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JP4868268B1 - Solid oxide fuel cell - Google Patents

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JP4868268B1 JP2011079286A JP2011079286A JP4868268B1 JP 4868268 B1 JP4868268 B1 JP 4868268B1 JP 2011079286 A JP2011079286 A JP 2011079286A JP 2011079286 A JP2011079286 A JP 2011079286A JP 4868268 B1 JP4868268 B1 JP 4868268B1
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Abstract

【課題】エネルギー効率の低下を抑制しながら、再起動の場合等における過昇温を防止する固体酸化物型燃料電池を提供する。
【解決手段】本発明は、固体酸化物型燃料電池(1)であって、燃料電池モジュールと、蓄熱材(7)と、改質器(20)と、燃料供給手段(38)と、改質用酸化剤ガス供給手段と、水蒸気供給手段と、発電用酸化剤ガス供給手段と、温度検出手段と、改質器内でPOX、ATR、SR1、SR2の順序で改質反応を生じさせる起動工程を実行する一方で、起動工程終了後、発電工程を開始する制御手段(110)と、を有し、起動工程中のSR2において、燃料供給量を一定に維持し、所定の発電移行時間以上SR2を実行し、蓄熱材に利用可能な熱量が蓄積されていることが推定され、過昇温である場合には、過昇温でない場合よりも燃料供給量を減少させ、燃料利用率を高めた高効率運転で発電工程を開始することを特徴としている。
【選択図】図10
Provided is a solid oxide fuel cell that prevents excessive temperature rise in the case of restart or the like while suppressing a decrease in energy efficiency.
The present invention relates to a solid oxide fuel cell (1), comprising a fuel cell module, a heat storage material (7), a reformer (20), a fuel supply means (38), and a modification. Quality oxidant gas supply means, steam supply means, power generation oxidant gas supply means, temperature detection means, and start-up that causes a reforming reaction in the order of POX, ATR, SR1, SR2 in the reformer And a control means (110) for starting the power generation process after the start-up process is completed while maintaining the fuel supply amount constant in the SR2 during the start-up process for a predetermined power generation transition time or longer SR2 is executed, and it is estimated that the amount of heat that can be used in the heat storage material is accumulated. When the temperature is excessively high, the fuel supply amount is decreased and the fuel utilization rate is increased as compared with the case where the temperature is not excessively high. It is characterized by starting the power generation process with high efficiency operation.
[Selection] Figure 10

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池に係わり、特に、燃料と発電用の酸化剤ガスを反応させることにより電力を生成する固体酸化物型燃料電池に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell, and more particularly to a solid oxide fuel cell that generates electric power by reacting a fuel and an oxidant gas for power generation.

従来、固体酸化物型燃料電池装置(SOFC)は、起動工程において、燃料を改質器において改質する複数の工程、すなわち、部分酸化改質反応工程(POX工程)、オートサーマル改質反応工程(ATR工程)、水蒸気改質反応工程(SR工程)を経て、発電工程へ移行するように構成されている(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, a solid oxide fuel cell device (SOFC) has a plurality of processes for reforming fuel in a reformer in a startup process, that is, a partial oxidation reforming reaction process (POX process), an autothermal reforming reaction process. (ATR process) and a steam reforming reaction process (SR process) are configured to shift to a power generation process (see, for example, Patent Document 1).

SOFCでは、これらの工程を順に実行することにより、燃料電池モジュール収納室内に配置された改質器や燃料電池セルスタック等を動作温度まで昇温させることができる。
また、SOFCは、動作温度が600〜800℃と高温であり、燃料電池モジュール収納室周囲に断熱材が配置されている。したがって、この断熱材は、動作中に燃料電池モジュールからの熱の散逸を抑制し、燃料電池のエネルギー効率を向上させることができる。
In SOFC, the reformer, the fuel cell stack, and the like disposed in the fuel cell module storage chamber can be heated to the operating temperature by sequentially executing these steps.
The SOFC has an operating temperature as high as 600 to 800 ° C., and a heat insulating material is disposed around the fuel cell module storage chamber. Therefore, this heat insulating material can suppress the dissipation of heat from the fuel cell module during operation, and can improve the energy efficiency of the fuel cell.

一方、特開2010−205670号公報(特許文献2)には、燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法が記載されている。この燃料電池システムにおいては、燃料電池の電気負荷の積分値を取得し、取得した積分値に基づいて燃料利用率を制御している。燃料利用率の制御は、燃料電池の電気負荷の積分値に基づいて燃料電池の温度を推定し、推定結果に基づいて燃料利用率を制御している。このため、温度センサを用いることなく、燃料電池の熱自立運転を可能にしている。また、制御手段は、電気負荷の積分値が所定値以上である場合に、燃料利用率を、燃料電池の熱自立運転可能な基準値以上の値に補正する。この場合、燃料電池の温度が上昇していることから、燃料電池は余熱を有し、燃料利用率を、熱自立運転可能な基準値以上の値に補正しても熱自立運転が維持される。これにより、燃料電池システムのシステム効率を向上させている。   On the other hand, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2010-205670 (Patent Document 2) describes a fuel cell system and a fuel cell operation method. In this fuel cell system, an integrated value of the electric load of the fuel cell is acquired, and the fuel utilization rate is controlled based on the acquired integrated value. In the control of the fuel utilization rate, the temperature of the fuel cell is estimated based on the integral value of the electric load of the fuel cell, and the fuel utilization rate is controlled based on the estimation result. For this reason, the thermal independent operation of the fuel cell is enabled without using a temperature sensor. In addition, when the integrated value of the electric load is equal to or greater than a predetermined value, the control unit corrects the fuel utilization rate to a value equal to or greater than a reference value that allows the fuel cell to perform thermal self-sustained operation. In this case, since the temperature of the fuel cell has risen, the fuel cell has residual heat, and the thermal self-sustained operation is maintained even if the fuel utilization rate is corrected to a value equal to or higher than the reference value that allows the heat self-sustaining operation . This improves the system efficiency of the fuel cell system.

特開2004−319420号公報JP 2004-319420 A 特開2010−205670号公報JP 2010-205670 A

しかしながら、高温で動作していた固体酸化物型燃料電池装置を一旦停止させた後、再起動させる場合、断熱材には多量の熱量が蓄えられているため、通常の起動工程で起動させると、改質器や燃料電池セルスタックの温度が上昇し過ぎてしまうという問題があった。   However, when the solid oxide fuel cell device that has been operating at a high temperature is once stopped and then restarted, since a large amount of heat is stored in the heat insulating material, There was a problem that the temperature of the reformer and the fuel cell stack would rise too much.

例えば、通常の起動動作中において、改質器内での改質反応工程のうち、発熱反応であるPOX工程で発生した熱は、改質器自体を昇温させるが、改質器外の構成部材である断熱材等をも昇温させる。   For example, during normal startup operation, heat generated in the POX process, which is an exothermic reaction among the reforming reaction processes in the reformer, raises the temperature of the reformer itself, but the configuration outside the reformer The temperature of the heat insulating material as a member is also raised.

これに対して、再起動動作中には、改質器外の構成部材が既にある程度の温度まで昇温されており、また、断熱材が多量の熱量を保持しているため、POX工程で発生した熱が改質器外の構成部材に奪われにくい。従って、改質器は効率良く昇温され、その結果、再起動動作中には、改質器が通常の起動動作中よりも大きな昇温速度で昇温し、所定の動作温度を超えた状態となる過昇温が引き起こされるおそれがあった。そして、この過昇温により改質器が劣化したり破損したりするおそれがあった。   On the other hand, during the restarting operation, the components outside the reformer are already heated to a certain temperature, and the heat insulating material holds a large amount of heat. Heat is not easily taken away by components outside the reformer. Therefore, the reformer is efficiently heated, and as a result, during the restarting operation, the reformer is heated at a higher temperature rising rate than during the normal starting operation, and exceeds the predetermined operating temperature. There was a risk of overheating. And there existed a possibility that a reformer might deteriorate or be damaged by this excessive temperature rise.

