電池システム(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、内部に燃料ガスが流れる内部流路88を形成する円筒形の内側電極層90と、円筒形の外側電極層92と、内側電極層90と外側電極層92との間にある電解質層94とを備えている。この内側電極層90は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極層92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。
Next, the fuel cell unit 16 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing a fuel cell unit of a solid oxide fuel cell system (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 battery cell 84 is a tubular structure extending in the vertical direction, and includes a cylindrical inner electrode layer 90 that forms an internal flow path 88 through which fuel gas flows, a cylindrical outer electrode layer 92, and an inner electrode layer. 90 and an electrolyte layer 94 between the outer electrode layer 92 and the outer 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の内部流路88と連通する内部流路細管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. In the center portion of the inner electrode terminal 86, an internal channel thin tube 98 communicating with the internal channel 88 of the inner electrode layer 90 is formed.

この内部流路細管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の内部流路細管98を通って内部流路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の内部流路細管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、内部流路88から、上側の内側電極端子86の内部流路細管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の内部流路細管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 internal flow 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. Therefore, a predetermined pressure loss occurs in the flow of the fuel gas flowing from the manifold 66 (FIG. 2) into the internal flow path 88 through the internal flow path narrow tube 98 of the lower inner electrode terminal 86. Accordingly, the internal channel capillary 98 of the lower inner electrode terminal 86 functions as an inflow channel resistance part, and the channel resistance is set to a predetermined value. A predetermined pressure loss also occurs in the flow of the fuel gas flowing out from the internal flow path 88 to the combustion chamber 18 (FIG. 2) through the internal flow path narrow tube 98 of the upper inner electrode terminal 86. Therefore, the internal channel narrow tube 98 of the upper inner electrode terminal 86 acts as an outflow side channel resistance, and the channel 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 includes, for example, zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Y and Sc, ceria doped with at least one selected from rare earth elements, lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr and Mg, Formed from at least one of the following.

外側電極層92は、例えば、Sr、Caから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。   The outer electrode layer 92 includes, for example, lanthanum manganite doped with at least one selected from Sr and Ca, lanthanum ferrite doped with at least one selected from Sr, Co, Ni and Cu, Sr, Fe, Ni and Cu. It is formed from at least one of lanthanum cobaltite doped with at least one selected from the group consisting of silver and silver.

次に図5により燃料電池セルスタック14について説明する。図5は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池システム(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)により支持されている。これらの下支持板68には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴が形成されている。
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 system (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 has a lower end supported by a rectangular lower support plate 68 (FIG. 2) made of ceramic. These lower support plates 68 are formed with through holes through which the inner electrode terminals 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、144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 144 fuel cell units 16 are connected in series. It has come to be.

なお、図5に示された燃料電池セルスタック14は、9組の燃料電池セルスタック14のうち中央に配置されたものである(図2参照)。この中央に位置する燃料電池セルスタック14には、図5において各列の左端から2つ目及び3つ目に配置された4本の燃料電池セルユニット16の上端側に、外形が概ね正方形の遮蔽板100が取り付けられている。この遮蔽板100は、下支持板68と同様なセラミック製(例えば、MgO)の平板である。遮蔽板100に設けられた貫通孔に4本の燃料電池セルユニット16の内部流路細管98が挿入された状態で、遮蔽板100は燃料電池セルユニット16に対して保持されている。   The fuel cell stack 14 shown in FIG. 5 is arranged at the center of the nine fuel cell stacks 14 (see FIG. 2). The fuel cell stack 14 located in the center has a substantially square outer shape on the upper end side of the four fuel cell units 16 arranged in the second and third from the left end of each row in FIG. A shielding plate 100 is attached. The shielding plate 100 is a flat plate made of ceramic (for example, MgO) similar to the lower support plate 68. The shielding plate 100 is held with respect to the fuel cell unit 16 in a state where the internal flow path narrow tubes 98 of the four fuel cell units 16 are inserted into the through holes provided in the shielding plate 100.