このような過昇温による不具合を防止するため、従来の固体酸化物型燃料電池装置においては、改質器等の温度が高すぎる場合には、発電用空気の流量を増加させ、発電用空気により改質器等の熱を奪うことにより、温度が上昇しすぎるのを防止していた。   In order to prevent such a problem due to excessive temperature rise, in the conventional solid oxide fuel cell device, when the temperature of the reformer or the like is too high, the flow rate of the power generation air is increased and the power generation air is increased. By taking the heat of the reformer and the like, the temperature is prevented from rising excessively.

しかしながら、発電用空気流量の増加により改質器等の温度を下げることは、固体酸化物型燃料電池装置からの排熱を増加させることになるので、燃料電池装置の総合的なエネルギー効率が低下することになる。   However, lowering the temperature of the reformer or the like by increasing the flow rate of power generation air increases the exhaust heat from the solid oxide fuel cell device, thus reducing the overall energy efficiency of the fuel cell device. Will do.

一方、特開2010−205670号公報には、燃料電池システムに蓄積された余熱を利用して燃料利用率を高くする技術が記載されている。燃料電池システムでは発電量の多い高負荷帯域では高温になり、発電量が小さくなると若干温度を下げて運転させることが可能である。このため、高負荷から低負荷になった後、しばらくの間は高負荷領域における温度となっており、モジュール内は蓄積された余熱により低負荷領域における運転温度よりも高い温度に維持される。この発明では、この余熱を利用して燃料利用率を高くし、熱自立するために必要な熱量を余熱を消費することにより補っている。言い換えると熱自立が可能な燃料供給量よりも少ない燃料まで燃料利用率を高めた運転を可能とした優れた技術である。この技術を利用して、起動工程において過剰に上昇した温度を低下させることが考えられる。   On the other hand, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-205670 describes a technique for increasing the fuel utilization rate by using the residual heat accumulated in the fuel cell system. A fuel cell system can be operated at a high temperature in a high load zone where a large amount of power is generated. For this reason, after the load changes from a high load to a low load, the temperature in the high load region is maintained for a while, and the inside of the module is maintained at a temperature higher than the operation temperature in the low load region due to the accumulated heat. In the present invention, the remaining heat is used to increase the fuel utilization rate, and the amount of heat necessary for heat self-supporting is supplemented by consuming the remaining heat. In other words, it is an excellent technology that enables operation with an increased fuel utilization rate up to fuel that is less than the amount of fuel that can be thermally independent. It is conceivable to use this technique to lower the excessively raised temperature in the startup process.

しかしながら、特開2010−205670号公報記載の発明においては、蓄積されている余熱の推定を、温度センサを用いずに、電気負荷の積分値から求めているため、余熱を推定することができない。具体的には、特開2010−205670号公報記載の発明では、燃料電池セルで発電する際に発生する発電熱(ジュール熱)を発電量に基づいて推定し、これにより余熱を推定している。これに対し、燃料電池装置の起動工程中に発生する熱は、発電に使用されずに残った残余燃料が燃焼されることにより発生する燃焼熱であるため、特開2010−205670号公報に開示されている技術を使用して、起動工程中に蓄積された熱量を推定することはできない。   However, in the invention described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-205670, since the accumulated residual heat is estimated from the integrated value of the electric load without using the temperature sensor, the residual heat cannot be estimated. Specifically, in the invention described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-205670, the generated heat (Joule heat) generated when generating power in the fuel cell is estimated based on the amount of power generation, and thereby the residual heat is estimated. . On the other hand, the heat generated during the start-up process of the fuel cell device is combustion heat generated by burning the remaining fuel that is not used for power generation, and is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-205670. It is not possible to estimate the amount of heat stored during the start-up process using the technology that is being used.

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、総合的なエネルギー効率の低下を抑制しながら、再起動の場合等における過昇温を防止することができる固体酸化物型燃料電池を提供することを目的としている。   The present invention has been made to solve such a problem, and is capable of preventing an excessive temperature rise in the case of restarting or the like while suppressing a decrease in overall energy efficiency. The object is to provide a fuel cell.

上述した課題を解決するために、本発明は、燃料と発電用の酸化剤ガスを反応させることにより電力を生成する固体酸化物型燃料電池であって、複数の固体電解質型燃料電池セルを内部に格納した燃料電池モジュールと、燃料電池モジュール内に配置され、燃料電池モジュールで発生した熱を蓄積する蓄熱材と、燃料と酸化剤ガスを化学反応させることにより燃料を部分酸化改質する改質反応であるPOX、及び、部分酸化改質及び燃料と水蒸気を化学反応させる水蒸気改質を同時に発生させることにより燃料をオートサーマル改質する改質反応であるATR、及び、水蒸気改質のみを発生させる改質反応であるSR1、及び、SR1よりも少量の燃料を水蒸気改質する改質反応であるSR2を発生させることによって水素を生成する、燃料電池モジュール内に配置された改質器と、この改質器に燃料を供給することにより、改質器で改質された燃料を固体電解質型燃料電池セルに送り込む燃料供給手段と、改質器に改質用の酸化剤ガスを供給する改質用酸化剤ガス供給手段と、改質器に改質用の水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、固体電解質型燃料電池セルに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、燃料電池モジュール複数箇所の温度を検出し、内少なくとも一つが改質器の温度反映する温度検出手段と、燃料供給手段、改質用酸化剤ガス供給手段、水蒸気供給手段、及び発電用酸化剤ガス供給手段を制御して、予め決定された温度帯域において、改質器内で上記POX、ATR、SR1、SR2の順序で改質反応を生じさせて燃料電池モジュールから電力を取出可能な発電開始温度まで固体電解質型燃料電池セルを昇温させる起動工程を実行する一方で、起動工程を終了した後、燃料電池モジュールから電力を取出す発電工程を開始するように構成された制御手段と、を有し制御手段は、温度検出手段によって検出された複数箇所の温度の何れもが、各改質反応毎に設定された所定の移行条件の温度以上になったとき、次の改質反応を生じさせるように構成されさらに、起動工程中において、複数箇所の温度のうち、一部の温度が移行条件の温度に到達せず、改質器の温度を反映した温度値が移行条件の温度よりも高く設定された強制移行温度に達したとき、過剰な昇温があると判定する過昇温判断手段と、温度検出手段により検出された検出温度と所定の基準温度との偏差に基づいて決定された加減算値を経時的に積算することにより、蓄熱材に蓄積されている蓄熱量を反映した積算値を計算し、この積算値に基づいて蓄熱材に蓄積されている余剰な蓄熱量を推定すると共に、加減算値の積算をSR2から開始する蓄熱量推定手段と、を有し、制御手段は、起動工程中のSR2において、燃料供給量を一定に維持すると共に、固体電解質型燃料電池セルが発電開始温度に到達している場合でも所定の発電移行時間以上SR2実行されるまでは発電工程を開始しないように構成され、さらに、制御手段は、蓄熱量推定手段により蓄熱材に利用可能な余剰な熱量が蓄積されていることが推定されると共に、過昇温判断手段が過昇温であると判断した場合には、所定の発電移行時間以上SR2を実行後に過昇温でない場合よりも燃料供給量を減少させ、燃料利用率を高めた高効率運転で発電工程を開始することを特徴としている。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a solid oxide fuel cell that generates electric power by reacting a fuel and an oxidant gas for power generation, and includes a plurality of solid oxide fuel cells inside. A fuel cell module stored in the fuel cell module, a heat storage material that is disposed in the fuel cell module and accumulates heat generated in the fuel cell module , and a modification that partially reforms the fuel by chemically reacting the fuel and oxidant gas. POX, which is a quality reaction, and ATR, which is a reforming reaction that autothermally reforms fuel by simultaneously generating partial oxidation reforming and steam reforming that chemically reacts fuel and steam, and steam reforming only reforming reaction in which SR1 to generate, and to produce hydrogen by generating reforming reaction a is SR2 where a small amount of fuel steam reforming than SR1, fuel And placed reformer in the battery module, by supplying fuel to the reformer, a fuel supply means for feeding fuel reformed in the reformer to the solid oxide fuel cell, a reformer A reforming oxidant gas supply means for supplying reforming oxidant gas to the reactor, a steam supply means for supplying reforming steam to the reformer, and an oxidant for power generation in the solid oxide fuel cell Power generation oxidant gas supply means for supplying gas, temperature detection means for detecting temperatures at a plurality of locations in the fuel cell module , at least one of which reflects the temperature of the reformer, fuel supply means, for reforming The reforming reaction is performed in the order of POX, ATR, SR1, and SR2 in the reformer in the temperature range determined in advance by controlling the oxidant gas supply unit, the water vapor supply unit, and the power generation oxidant gas supply unit. The fuel cell module The startup process is performed to raise the temperature of the solid oxide fuel cell up to the power generation start temperature at which power can be extracted from the fuel cell, while the power generation process for extracting power from the fuel cell module is started after the startup process is completed. And when the temperature of the plurality of locations detected by the temperature detection means is equal to or higher than the temperature of a predetermined transition condition set for each reforming reaction. , is configured to effect the following reforming reaction, further, to have contact during startup process, among the temperature of the plurality of positions, some of the temperature does not reach the temperature of the transition condition, the temperature of the reformer When the reflected temperature value reaches the forced transition temperature set higher than the temperature of the transition condition, the excessive temperature rise determination means for determining that there is an excessive temperature rise, the detected temperature detected by the temperature detection means, and a predetermined temperature Based on deviation from reference temperature The cumulative value that reflects the amount of heat stored in the heat storage material is calculated by integrating the addition and subtraction values determined over time, and the excess heat storage amount accumulated in the heat storage material based on this integrated value And a heat storage amount estimating means for starting addition of the addition / subtraction value from SR2 , and the control means maintains the fuel supply amount constant in SR2 during the start-up process, and at the same time, the solid oxide fuel cell Even if the cell has reached the power generation start temperature, it is configured not to start the power generation process until SR2 is executed for a predetermined power generation transition time or more, and the control means is used as a heat storage material by the heat storage amount estimation means. When it is estimated that an excessive amount of heat is accumulated, and when the excessive temperature rise determination means determines that the excessive temperature rise, the case where the excessive temperature rise does not occur after executing SR2 for a predetermined power generation transition time or longer Yo Also reduces the fuel supply quantity, it is characterized by starting the power generation process with high efficiency operation with increased fuel utilization.