次に図6及び図7により本実施形態における点火装置83について説明する。図6はハウジング6,断熱材7等を取外した状態の燃料電池モジュール2の斜視図であり、図7は図6の上面図である。
本実施形態の点火装置83は、電気式のセラミックヒータであり、電源の印加により本体部83aから延びる加熱源である点火棒83bが発熱する。点火装置83は、点火棒83bがケース8及び断熱材7を貫通してハウジング6の側面から燃焼室18(図2参照)内に差し込まれている。
Next, the ignition device 83 in the present embodiment will be described with reference to FIGS. 6 is a perspective view of the fuel cell module 2 with the housing 6, the heat insulating material 7 and the like removed, and FIG. 7 is a top view of FIG.
The ignition device 83 of the present embodiment is an electric ceramic heater, and an ignition rod 83b that is a heating source extending from the main body portion 83a generates heat when a power source is applied. In the ignition device 83, an ignition rod 83b passes through the case 8 and the heat insulating material 7, and is inserted into the combustion chamber 18 (see FIG. 2) from the side surface of the housing 6.

図6及び図7に示すように、点火棒83bは、燃焼室18内において、中央に位置する2列の燃料電池セルユニット16からなる燃料電池セルスタック14の列方向に沿って、2つの列の中央部分を通って水平に延びており、最も温度が高くなる先端部分が遮蔽板100の中央部分上方まで達している。
なお、本実施形態では、点火装置83としてセラミックヒータを用いているが、これに限らず、電気火花を発生する点火プラグを用いてもよい。この場合、点火源となる電気火花を発生する点火部が遮蔽板100の上方に位置するように点火プラグを配置すればよい。
As shown in FIGS. 6 and 7, the ignition rod 83 b has two rows along the row direction of the fuel cell stack 14 composed of the two rows of fuel cell units 16 located in the center in the combustion chamber 18. The tip portion where the temperature is highest reaches the upper portion of the central portion of the shielding plate 100.
In this embodiment, a ceramic heater is used as the ignition device 83. However, the present invention is not limited to this, and an ignition plug that generates an electric spark may be used. In this case, the spark plug may be arranged so that the ignition part that generates an electric spark as an ignition source is positioned above the shielding plate 100.

次に図8により本実施形態による固体酸化物形燃料電池システム(SOFC)に取り付けられたセンサ類等について説明する。図8は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池システム(SOFC)を示すブロック図である。
図8に示すように、固体酸化物形燃料電池システム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, the sensors and the like attached to the solid oxide fuel cell system (SOFC) according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a block diagram illustrating a solid oxide fuel cell system (SOFC) according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 8, the solid oxide fuel cell system 1 includes a control unit 110, and the control unit 110 includes operation buttons such as “ON” and “OFF” for operation by the user. The 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、燃料電池モジュール2の出力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 output current and voltage of the fuel cell module 2.
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、固体酸化物形燃料電池システム(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 system (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、固体酸化物形燃料電池システム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 the power generation operation of the solid oxide fuel cell system 1 will be described.
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9を新たに参照して、固体酸化物形燃料電池システム1の起動工程における制御を説明する。
図9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9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 system 1 will be described with reference to FIG.
FIG. 9 is a time chart illustrating an example of each supply amount of fuel and the temperature of each part in the startup process. In addition, the scale of the vertical axis | shaft of FIG. 9 has shown temperature, and each supply amount of fuel etc. has shown those increase / decrease roughly.

図9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9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9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9.0L/minである。
In the start-up process shown in FIG. 9, 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. 9, 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. 9 is about 100 L / min, and the supply amount of reforming air is about 9.0 L / min.

次いで、図9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, 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9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の上端近傍で点火棒83bを発熱させ、これを熱源として、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. 9, 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 causes the ignition rod 83b to generate heat near the upper end of the fuel cell stack 14, and uses this as a heat source to ignite the fuel flowing out from the upper end of each fuel cell unit 16.

図9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8)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. 9, supply of reforming water is started. Specifically, the control unit 110 sends a signal to the water flow rate adjustment unit 28 (FIG. 8), 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9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. 9, the supplied fuel flows out as off-gas from the upper end of each fuel cell unit 16, 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20c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20c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 20c through the evaporation unit 20a undergo the partial oxidation reforming reaction shown in 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 portion 20c, 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20cに供給されている。即ち、オフガスに着火された後、改質部20c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20c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 evaporation section 20a and supplied to the reforming section 20c. That is, after the off-gas is ignited, the supply of water is started a predetermined time before the temperature of the reforming unit 20c 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 steam for reforming supplied to the reforming unit 20c 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9の時刻t4に到達すると、改質部20c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20c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. 9 is reached, the partial oxidation reforming reaction occurs in the reforming unit 20c, 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 20c 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形燃料電池システム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9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8)により検出されている温度は改質部20c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20c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20c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 system 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. 9, 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. 8) is the average temperature of the reforming unit 20c.
Actually, even at time t4, the reforming unit 20c 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. Thus, in the present embodiment, after the ignition, the supply of water is started before the reforming unit 20c 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9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20c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20c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 proceeds 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. Thereby, it is possible to increase the amount of carbon subjected to steam reforming as the temperature of the reforming unit 20c increases while reliably avoiding the risk of carbon deposition in the reforming unit 20c.