このように構成された本発明においては、制御手段が、燃料供給手段、改質用酸化剤ガス供給手段、水蒸気供給手段を夫々制御して、燃料、改質用酸化剤ガス、水蒸気を改質器に供給し、起動工程中に改質器内において、POX、ATR、SR1、SR2の各改質反応を順次発生させ水素を生成させる。起動工程により、燃料電池モジュールに備えられた固体電解質型燃料電池セルの温度が発電開始温度まで上昇した後、燃料電池モジュールから電力を取出す発電工程が開始される。制御手段は、起動工程中のSR2において、燃料供給量を一定に維持すると共に、固体電解質型燃料電池セルが発電開始温度に到達している場合でも所定の発電移行時間以上SR2を実行する。燃料電池モジュールで発生した熱は、蓄熱材に蓄積される。蓄熱量推定手段は、温度検出手段により検出された検出温度に基づく加減算値の積算を、SR2から開始し、積算された積算値に基づいて蓄熱材に蓄積されている蓄熱量を推定する。過昇温判断手段は、起動工程中における改質器及び固体電解質型燃料電池セルの過剰な昇温を判定する。制御手段は、蓄熱材に利用可能な熱量が蓄積されていることが推定されると共に、過昇温であると判断された場合には、過昇温でない場合よりも燃料供給量を減少させ、燃料利用率を高めた高効率運転で発電工程を開始する。   In the present invention configured as above, the control means controls the fuel supply means, the reforming oxidant gas supply means, and the steam supply means, respectively, to reform the fuel, the reforming oxidant gas, and the steam. In the reformer during the start-up process, each reforming reaction of POX, ATR, SR1, and SR2 is sequentially generated to generate hydrogen. After the start-up process, the temperature of the solid oxide fuel cell provided in the fuel cell module rises to the power generation start temperature, and then a power generation process for extracting power from the fuel cell module is started. The control means maintains the fuel supply amount constant in SR2 during the starting process, and executes SR2 for a predetermined power generation transition time or more even when the solid oxide fuel cell reaches the power generation start temperature. The heat generated in the fuel cell module is accumulated in the heat storage material. The heat storage amount estimation means starts the addition of the addition / subtraction value based on the detected temperature detected by the temperature detection means from SR2, and estimates the heat storage amount accumulated in the heat storage material based on the integrated value. The excessive temperature rise determining means determines an excessive temperature rise of the reformer and the solid oxide fuel cell during the startup process. The control means is estimated that the amount of heat that can be used in the heat storage material is accumulated, and when it is determined that the temperature is excessive, the fuel supply amount is decreased as compared to the case where the temperature is not excessive. Start the power generation process with high-efficiency operation with increased fuel utilization.

このように構成された本発明によれば、起動工程中に過昇温となり、蓄熱材に利用可能な熱量が蓄積されている場合には、燃料利用率を高めた高効率運転で発電工程が開始されるので、燃料利用率を高めることにより不足する熱量が、蓄熱材に蓄積された熱量により補充される。蓄積された熱量を発電工程において消費することにより、過昇温の状態を速やかに解消することが可能になる。また、蓄熱材に蓄積された熱量が発電工程において利用されるので、エネルギー効率を向上させながら、過昇温を解消することができる。   According to the present invention configured as described above, when the temperature rises during the start-up process and the amount of heat that can be used in the heat storage material is accumulated, the power generation process is performed with high efficiency operation with an increased fuel utilization rate. Since it is started, the heat quantity deficient by increasing the fuel utilization rate is supplemented by the heat quantity accumulated in the heat storage material. By consuming the accumulated amount of heat in the power generation process, it becomes possible to quickly eliminate the excessive temperature rise. Moreover, since the amount of heat stored in the heat storage material is used in the power generation process, it is possible to eliminate the excessive temperature rise while improving energy efficiency.

一般に、固体酸化物型燃料電池においては、起動工程から発電工程に移行する際には運転状態が不安定になりやすく、燃料電池モジュールが急激な温度低下を起こすリスクがある。本発明によれば、起動工程中のSR2において、燃料供給量が一定に維持されると共に、所定の発電移行時間以上SR2が維持される。このため、発電工程への移行時に運転状態が安定し、急激な温度低下のリスクを回避することができる。また、本発明によれば、蓄熱材に蓄積されている蓄熱量が、SR2から開始された加減算値の積算に基づいて推定されるので、蓄熱量を正確に推定することができる。また、SR2から開始される積算に基づいて推定するので、発電開始時における燃料供給量等の変化に対して、積算値の変動を小さく抑えることができる。これにより、運転状態が不安定になるリスクが大きい発電工程への移行時において、制御を安定させることができると共に、リスクが大きい発電工程への移行時から、燃料供給量を減じた高効率運転を安全、確実に実行することができる。   In general, in a solid oxide fuel cell, the operation state tends to become unstable when shifting from the start-up process to the power generation process, and there is a risk that the fuel cell module will undergo a rapid temperature drop. According to the present invention, in SR2 during the starting process, the fuel supply amount is maintained constant, and SR2 is maintained for a predetermined power generation transition time or longer. For this reason, an operation state is stabilized at the time of transfer to a power generation process, and the risk of a rapid temperature drop can be avoided. In addition, according to the present invention, the amount of heat stored in the heat storage material is estimated based on the sum of the addition / subtraction values started from SR2, so that the amount of heat storage can be accurately estimated. In addition, since the estimation is based on the integration started from SR2, fluctuations in the integration value can be suppressed with respect to changes in the amount of fuel supply at the start of power generation. This makes it possible to stabilize the control when shifting to a power generation process that has a high risk of unstable operating conditions, and to reduce the amount of fuel supplied from when shifting to a power generation process with a high risk. Can be executed safely and reliably.