さらに、図9の時刻t6本実施形態において、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, in the present embodiment at time t6 in FIG. 9, when the temperature detected by the power generation chamber temperature sensor 142 reaches about 400 ° C. or more, the process shifts 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9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20c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9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20c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. 9, the process proceeds to the SR1 step. 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. As a result, in the SR1 process, steam reforming occurs exclusively in the reforming unit 20c, and the ratio S / C of steam to carbon is 2 which is appropriate for steam reforming the total amount of supplied fuel. .49. At time t7 in FIG. 9, 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 20c. The reaction can be generated stably.

次に、図9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, at time t8 in FIG. 9, when the temperature detected by the power generation chamber temperature sensor 142 reaches about 600 ° C. or higher, 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8)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20c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. 8), and power generation is started. In the power generation process, the reforming unit 20c 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10乃至図11により本実施形態における点火工程について説明する。図10は燃料電池セル集合体12上に配置された点火装置83の点火棒83b及び遮蔽板100の説明図、図11は点火工程における動作を示す説明図である。   Next, the ignition process in the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is an explanatory diagram of the ignition rod 83b and the shielding plate 100 of the ignition device 83 disposed on the fuel cell assembly 12, and FIG. 11 is an explanatory diagram showing the operation in the ignition process.

図10に示すように、本実施形態では、行列状に配列した複数の燃料電池セルユニット16のうち、略矩形の頂点に位置する隣接する4本の燃料電池セルユニット16a〜16dに、遮蔽板100が取り付けられている。遮蔽板100は、上面視で4本の燃料電池セルユニット16a〜16dを覆っている。なお、燃料電池セルユニット16a〜16dの周囲の12本の燃料電池セルユニット16と遮蔽板100との間には上面視で隙間が形成されることが好ましいが、一部が重なっていてもよい。   As shown in FIG. 10, in the present embodiment, among the plurality of fuel cell units 16 arranged in a matrix, the four adjacent fuel cell units 16 a to 16 d positioned at the substantially rectangular apexes are shielded. 100 is attached. The shielding plate 100 covers the four fuel cell units 16a to 16d in a top view. A gap is preferably formed between the twelve fuel cell units 16 around the fuel cell units 16a to 16d and the shielding plate 100 in a top view, but may partially overlap. .

また、燃料電池セルユニット16a〜16dは、遮蔽板100の周縁部を横切って上方に通過する酸化剤ガスの流れが対称的になるように、燃料電池セル集合体12の最端部に位置しないことが好ましい。したがって、本実施形態では、遮蔽板100が最端部の燃料電池セルユニット16から2つ目及び3つ目の燃料電池セルユニット16a〜16dに取り付けられているが、例えば、3つ目及び4つ目の4つの燃料電池セルユニット16に取り付けられてもよい。さらに、本実施形態では、遮蔽板100が4本の燃料電池セルユニット16に取り付けられているが、これに限らず、取り付けられる燃料電池セルユニット16が複数本であればよい。また、本実施形態では、遮蔽板100が上面視で略矩形の外形を有するが、これに限らず、略円形,楕円形,菱形,台形,平行四辺形等の種々の外形を有していてもよく、外形に合わせて任意の配置の複数本の燃料電池セルユニット16が選択できる。さらに、後述する迅速な着火完了のためには、遮蔽板100を燃料電池セル集合体12の中央に近い位置に配置することが好ましい。   Further, the fuel cell units 16a to 16d are not located at the end of the fuel cell assembly 12 so that the flow of the oxidant gas that passes upward across the peripheral edge of the shielding plate 100 is symmetrical. It is preferable. Therefore, in this embodiment, the shielding plate 100 is attached to the second and third fuel cell units 16a to 16d from the endmost fuel cell unit 16, but for example, the third and fourth It may be attached to the fourth four fuel cell units 16. Further, in the present embodiment, the shielding plate 100 is attached to the four fuel cell units 16, but the present invention is not limited to this, and it is only necessary that a plurality of fuel cell units 16 are attached. Further, in this embodiment, the shielding plate 100 has a substantially rectangular outer shape when viewed from above, but is not limited thereto, and has various outer shapes such as a substantially circular shape, an elliptical shape, a rhombus shape, a trapezoidal shape, and a parallelogram shape. It is also possible to select a plurality of fuel cell units 16 having an arbitrary arrangement according to the outer shape. Furthermore, it is preferable to arrange the shielding plate 100 at a position close to the center of the fuel cell assembly 12 in order to complete quick ignition described later.