本発明において、好ましくは、燃料電池モジュールは、需要電力に応じて所定の電力範囲で可変の発電電力を生成するように構成され、SR2における燃料供給量は電力範囲の中間帯域の発電電力に対応する燃料供給量に設定されており、制御手段は、燃料電池モジュールの温度が起動工程中に過剰に上昇した場合には、需要電力に関わらず、中間帯域以下の発電電力で発電工程を開始する。   In the present invention, preferably, the fuel cell module is configured to generate variable generated power in a predetermined power range according to demand power, and the fuel supply amount in SR2 corresponds to the generated power in the intermediate band of the power range. When the temperature of the fuel cell module rises excessively during the start-up process, the control means starts the power generation process with the generated power below the intermediate band regardless of the demand power. .

一般に、固体酸化物型燃料電池においては、電力範囲うちの、高発電電力帯域では燃料利用率が高くなるように運転され、低発電電力帯域では、燃料電池モジュールの温度を維持するために、燃料利用率が低くなるように運転される。このため、発電工程が高発電電力帯域で運転される場合には、燃料利用率を更に高める余地は少なく、蓄熱材に蓄積されている熱量を消費しにくい。上記のように構成された本発明によれば、過昇温の場合には、需要電力に関わらず、中間帯域以下の発電電力で発電工程が開始されるので、燃料利用率を高めることにより、蓄熱材に蓄積されている熱量が速やかに消費され、過昇温の状態を速やかに解消することができる。   In general, solid oxide fuel cells are operated so that the fuel utilization rate is high in the high power generation band of the power range, and in order to maintain the temperature of the fuel cell module in the low power generation band, It is operated so that the utilization rate is low. For this reason, when the power generation process is operated in the high power generation band, there is little room for further increasing the fuel utilization rate, and it is difficult to consume the amount of heat accumulated in the heat storage material. According to the present invention configured as described above, in the case of excessive temperature rise, regardless of the demand power, the power generation process is started with the generated power below the intermediate band, so by increasing the fuel utilization rate, The amount of heat stored in the heat storage material is quickly consumed, and the excessive temperature rise can be quickly resolved.

本発明において、好ましくは、蓄熱材に蓄積されている蓄熱量を推定するための積算値は、定の大値に到達したときは積算値の増加を行わず定の小値に到達したときは積算値の減少を行わないように積算され、SR2での加減算値の積算開始時においては、大値と小値の中間の値から積算が開始されるように予め決定された所定の積算値を初期値とし、該初期値から加減算値の積算が開始されるように構成されているIn the present invention, preferably, the integrated value for estimating the heat storage amount accumulated in the heat storage material, upon reaching to a Jo Tokoro of the maximum value is not performed in an increase in the integrated value, Jo Tokoro of minimum value when reached are integrated so as not to decrease the integrated value, at the time of integration start of addition and subtraction value in SR2, predetermined to integration from an intermediate value of the maximum value and the minimum value is started The predetermined integrated value is used as an initial value, and the addition / subtraction value integration is started from the initial value .

このように構成された本発明によれば、積算が、大値と小値の中間値よりも大きい値から開始されるので、SR2において積算が開始されるまでの間に蓄熱材に蓄積された熱量を、蓄熱量の推定値に反映させることができる。 According to the thus configured present invention, integration is, since starting from a value greater than the intermediate value of maximum value and minimum value, the heat storage material until the integration in SR2 starts The accumulated heat amount can be reflected in the estimated value of the heat storage amount.

本発明において、好ましくは、制御手段は、改質器の温度が所定のSR2移行改質器温度を超え、且つ、固体電解質型燃料電池セルの温度が所定のSR2移行セル温度を超えると、SR1からSR2に移行するように構成される一方、改質器の温度が、SR2移行改質器温度よりも高く設定された所定のSR2強制移行温度を超えた場合には、固体電解質型燃料電池セルの温度がSR2移行セル温度に到達する前にSR2に移行させる。 In the present invention, preferably, when the temperature of the reformer exceeds a predetermined SR2 transition reformer temperature and the temperature of the solid oxide fuel cell exceeds a predetermined SR2 transition cell temperature, the control means SR1 When the reformer temperature exceeds a predetermined SR2 forced transition temperature set higher than the SR2 transition reformer temperature , the solid oxide fuel cell unit is configured to transition from the SR2 to the SR2. Before the temperature reaches the SR2 transition cell temperature.

このように構成された本発明によれば、改質器がSR2強制移行温度を超えた場合にSR2に強制的に移行されるので、SR1よりも燃料供給量が減少されたSR2を実行しながら固体電解質型燃料電池セルの温度上昇を待つことができ、改質器の過度の温度上昇を防止することができる。   According to the present invention configured as described above, when the reformer exceeds the SR2 forced transition temperature, the SR2 is forcibly shifted to SR2, so that the SR2 in which the fuel supply amount is reduced as compared with SR1 is being executed. An increase in the temperature of the solid oxide fuel cell can be waited, and an excessive increase in the temperature of the reformer can be prevented.

本発明において、好ましくは、制御手段は、起動工程中の、SR2を生じさせている間に、燃料電池モジュールに所定の微弱電力を発電させる。
このように構成された本発明によれば、SR2の実行中に微弱電力を発電させるので、起動工程中における運転状態を発電工程に近似させることができ、より円滑に発電工程に移行することができる。
In the present invention, preferably, the control means causes the fuel cell module to generate a predetermined weak power while generating SR2 during the starting process.
According to the present invention configured as described above, since weak power is generated during the execution of SR2, the operation state in the startup process can be approximated to the power generation process, and the process can be more smoothly shifted to the power generation process. it can.

本発明によれば、総合的なエネルギー効率の低下を抑制しながら、再起動の場合等における過昇温を防止する固体酸化物型燃料電池を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the solid oxide fuel cell which prevents the excessive temperature rise in the case of restart etc. can be provided, suppressing the fall of comprehensive energy efficiency.

本発明の一実施形態による燃料電池装置を示す全体構成図である。1 is an overall configuration diagram showing a fuel cell device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。It is front sectional drawing which shows the fuel cell module of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention. 図2のIII-III線に沿った断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 2. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing a fuel cell unit of a fuel cell device by one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the fuel cell stack of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による燃料電池装置を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a fuel cell device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の起動時の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation | movement at the time of starting of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の停止時の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation | movement at the time of the stop of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の起動処理手順の動作テーブルである。It is an operation | movement table of the starting process procedure of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による燃料電池装置が再起動された場合における起動時の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation | movement at the time of starting in case the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention is restarted. SR1工程からSR2工程を経て発電工程へ移行する間の制御を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control during transfer from the SR1 process to the power generation process through the SR2 process. 本発明の第1実施形態の固体酸化物型燃料電池における出力電流と燃料供給量の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the output electric current and fuel supply amount in the solid oxide fuel cell of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態の固体酸化物型燃料電池における出力電流と、供給された燃料により発生する熱量の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the output electric current in the solid oxide fuel cell of 1st Embodiment of this invention, and the calorie | heat amount which generate | occur | produces with the supplied fuel. 本発明の第1実施形態の固体酸化物型燃料電池において断熱材に蓄積された熱量を推定するために使用される蓄熱量推定テーブルである。It is a heat storage amount estimation table used in order to estimate the heat amount stored in the heat insulating material in the solid oxide fuel cell according to the first embodiment of the present invention. 図14の蓄熱量推定テーブルをグラフ化したものである。15 is a graph of the heat storage amount estimation table of FIG. 本発明の第1実施形態による固体酸化物型燃料電池の作用を概念的に示す図である。It is a figure which shows notionally the effect | action of the solid oxide fuel cell by 1st Embodiment of this invention. 一般的な住宅における一日の需要電力の推移と、断熱材に蓄積される熱量の推移を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the transition of the daily demand electric power in a general house, and the transition of the calorie | heat amount accumulate | stored in a heat insulating material. 本発明の第1実施形態の変形例における電流補正係数を示すグラフである。It is a graph which shows the electric current correction coefficient in the modification of 1st Embodiment of this invention. 需要電力の変化と、燃料供給量、及び燃料電池モジュールから実際に取り出される電流の関係を模式的に示したグラフである。It is the graph which showed typically the relation of the change of demand electric power, the amount of fuel supply, and the current actually taken out from a fuel cell module. 発電用空気供給量、水供給量、燃料供給量、及び燃料電池モジュールから実際に取り出される電流の関係の一例を示したグラフである。It is the graph which showed an example of the relationship of the electric current actually taken out from the air supply amount for power generation, the water supply amount, the fuel supply amount, and the fuel cell module. 検出温度Tdに基づいて発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量を決定する手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure which determines the air supply amount for electric power generation, the water supply amount, and the fuel supply amount based on detection temperature Td. 発電電流に対する適正な燃料電池セルスタックの温度を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature of the appropriate fuel cell stack with respect to a generated electric current. 積算値に応じて決定される燃料利用率を示すグラフである。It is a graph which shows the fuel usage rate determined according to an integrated value. 各発電電流に対して決定され得る燃料利用率の値の範囲を示すグラフである。It is a graph which shows the range of the value of the fuel utilization factor which can be determined with respect to each generated electric current. 積算値に応じて決定される空気利用率を示すグラフである。It is a graph which shows the air utilization factor determined according to an integrated value. 各発電電流に対して決定され得る空気利用率の値の範囲を示すグラフである。It is a graph which shows the range of the value of the air utilization factor which can be determined with respect to each generated electric current. 決定された空気利用率に対して水供給量を決定するためのグラフである。It is a graph for determining water supply with respect to the determined air utilization rate. 発電電流に対する適正な燃料電池モジュールの発電電圧を示すグラフである。It is a graph which shows the electric power generation voltage of the fuel cell module appropriate with respect to electric power generation current. 本発明の第2実施形態において、燃料電池モジュールが生成する電力の範囲を制限する手順を示すフローチャートである。In 2nd Embodiment of this invention, it is a flowchart which shows the procedure which restrict | limits the range of the electric power which a fuel cell module produces | generates. 発電電流と検出温度に対する電流制限を示すマップである。It is a map which shows the electric current limitation with respect to a generated current and detection temperature. 本発明の第2実施形態における作用の一例を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows an example of the effect | action in 2nd Embodiment of this invention. 燃料電池モジュール内の温度と、発電可能な最大電力の関係の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the relationship between the temperature in a fuel cell module, and the maximum electric power which can be generated.

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

燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備え、このハウジング6内部には、断熱材7を介して密封空間8が形成されている。この密閉空間8の下方部分である発電室10には、燃料と酸化剤(空気)とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体12が配置されている。この燃料電池セル集合体12は、10個の燃料電池セルスタック14(図5参照)を備え、この燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16(図4参照)から構成されている。このように、燃料電池セル集合体12は、160本の燃料電池セルユニット16を有し、これらの燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されている。   The fuel cell module 2 includes a housing 6, and a sealed space 8 is formed inside the housing 6 via a heat insulating material 7. A fuel cell assembly 12 that performs a power generation reaction with fuel and oxidant (air) is disposed in a power generation chamber 10 that is a lower portion of the sealed space 8. The fuel cell assembly 12 includes ten fuel cell stacks 14 (see FIG. 5), and the fuel cell stack 14 includes 16 fuel cell unit 16 (see FIG. 4). Yes. Thus, the fuel cell assembly 12 has 160 fuel cell units 16, and all of these fuel cell units 16 are connected in series.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

内側電極層90は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。   The inner electrode layer 90 includes, for example, a mixture of Ni and zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y, and Sc, and Ni and ceria doped with at least one selected from rare earth elements. The mixture is formed of at least one of Ni and a mixture of lanthanum garade doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe, and Cu.

電解質層94は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。   The electrolyte layer 94 is, for example, zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Y and Sc, ceria doped with at least one selected from rare earth elements, lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr and Mg, Formed from at least one of the following.

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

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

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

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

次に図6により本実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)に取り付けられたセンサ類等について説明する。図6は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)を示すブロック図である。
図6に示すように、固体酸化物型燃料電池1は、制御部110を備え、この制御部110には、使用者が操作するための「ON」や「OFF」等の操作ボタンを備えた操作装置112、発電出力値(ワット数)等の種々のデータを表示するための表示装置114、及び、異常状態のとき等に警報(ワーニング)を発する報知装置116が接続されている。なお、この報知装置116は、遠隔地にある管理センタに接続され、この管理センタに異常状態を通知するようなものであっても良い。
Next, sensors and the like attached to the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a block diagram illustrating a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 6, the solid oxide fuel cell 1 includes a control unit 110, and the control unit 110 includes operation buttons such as “ON” and “OFF” for operation by the user. An operation device 112, a display device 114 for displaying various data such as a power generation output value (wattage), and a notification device 116 for issuing a warning (warning) in an abnormal state are connected. The notification device 116 may be connected to a remote management center and notify the management center of an abnormal state.

次に、制御部110には、以下に説明する種々のセンサからの信号が入力されるようになっている。
先ず、可燃ガス検出センサ120は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュール2及び補機ユニット4に取り付けられている。
CO検出センサ122は、本来排気ガス通路80等を経て外部に排出される排気ガス中のCOが、燃料電池モジュール2及び補機ユニット4を覆う外部ハウジング(図示せず)へ漏れたかどうかを検知するためのものである。
貯湯状態検出センサ124は、図示しない給湯器におけるお湯の温度や水量を検知するためのものである。
Next, signals from various sensors described below are input to the control unit 110.
First, the combustible gas detection sensor 120 is for detecting a gas leak, and is attached to the fuel cell module 2 and the auxiliary unit 4.
The CO detection sensor 122 detects whether or not CO in the exhaust gas originally discharged to the outside through the exhaust gas passage 80 or the like leaks to an external housing (not shown) that covers the fuel cell module 2 and the auxiliary unit 4. Is to do.
The hot water storage state detection sensor 124 is for detecting the temperature and amount of hot water in a water heater (not shown).

電力状態検出センサ126は、インバータ54及び分電盤(図示せず)の電流及び電圧等を検知するためのものである。
発電用空気流量検出センサ128は、発電室10に供給される発電用空気の流量を検出するためのものである。
改質用空気流量センサ130は、改質器20に供給される改質用空気の流量を検出するためのものである。
燃料流量センサ132は、改質器20に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものである。
The power state detection sensor 126 is for detecting the current and voltage of the inverter 54 and the distribution board (not shown).
The power generation air flow rate detection sensor 128 is for detecting the flow rate of power generation air supplied to the power generation chamber 10.
The reforming air flow sensor 130 is for detecting the flow rate of the reforming air supplied to the reformer 20.
The fuel flow sensor 132 is for detecting the flow rate of the fuel gas supplied to the reformer 20.

水流量センサ134は、改質器20に供給される純水の流量を検出するためのものである。
水位センサ136は、純水タンク26の水位を検出するためのものである。
圧力センサ138は、改質器20の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。
排気温度センサ140は、温水製造装置50に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。
The water flow rate sensor 134 is for detecting the flow rate of pure water supplied to the reformer 20.
The water level sensor 136 is for detecting the water level of the pure water tank 26.
The pressure sensor 138 is for detecting the pressure on the upstream side outside the reformer 20.
The exhaust temperature sensor 140 is for detecting the temperature of the exhaust gas flowing into the hot water production apparatus 50.