また、点火装置83の点火棒83bは、その軸方向の全体が発熱するように構成されているが、特に先端部分83cが最も温度が上昇し易くなっており、点火部として機能する。点火棒83bは、鉛直方向に延びる燃料電池セルユニット16に対して、ハウジング6の側面から略水平方向に延びており、先端部分83cが、遮蔽板100の上方に達している。さらに、点火棒83bの先端が、上面視で遮蔽板100の中央部分に達している。また、点火棒83bが燃料電池セルユニット16の内部流路細管98から噴き出すオフガスの流れを妨げないように、点火棒83bは、内部流路細管98の真上からずれた位置を通って延びている。詳しくは、点火棒83bは、上面視で燃料電池セルスタック14の列方向Yに沿うと共に、行方向Xにおいて隣接する燃料電池セルユニット16a及び16bの中間位置を通っている。したがって、本実施形態では、点火棒83bの先端部分83cが、燃料電池セルユニット16a及び16bの中間位置に位置し、更に燃料電池セルユニット16a〜16bの中間位置まで延びている。   Further, the ignition rod 83b of the ignition device 83 is configured so that the entire axial direction thereof generates heat. In particular, the tip portion 83c has the highest temperature rise and functions as an ignition unit. The ignition rod 83b extends in a substantially horizontal direction from the side surface of the housing 6 with respect to the fuel cell unit 16 extending in the vertical direction, and the tip portion 83c reaches the upper side of the shielding plate 100. Further, the tip of the ignition rod 83b reaches the central portion of the shielding plate 100 in a top view. Further, the ignition rod 83b extends through a position shifted from right above the internal flow passage narrow tube 98 so that the ignition rod 83b does not hinder the flow of off-gas ejected from the internal flow passage thin tube 98 of the fuel cell unit 16. Yes. Specifically, the ignition rod 83b is along the column direction Y of the fuel cell stack 14 in a top view and passes through an intermediate position between the adjacent fuel cell units 16a and 16b in the row direction X. Therefore, in the present embodiment, the tip portion 83c of the ignition rod 83b is located at an intermediate position between the fuel cell units 16a and 16b, and further extends to an intermediate position between the fuel cell units 16a to 16b.

起動工程の時刻t0(図9参照)において発電用空気の供給が開始され、さらに時刻t1において燃料ガスの供給が開始されると、図11(A)に示すように、燃料ガス(破線矢印)は、各燃料電池セルユニット16の内部流路細管98から噴出され、発電用空気(実線矢印)は、燃料電池セルユニット16の間を通過して、発電室10から燃焼室18へ流入する。   When the supply of power generation air is started at time t0 (see FIG. 9) of the start-up process and further the supply of fuel gas is started at time t1, as shown in FIG. 11 (A), the fuel gas (broken arrow) Is ejected from the internal flow passage narrow tube 98 of each fuel cell unit 16, and the power generation air (solid arrow) passes between the fuel cell units 16 and flows into the combustion chamber 18 from the power generation chamber 10.