発電室温度センサ142は、図3に示すように、燃料電池セル集合体12の近傍の前面側と背面側に設けられ、燃料電池セルスタック14の近傍の温度を検出して、燃料電池セルスタック14(即ち燃料電池セル84自体)の温度を推定するためのものである。
燃焼室温度センサ144は、燃焼室18の温度を検出するためのものである。
排気ガス室温度センサ146は、排気ガス室78の排気ガスの温度を検出するためのものである。
改質器温度センサ148は、改質器20の温度を検出するためのものであり、改質器20の入口温度と出口温度から改質器20の温度を算出する。
外気温度センサ150は、固体酸化物型燃料電池(SOFC)が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。
As shown in FIG. 3, the power generation chamber temperature sensor 142 is provided on the front side and the back side in the vicinity of the fuel cell assembly 12, and detects the temperature in the vicinity of the fuel cell stack 14 to thereby detect the fuel cell stack. 14 (ie, the fuel cell 84 itself) is estimated.
The combustion chamber temperature sensor 144 is for detecting the temperature of the combustion chamber 18.
The exhaust gas chamber temperature sensor 146 is for detecting the temperature of the exhaust gas in the exhaust gas chamber 78.
The reformer temperature sensor 148 is for detecting the temperature of the reformer 20, and calculates the temperature of the reformer 20 from the inlet temperature and the outlet temperature of the reformer 20.
The outside air temperature sensor 150 is for detecting the temperature of the outside air when the solid oxide fuel cell (SOFC) is disposed outdoors. Further, a sensor for measuring the humidity or the like of the outside air may be provided.

これらのセンサ類からの信号は、制御部110に送られ、制御部110は、これらの信号によるデータに基づき、水流量調整ユニット28、燃料流量調整ユニット38、改質用空気流量調整ユニット44、発電用空気流量調整ユニット45に、制御信号を送り、これらのユニットにおける各流量を制御するようになっている。   Signals from these sensors are sent to the control unit 110, and the control unit 110, based on data based on these signals, the water flow rate adjustment unit 28, the fuel flow rate adjustment unit 38, the reforming air flow rate adjustment unit 44, A control signal is sent to the power generation air flow rate adjusting unit 45 to control each flow rate in these units.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

次に、図7及び図9を参照して、本実施形態による固体酸化物形燃料電池(SOFC)の起動時の動作を詳細に説明する。
図9は、燃料電池1の起動処理手順を示す動作テーブルである。図9に示すように、起動工程では、制御部110が各運転制御状態(燃焼運転工程、POX1工程、、POX2工程、ATR1工程、ATR2工程、SR1工程、SR2工程)を時間的に順に実行し、発電工程へ移行するように構成されている。
Next, with reference to FIG. 7 and FIG. 9, the operation at the time of starting of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment will be described in detail.
FIG. 9 is an operation table showing a startup process procedure of the fuel cell 1. As shown in FIG. 9, in the start-up process, the control unit 110 executes each operation control state (combustion operation process, POX1 process, POX2 process, ATR1 process, ATR2 process, SR1 process, SR2 process) in time order. It is configured to shift to a power generation process.

なお、POX1工程及びPOX2工程は、改質器20内で部分酸化改質反応が行われる工程である。また、ATR1工程及びATR2工程は、改質器20内でオートサーマル改質反応が行われる工程である。また、SR1工程及びSR2工程は、改質器20内で水蒸気改質反応が行われる工程である。上記各POX工程、ATR工程、SR工程は、それぞれ2つに細分化されているが、これに限らず、3つ以上に細分化してもよいし、細分化しない構成とすることもできる。   The POX1 process and the POX2 process are processes in which a partial oxidation reforming reaction is performed in the reformer 20. The ATR1 process and the ATR2 process are processes in which an autothermal reforming reaction is performed in the reformer 20. The SR1 process and the SR2 process are processes in which a steam reforming reaction is performed in the reformer 20. Each of the POX process, the ATR process, and the SR process is subdivided into two parts. However, the present invention is not limited to this, and the POX process, ATR process, and SR process may be subdivided into three or more, or may be configured not to subdivide.

まず、時刻t0において燃料電池1を起動すると、制御部110は、改質用酸化剤ガス供給手段である改質用空気流量調整ユニット44及び発電用酸化剤ガス供給手段である発電用空気流量調整ユニット45に信号を送って、これらを起動させ、改質用空気(酸化剤ガス)及び発電用空気を燃料電池モジュール2に供給する。なお、本実施形態においては、時刻t0において供給が開始される改質用空気の供給量は10.0(L/min)、発電用空気の供給量は100.0(L/min)に設定される(図9の「燃焼運転」工程参照)。 First, when the fuel cell 1 is started at time t 0 , the control unit 110 causes the reforming air flow rate adjustment unit 44 that is reforming oxidant gas supply means and the power generation air flow rate that is power generation oxidant gas supply means. Signals are sent to the adjustment unit 45 to activate them, and reforming air (oxidant gas) and power generation air are supplied to the fuel cell module 2. In this embodiment, the supply amount of reforming air that is started to be supplied at time t 0 is 10.0 (L / min), and the supply amount of power generation air is 100.0 (L / min). It is set (see “combustion operation” step in FIG. 9).

次いで、時刻t1において、制御部110は、燃料流量調整ユニット38に信号を送って、改質器20への燃料供給を開始する。これにより、改質器20へ送り込まれた燃料及び改質用空気は、改質器20、燃料ガス供給管64、マニホールド66を介して各燃料電池セルユニット16内に送り込まれる。各燃料電池セルユニット16内に送り込まれた燃料及び改質用空気は、各燃料電池セルユニット16の燃料ガス流路98上端から流出する。なお、本実施形態において、時刻t1において供給が開始される燃料の供給量は6.0(L/min)に設定されている(図9の「燃焼運転」工程参照)。 Next, at time t 1 , the control unit 110 sends a signal to the fuel flow rate adjustment unit 38 to start fuel supply to the reformer 20. Thus, the fuel and reforming air sent to the reformer 20 are sent into each fuel cell unit 16 via the reformer 20, the fuel gas supply pipe 64, and the manifold 66. The fuel and reforming air sent into each fuel cell unit 16 flow out from the upper end of the fuel gas flow path 98 of each fuel cell unit 16. In the present embodiment, the supply amount of fuel to be supplied at time t 1 is set to 6.0 (L / min) (see “combustion operation” step in FIG. 9).

さらに、時刻t2において、制御部110は、点火装置83に信号を送り、燃料電池セルユニット16から流出する燃料に点火する。これにより、燃焼室18内で燃料が燃焼され、この熱により、その上方に配置された改質器20が加熱されると共に、燃焼室18、発電室10、及びその中に配置された各燃料電池セルユニット16の温度、即ち、燃料電池セルスタック14の温度も上昇する(図7の時刻t2〜t3参照)。燃料ガス流路98を含む燃料電池セルユニット16及びその上端部位は燃焼部に相当する。 Further, at time t 2 , the control unit 110 sends a signal to the ignition device 83 to ignite the fuel flowing out from the fuel cell unit 16. As a result, the fuel is combusted in the combustion chamber 18, and the heat is used to heat the reformer 20 disposed above the combustion chamber 18, and the combustion chamber 18, the power generation chamber 10, and each fuel disposed therein. temperature of the battery cell unit 16, i.e., the temperature of the fuel cell stack 14 also rises (see time t 2 ~t 3 in FIG. 7). The fuel cell unit 16 including the fuel gas passage 98 and the upper end portion thereof correspond to a combustion portion.