遮蔽板100が設けられていない領域では、燃料ガス及び発電用空気は、燃焼室18において、略鉛直方向に沿って上方へ移動する。一方、遮蔽板100が設けられている領域の周辺では、燃料ガス及び発電用空気の流れ方向は、遮蔽板100の中心部上方へ向かうように傾く。即ち、燃料電池セルユニット16a〜16dの間を通過してきた発電用空気の流れが遮蔽板100によって遮蔽されるので、遮蔽板100の上方の空間が他の空間と比較して圧力の低い負圧領域100aとなる。このため、遮蔽板100の周縁部を横切る発電用空気は、遮蔽板100の上方へ回り込んで集束してくる。
なお、本実施形態では、遮蔽板100が燃料電池セルユニット16a〜16dの内部流路細管98を挿入するための貫通孔以外に孔が設けられていない構成であるが、これに限らず、発電室10から燃焼室18への酸化剤ガスの流れを制限可能又は一部遮断可能であれば小径の通気孔を更に設けてもよい。
In the region where the shielding plate 100 is not provided, the fuel gas and power generation air move upward in the combustion chamber 18 along a substantially vertical direction. On the other hand, in the vicinity of the area where the shielding plate 100 is provided, the flow direction of the fuel gas and the power generation air is inclined so as to be directed upward of the central portion of the shielding plate 100. That is, since the flow of power generation air that has passed between the fuel cell units 16a to 16d is shielded by the shielding plate 100, the space above the shielding plate 100 has a lower negative pressure than the other spaces. It becomes area | region 100a. For this reason, the power generation air that crosses the peripheral edge of the shielding plate 100 wraps around the shielding plate 100 and converges.
In the present embodiment, the shielding plate 100 has a configuration in which no hole is provided other than the through-hole for inserting the internal flow path narrow tube 98 of the fuel cell units 16a to 16d. If the flow of the oxidant gas from the chamber 10 to the combustion chamber 18 can be restricted or partially blocked, a small-diameter vent hole may be further provided.

また、燃料電池セルユニット16a〜16dの内部流路細管98から流出する燃料ガスは、集束してくる周囲の発電用空気によって遮蔽板100の中央部上方へ向かって移動させられると共に、負圧領域100aに引き寄せられるように移動する。これにより、燃料ガスは、遮蔽板100の上方に位置する点火装置83の点火棒83bに向けて吹き付けられる。   In addition, the fuel gas flowing out from the internal flow path narrow tube 98 of the fuel cell units 16a to 16d is moved upward in the central portion of the shielding plate 100 by the surrounding power generation air that is converged, and also in the negative pressure region. Move so as to be drawn to 100a. Thus, the fuel gas is sprayed toward the ignition rod 83b of the ignition device 83 located above the shielding plate 100.

したがって、オフガス点火前において、点火棒83bの周囲には、燃料電池セルユニット16a〜16dの内部流路細管98から流出した燃料ガスが集中し、点火棒83bの周辺(特に、遮蔽板100と点火棒83bの間の空間)に、他の燃料電池セルユニット16の上方の領域よりも燃料ガスが濃い領域(燃料リッチな領域)が形成される。また、発電用空気も燃料ガスが濃い領域を取り囲み、点火棒83bに向けて集中するように誘導される。このように、点火棒83b付近に燃料ガスが濃い領域が形成されると共に、十分な発電用空気が供給されることによって点火性が良好となる。   Therefore, before the off-gas ignition, the fuel gas flowing out from the internal flow passage narrow tube 98 of the fuel cell units 16a to 16d is concentrated around the ignition rod 83b, and the periphery of the ignition rod 83b (particularly, the shielding plate 100 and the ignition plate 100). In the space between the bars 83b, a region (fuel rich region) where the fuel gas is richer than the region above the other fuel cell unit 16 is formed. Further, the power generation air is also guided so as to surround the region where the fuel gas is rich and concentrate toward the ignition rod 83b. As described above, a region where the fuel gas is rich is formed in the vicinity of the ignition rod 83b, and the ignitability is improved by supplying sufficient power generation air.