改質器20が加熱されることにより、改質器20の温度(以下「改質器温度」という)が300℃程度まで上昇すると、改質器20内においては、部分酸化改質反応(POX)が発生する(図7の時刻t3:POX1工程開始)。このPOX1工程においても、燃料供給量は6.0(L/min)、改質用空気供給量は10.0(L/min)に維持される(図9の「POX1」工程参照)。部分酸化改質反応は発熱反応であるため、改質器20は、部分酸化改質反応の発生により、その反応熱によっても加熱されるようになる(図7の時刻t3〜t5)。 When the temperature of the reformer 20 (hereinafter referred to as “reformer temperature”) rises to about 300 ° C. by heating the reformer 20, a partial oxidation reforming reaction (POX) occurs in the reformer 20. (Time t 3 in FIG. 7: POX1 process starts). Also in this POX1 step, the fuel supply amount is maintained at 6.0 (L / min) and the reforming air supply amount is maintained at 10.0 (L / min) (see the “POX1” step in FIG. 9). Since the partial oxidation reforming reaction is an exothermic reaction, the reformer 20 is also heated by the reaction heat due to the occurrence of the partial oxidation reforming reaction (time t 3 to t 5 in FIG. 7).

さらに温度が上昇し、改質器温度が350℃に達すると(POX2移行条件)、制御部110は、燃料流量調整ユニット38に信号を送り、燃料供給量を減少させると共に、改質用空気流量調整ユニット38に信号を送り、改質用空気供給量を増加させる(図7の時刻t4:POX2工程開始)。これにより、燃料供給量は5.0(L/min)に変更され、改質用空気供給量は18.0(L/min)に変更される(図9の「POX2」工程参照)。これらの供給量は、部分酸化改質反応を発生させるために適切な供給量である。即ち、部分酸化改質反応が発生し始める初期の温度領域においては、供給する燃料の割合を多くすることにより、燃料に確実に着火させる状態を形成すると共に、その供給量を維持して着火を安定させる(図9の「POX1」工程参照)。さらに、安定して着火され、温度が上昇した後には、部分酸化改質反応を生成するために必要にして十分な燃料供給量として、燃料の浪費を抑えている(図9の「POX2」工程参照)。 When the temperature further rises and the reformer temperature reaches 350 ° C. (POX2 transition condition), the control unit 110 sends a signal to the fuel flow rate adjustment unit 38 to reduce the fuel supply amount and the reforming air flow rate. A signal is sent to the adjustment unit 38 to increase the supply amount of reforming air (time t 4 in FIG. 7: POX2 process start). As a result, the fuel supply amount is changed to 5.0 (L / min), and the reforming air supply amount is changed to 18.0 (L / min) (see the “POX2” step in FIG. 9). These supply amounts are appropriate supply amounts for generating the partial oxidation reforming reaction. In other words, in the initial temperature range where the partial oxidation reforming reaction starts to occur, by increasing the ratio of the fuel to be supplied, a state in which the fuel is surely ignited is formed, and the supplied amount is maintained and ignition is performed. Stabilize (see “POX1” step in FIG. 9). Further, after stable ignition and the temperature rise, waste of fuel is suppressed as a sufficient fuel supply amount necessary for generating the partial oxidation reforming reaction (“POX2” process in FIG. 9). reference).

次に、図7の時刻t5において、改質器温度が600℃以上、且つ、セルスタック温度が250℃以上になると(ATR1移行条件)、制御部110は、改質用空気流量調整ユニット44に信号を送り、改質用空気供給量を減少させると共に、水蒸気供給手段である水流量調整ユニット28に信号を送り、水の供給を開始させる(ATR1工程開始)。これにより、改質用空気供給量は8.0(L/min)に変更され、水供給量は2.0(cc/min)にされる(図9の「ATR1」工程参照)。改質器20内に水(水蒸気)が導入されることにより、改質器20内で水蒸気改質反応も発生するようになる。即ち、図9の「ATR1」工程においては、部分酸化改質反応と水蒸気改質反応が混在したオートサーマル改質(ATR)が発生するようになる。 Next, at time t 5 in FIG. 7, when the reformer temperature is 600 ° C. or higher and the cell stack temperature is 250 ° C. or higher (ATR1 transition condition), the controller 110 changes the reforming air flow rate adjustment unit 44. Is sent to the water flow rate adjusting unit 28, which is a steam supply means, to start the supply of water (ATR1 process start). As a result, the reforming air supply amount is changed to 8.0 (L / min), and the water supply amount is set to 2.0 (cc / min) (see “ATR1” step in FIG. 9). By introducing water (steam) into the reformer 20, a steam reforming reaction also occurs in the reformer 20. That is, in the “ATR1” process of FIG. 9, autothermal reforming (ATR) in which a partial oxidation reforming reaction and a steam reforming reaction are mixed occurs.

本実施形態においては、セルスタック温度は、発電室10内に配置された発電室温度センサ142によって測定されている。各燃料電池セルユニット16の温度は完全に均一ではないが、セルスタック温度はそれらの平均的な温度として観念することができる。実際に測定される発電室内の温度とセルスタック温度は、厳密には同一ではないが、発電室温度センサによって検出される温度はセルスタック温度を反映したものであり、発電室内に配置された発電室温度センサにより各燃料電池セルユニット16の平均的な温度を把握することができる。一方、改質器20の温度は改質器温度センサ148で測定されている。なお、本明細書において、セルスタック温度とは、セルスタック温度を反映した値を指示する任意のセンサにより測定された温度を意味するものとする。   In the present embodiment, the cell stack temperature is measured by a power generation chamber temperature sensor 142 disposed in the power generation chamber 10. Although the temperature of each fuel cell unit 16 is not perfectly uniform, the cell stack temperature can be thought of as their average temperature. The temperature actually measured in the power generation chamber and the cell stack temperature are not exactly the same, but the temperature detected by the power generation chamber temperature sensor reflects the cell stack temperature. The room temperature sensor can grasp the average temperature of each fuel cell unit 16. On the other hand, the temperature of the reformer 20 is measured by a reformer temperature sensor 148. In the present specification, the cell stack temperature means a temperature measured by an arbitrary sensor that indicates a value reflecting the cell stack temperature.

さらに、図7の時刻t6において、改質器温度が600℃以上、且つ、スタック温度が400℃以上になると(ATR2移行条件)、制御部110は、燃料流量調整ユニット38に信号を送り、燃料供給量を減少させる。また、制御部110は、改質用空気流量調整ユニット44に信号を送り、改質用空気供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット28に信号を送り、水の供給量を増加させる(ATR2工程開始)。これにより、燃料供給量は4.0(L/min)に変更され、改質用空気供給量は4.0(L/min)に変更され、水供給量は3.0(cc/min)に変更される(図9の「ATR2」工程参照)。改質用空気供給量が減少され、水供給量が増加されることにより、改質器20内においては、発熱反応である部分酸化改質反応の割合が減少し、吸熱反応である水蒸気改質反応の割合が増加する。これにより、改質器温度の上昇は抑制され、一方、改質器20から受けるガス流により燃料電池セルスタック14が昇温されることによって、セルスタック温度は改質器温度に追い付くように昇温していくので、両者の温度差が縮小され、両者は安定的に昇温されていく。 Further, at time t 6 in FIG. 7, the reformer temperature is 600 ° C. or above and the stack temperature is more than 400 ° C. (ATR2 transition condition), the control unit 110 sends a signal to the fuel flow regulator unit 38, Reduce fuel supply. Further, the control unit 110 sends a signal to the reforming air flow rate adjustment unit 44 to reduce the reforming air supply amount and sends a signal to the water flow rate adjustment unit 28 to increase the water supply amount (ATR2). Process start). As a result, the fuel supply amount is changed to 4.0 (L / min), the reforming air supply amount is changed to 4.0 (L / min), and the water supply amount is 3.0 (cc / min). (Refer to “ATR2” step in FIG. 9). By reducing the reforming air supply amount and increasing the water supply amount, the ratio of the partial oxidation reforming reaction that is an exothermic reaction is reduced in the reformer 20, and the steam reforming that is an endothermic reaction. The rate of reaction increases. As a result, the rise in the reformer temperature is suppressed, while the fuel cell stack 14 is heated by the gas flow received from the reformer 20, so that the cell stack temperature rises to catch up with the reformer temperature. As the temperature is increased, the temperature difference between the two is reduced, and the temperature is stably increased.