この状態で点火工程において、点火装置83が作動して点火棒83bが高温状態になることにより、点火棒83bが熱源となって、点火棒83bの周囲の燃料ガスと発電用空気の燃料リッチな混合気体の燃焼を容易に開始させることができる。
なお、より詳細には、本実施形態では、より確実に点火させるために、先ず、主に燃料電池セルユニット16a及び16bからのオフガスに点火し、そして、略同時に連鎖的に燃料電池セルユニット16c及び16dからのオフガスにも点火させている。このため、点火棒83bの最も温度が高くなり易い先端部分83cが、上面視で隣接する燃料電池セルユニット16a及び16bの間に主に位置するように配置されている。
In this state, in the ignition process, when the ignition device 83 is activated and the ignition rod 83b is in a high temperature state, the ignition rod 83b becomes a heat source, and the fuel gas around the ignition rod 83b and the fuel-rich air for power generation are rich. Combustion of the mixed gas can be easily started.
In more detail, in this embodiment, in order to ignite more reliably, first, the off-gas from the fuel cell units 16a and 16b is first ignited, and then the fuel cell units 16c are chained substantially simultaneously. And off-gas from 16d is also ignited. For this reason, the tip portion 83c of the ignition rod 83b where the temperature is most likely to rise is arranged so as to be mainly located between the adjacent fuel cell units 16a and 16b in a top view.

図11(B)に示すように、点火後も発電用空気の気流により、各内部流路細管98の端部から延びる燃焼炎Fが点火棒83bに向けて方向付けられ、点火棒83bに接触する。このように、点火棒83bは、点火を容易とするために点火前は燃料ガスを集中させる部位(点火後は燃焼炎Fに晒される部位)に配置されている。
そして、複数の燃焼炎Fの先端部分が重なることにより、単独の内部流路細管98からのオフガスによる燃焼炎よりも大きな燃焼炎Fが形成される。これにより、燃焼炎Fは安定的に維持され、この燃焼炎Fにより着火性が良好となる。
As shown in FIG. 11 (B), even after ignition, the combustion flame F extending from the end of each internal flow passage narrow tube 98 is directed toward the ignition rod 83b by the airflow of the power generation air and contacts the ignition rod 83b. To do. As described above, the ignition rod 83b is disposed at a portion where fuel gas is concentrated before ignition (a portion exposed to the combustion flame F after ignition) in order to facilitate ignition.
And when the front-end | tip part of the some combustion flame F overlaps, the combustion flame F larger than the combustion flame by the off gas from the single internal flow path thin tube 98 is formed. Thereby, the combustion flame F is stably maintained, and the ignitability is improved by the combustion flame F.

即ち、遮蔽板100の上部での大きな燃焼炎Fが形成されると、この燃焼炎Fが実質的に大きく且つ安定した熱源となり、隣接する燃料電池セルユニット16の内部流路細管98から噴出されるオフガスを次々に点火、即ち火移りさせていく。このとき、各燃料電池セルユニット16の周囲を通過する酸化剤ガスの流れがあっても、この酸化剤ガスの流れにより邪魔されることなく、安定した大きな熱源により、迅速にすべての燃料電池セルユニット16からのオフガスに火移りさせることが可能となる。したがって、点火工程を短時間で終了させることが可能であり、燃料電池セルユニット16からのオフガスが燃焼室18内や発電室10内等に大量に滞留することを防止することができる。   That is, when a large combustion flame F is formed at the upper part of the shielding plate 100, the combustion flame F becomes a substantially large and stable heat source, and is ejected from the internal flow path narrow tube 98 of the adjacent fuel cell unit 16. The off-gas is continuously ignited, that is, the fire is transferred. At this time, even if there is a flow of oxidant gas passing around each fuel cell unit 16, all fuel cell cells can be quickly moved by a large heat source without being disturbed by the flow of oxidant gas. It becomes possible to burn off gas from the unit 16. Therefore, the ignition process can be completed in a short time, and a large amount of off-gas from the fuel cell unit 16 can be prevented from staying in the combustion chamber 18 or the power generation chamber 10.

このように、本実施形態では、遮蔽板100を燃料電池セル集合体12の上部に配置すると共に、点火棒83bの直下近傍のみに遮蔽板100を配置している。これにより、遮蔽板100により発電用空気の供給が一部遮断又は制限されるが、遮蔽板100が必要最小限の部分に局所的に配置されているだけなので、むしろ周囲から遮蔽板100の上方へ発電用空気を回り込ませ、点火棒83bの周囲に集中させることができる。これにより、オフガスも点火棒83bの周囲に集中させることができる。したがって、点火棒83bを熱源として点火が容易となり、点火後には回り込んでくる発電用空気によって燃焼炎も遮蔽板100の上方へ方向付けられ、点火棒83bが燃焼炎に晒され、複数の燃料電池セルユニット16a〜16dからの燃焼炎を一体化させて肥大化することができる。このように、大きな熱源を形成することができるため、遮蔽板100が取り付けられていない燃料電池セルユニット16からのオフガスへの火移りが容易になり、すべての燃料電池セルユニット16からのオフガスへの点火を迅速に行うことができる。   Thus, in the present embodiment, the shielding plate 100 is disposed on the upper part of the fuel cell assembly 12, and the shielding plate 100 is disposed only in the vicinity immediately below the ignition rod 83b. As a result, the supply of power generation air is partially blocked or restricted by the shielding plate 100. However, since the shielding plate 100 is only locally disposed in the minimum necessary portion, it is rather above the shielding plate 100 from the surroundings. The power generation air can be circulated to concentrate around the ignition rod 83b. Thereby, off-gas can also be concentrated around the ignition rod 83b. Therefore, ignition is facilitated using the ignition rod 83b as a heat source, and after the ignition, the combustion flame is also directed upward of the shielding plate 100 by the power generation air that circulates, and the ignition rod 83b is exposed to the combustion flame, and a plurality of fuels The combustion flames from the battery cell units 16a to 16d can be integrated and enlarged. In this way, since a large heat source can be formed, it is easy to transfer the off gas from the fuel cell unit 16 to which the shielding plate 100 is not attached to the off gas from all the fuel cell units 16. Can be quickly ignited.

また、燃焼時は、遮蔽板100が取り付けられていない領域では、燃料電池セルユニット16の上方に十分な量の発電用空気を供給することができる。さらに、遮蔽板100が取り付けられている領域においても、遮蔽板100の遮蔽面積が限定的であるので、遮蔽板100の上方に発電用空気を回り込ませて供給することができる。このため、遮蔽板100の上方では、気流の乱れがあったとしても、十分な量の発電用空気を供給すること可能であり、燃焼の安定性を維持することができる。   Further, during combustion, a sufficient amount of power generation air can be supplied above the fuel cell unit 16 in an area where the shielding plate 100 is not attached. Furthermore, since the shielding area of the shielding plate 100 is also limited in the region where the shielding plate 100 is attached, the power generation air can be supplied around the shielding plate 100 and supplied. Therefore, a sufficient amount of power generation air can be supplied above the shielding plate 100 even if there is a turbulence in the airflow, and combustion stability can be maintained.

さらに、本実施形態では、遮蔽板100により複数の燃料電池セルユニット16を保持することができる。これにより、異なる燃料電池装置間において、点火棒83bの近傍における燃料電池セルユニット16の位置を均一に揃えることができる。したがって、異なる燃料電池装置間で、点火工程に時間差が生じることを防止することができる。
さらに、本実施形態では、遮蔽板100を一部の燃料電池セルユニット16の上端にのみ配置しているため、すべての燃料電池セルユニット16を覆うように配置した場合と比べて、部材コストを低減することができる。
Further, in the present embodiment, the plurality of fuel cell units 16 can be held by the shielding plate 100. Thereby, the position of the fuel cell unit 16 in the vicinity of the ignition rod 83b can be made uniform between different fuel cell devices. Therefore, it is possible to prevent a time difference from occurring in the ignition process between different fuel cell devices.
Furthermore, in this embodiment, since the shielding plate 100 is disposed only at the upper ends of some of the fuel cell units 16, the member cost can be reduced compared to the case where the shield plate 100 is disposed so as to cover all the fuel cell units 16. Can be reduced.

1 固体酸化物形燃料電池システム
2 燃料電池モジュール
6 ハウジング
7 断熱材
8 ケース
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
16,16a−16d 燃料電池セルユニット
18 燃焼室
20 改質器
83 点火装置
83a 本体部
83b 点火棒
83c 先端部分
88 内部流路
90 内側電極層
92 外側電極層
94 電解質層
98 内部流路細管
100 遮蔽板(酸化剤ガス遮蔽板)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid oxide fuel cell system 2 Fuel cell module 6 Housing 7 Heat insulating material 8 Case 10 Power generation chamber 12 Fuel cell assembly 14 Fuel cell stack 16, 16a-16d Fuel cell unit 18 Combustion chamber 20 Reformer 83 Ignition device 83a Main body 83b Ignition rod 83c Tip portion 88 Internal flow path 90 Inner electrode layer 92 Outer electrode layer 94 Electrolyte layer 98 Internal flow path capillary 100 Shield plate (oxidant gas shield plate)

Claims (6)

内部流路を通過する燃料ガスと外部の酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池セルユニットを備えた燃料電池装置において、
ハウジング内に配置された複数の前記燃料電池セルユニットの配列からなる燃料電池セル集合体と、
前記燃料電池セルユニットの外部に前記ハウジングの下方から酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池セル集合体の上方に位置し、前記燃料電池セルユニットの内部流路を通過して前記燃料電池セルユニットの上端部から流出する燃料ガスと前記酸化剤ガス供給手段により供給された酸化剤ガスとを燃焼させる燃焼部と、
前記燃焼部において燃料ガスと酸化剤ガスの混合ガスに点火するための点火部を有する点火装置と、を備え、
前記点火装置の点火部の直下近傍のみに、前記酸化剤ガス供給手段から前記燃焼部へ供給される酸化剤ガスの流れを遮断する酸化剤ガス遮蔽板が配置され、
前記酸化剤ガス遮蔽板は、複数の前記燃料電池セルユニットの上端部が前記酸化剤ガス遮蔽板を貫通した状態で、前記燃料電池セル集合体に対して保持されていることを特徴とする燃料電池装置。
In a fuel cell device including a fuel cell unit that generates power by a reaction between a fuel gas passing through an internal flow path and an external oxidant gas,
A fuel cell assembly comprising an array of a plurality of the fuel cell units disposed in a housing;
An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the outside of the fuel cell unit from below the housing;
The fuel gas that is located above the fuel cell assembly, passes through the internal flow path of the fuel cell unit, and flows out from the upper end of the fuel cell unit, and the oxidation gas supplied by the oxidant gas supply means A combustion section for burning the agent gas;
An ignition device having an ignition unit for igniting a mixed gas of fuel gas and oxidant gas in the combustion unit,
An oxidant gas shielding plate for blocking the flow of the oxidant gas supplied from the oxidant gas supply means to the combustion part is disposed only near the ignition part of the ignition device.
The fuel characterized in that the oxidant gas shielding plate is held with respect to the fuel cell assembly in a state where upper ends of the plurality of fuel cell units penetrate the oxidant gas shielding plate. Battery device.
前記点火装置の点火部は、前記燃料電池装置の上面視において、前記燃料電池セルユニットの内部流路からずれた位置に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池装置。   2. The fuel cell device according to claim 1, wherein the ignition unit of the ignition device is disposed at a position shifted from an internal flow path of the fuel cell unit in a top view of the fuel cell device. 前記点火装置の点火部は、前記燃料電池装置の上面視において、隣接する複数の前記燃料電池セルユニットの内部流路と近接する位置に配置されていることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池装置。   3. The ignition unit of the ignition device according to claim 2, wherein the ignition unit of the ignition device is disposed at a position close to an internal flow path of the plurality of adjacent fuel cell units in a top view of the fuel cell device. Fuel cell device. 複数の前記燃料電池セルユニットは、それぞれ鉛直方向に延びると共に、前記燃料電池装置の上面視において縦方向及び横方向に沿って配置されており、
前記酸化剤ガス遮蔽板は、前記燃料電池装置の上面視において略正方形であり、上面視において前記縦方向及び前記横方向に沿って2行2列に並ぶ4本の前記燃料電池セルユニットの上端部が貫通しており、
前記点火装置は、プローブ状の前記点火部が、少なくとも前記酸化剤ガス遮蔽板の略中央まで延びていることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池装置。
The plurality of fuel cell units each extend in the vertical direction, and are arranged along the vertical direction and the horizontal direction in a top view of the fuel cell device,
The oxidant gas shielding plate is substantially square in a top view of the fuel cell device, and the top ends of four fuel cell units arranged in 2 rows and 2 columns along the vertical direction and the horizontal direction in the top view. Department has through transmural,
4. The fuel cell device according to claim 3, wherein the ignition device has a probe-like ignition part extending at least to substantially the center of the oxidant gas shielding plate.
前記点火装置は、セラミックヒータであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の燃料電池装置。   The fuel cell device according to claim 1, wherein the ignition device is a ceramic heater. 前記点火装置は、点火プラグであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の燃料電池装置。   The fuel cell device according to claim 1, wherein the ignition device is a spark plug.
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