次に、図7の時刻t7において、改質器温度とセルスタック温度の温度差が縮まり、改質器温度が650℃以上、且つ、スタック温度が600℃以上になると(SR1移行条件)、制御部110は、改質用空気流量調整ユニット44に信号を送り、改質用空気の供給を停止する。また、制御部110は、燃料流量調整ユニット38に信号を送り、燃料供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット28に信号を送り、水の供給量を増加させる(SR1工程開始)。これにより、燃料供給量は3.0(L/min)に変更され、水供給量は8.0(cc/min)に変更される(図9の「SR1」工程参照)。改質用空気の供給が停止されることにより、改質器20内においては部分酸化改質反応は発生しなくなり、水蒸気改質反応のみが発生するSRが開始される。 Next, at time t 7 in FIG. 7, when the temperature difference between the reformer temperature and the cell stack temperature is reduced and the reformer temperature is 650 ° C. or higher and the stack temperature is 600 ° C. or higher (SR1 transition condition), The controller 110 sends a signal to the reforming air flow rate adjustment unit 44 and stops the supply of the reforming air. Further, the control unit 110 sends a signal to the fuel flow rate adjustment unit 38 to reduce the fuel supply amount and sends a signal to the water flow rate adjustment unit 28 to increase the water supply amount (SR1 process start). As a result, the fuel supply amount is changed to 3.0 (L / min), and the water supply amount is changed to 8.0 (cc / min) (see the “SR1” process in FIG. 9). When the supply of the reforming air is stopped, the partial oxidation reforming reaction does not occur in the reformer 20, and SR in which only the steam reforming reaction occurs is started.

さらに、図7の時刻t8において、改質器温度とセルスタック温度の温度差がさらに縮まり、改質器温度がSR2移行改質器温度である650℃以上、且つ、セルスタック温度がSR2移行セル温度である650℃以上になると(SR2移行条件)、制御部110は、燃料流量調整ユニット38に信号を送り、燃料供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット28に信号を送り、水の供給量も減少させる。また、制御部110は、発電用空気流量調整ユニット45に信号を送り、発電用空気の供給量も減少させる(SR2工程開始)。これにより、燃料供給量は2.3(L/min)に変更され、水供給量は6.3(cc/min)に変更され、発電用空気供給量は80.0(L/min)に変更される(図9の「SR2」工程参照)。また、制御部110に内蔵された蓄熱量推定手段110aは、SR2工程の開始と共に、断熱材7に蓄熱された熱量を推定するために、検出された発電室10の温度の積算を開始する。蓄熱量の推定については後述する。 Further, at time t 8 in FIG. 7, the temperature difference between the reformer temperature and the cell stack temperature is further reduced, the reformer temperature is 650 ° C., which is the SR2 transition reformer temperature, and the cell stack temperature transitions to SR2. When the cell temperature reaches 650 ° C. or higher (SR2 transition condition), the control unit 110 sends a signal to the fuel flow rate adjustment unit 38 to reduce the fuel supply amount, and sends a signal to the water flow rate adjustment unit 28 to Reduce supply. In addition, the control unit 110 sends a signal to the power generation air flow rate adjustment unit 45 to reduce the supply amount of power generation air (SR2 process start). As a result, the fuel supply amount is changed to 2.3 (L / min), the water supply amount is changed to 6.3 (cc / min), and the power generation air supply amount is changed to 80.0 (L / min). It is changed (see “SR2” step in FIG. 9). Moreover, the heat storage amount estimation means 110a built in the control unit 110 starts integration of the detected temperature of the power generation chamber 10 in order to estimate the amount of heat stored in the heat insulating material 7 together with the start of the SR2 step. The estimation of the heat storage amount will be described later.

SR1工程では、改質器温度及びスタック温度を発電可能な温度付近まで上昇させるため、燃料供給量及び水供給量を高めに保持している。その後、SR2工程では、燃料流量及び水供給量を低減して、改質器温度及びセルスタック温度の温度分布を落ち着かせ、発電可能な温度に安定化させる。また、制御部110は、SR2工程開始と共に、燃料電池モジュール2から微弱電力の取り出しを開始する。この微弱電力は一定の電力であり、インバータ54に出力されるものではなく、補機ユニット4を作動させるための電力の一部として利用される。発電工程移行前のSR2工程において一定の微弱電力を取り出すことにより、燃料電池モジュール2の運転を不安定にすることなく、発電工程と近似した運転条件を与えることにより、発電工程への移行がより円滑になる。本実施形態においては、微弱電力は約50Wである。なお、本明細書において、微弱電力とは、固体酸化物形燃料電池1の定格電力の約3%〜15%程度の電力を意味するものとする。   In the SR1 process, the fuel supply amount and the water supply amount are kept high in order to raise the reformer temperature and the stack temperature to near the temperature at which power generation is possible. Thereafter, in the SR2 step, the fuel flow rate and the water supply amount are reduced, the temperature distributions of the reformer temperature and the cell stack temperature are settled, and are stabilized at a temperature at which power generation is possible. Moreover, the control part 110 starts taking out weak electric power from the fuel cell module 2 with the start of SR2 process. This weak power is a constant power and is not output to the inverter 54 but is used as a part of the power for operating the auxiliary unit 4. By taking out a constant weak power in the SR2 process before the power generation process transition, the operation of the fuel cell module 2 is made unstable without giving the operation condition approximate to that of the power generation process. Become smooth. In this embodiment, the weak power is about 50W. In the present specification, the weak power means a power of about 3% to 15% of the rated power of the solid oxide fuel cell 1.

制御部110は、SR2工程において、各供給量を所定の発電移行時間以上維持し、且つ改質器温度が650℃以上、且つ、スタック温度が700℃以上になると(発電工程移行条件)、燃料電池モジュール2からインバータ54に電力を出力させ、発電工程に移行して発電を開始する(図7の時刻t9:発電工程開始)。その後、制御部110は、需要電力に応じた電力を生成できるように、燃料流量調整ユニット38及び水流量調整ユニット28に信号を送って燃料供給量及び水の供給量を変更し、負荷追従運転が実行される。 In the SR2 process, the controller 110 maintains each supply amount for a predetermined power generation transition time, and when the reformer temperature is 650 ° C. or higher and the stack temperature is 700 ° C. or higher (power generation process transition condition), the fuel to output power from the battery module 2 to the inverter 54, to start the transition to the power generation in the power generation process (time in FIG. 7 t 9: power step starts). Thereafter, the control unit 110 sends a signal to the fuel flow rate adjustment unit 38 and the water flow rate adjustment unit 28 to change the fuel supply amount and the water supply amount so that the electric power according to the demand power can be generated. Is executed.

なお、制御部110は、SR2工程開始後、発電移行時間が経過する前に、改質器温度650℃、スタック温度700℃に到達している場合であっても、所定の発電移行時間、SR2工程を維持した後、発電工程を開始する。   Note that the control unit 110 does not change the predetermined power generation transition time, SR2 even when the reformer temperature reaches 650 ° C. and the stack temperature 700 ° C. before the power generation transition time elapses after the SR2 process starts. After maintaining the process, the power generation process is started.

次に、図10を参照して、本実施形態による固体酸化物形燃料電池1を再起動した場合における起動工程の動作を説明する。図10は、固体酸化物形燃料電池1を再起動した場合における、各部の温度、燃料等の供給量の変化の一例を示すグラフである。   Next, with reference to FIG. 10, the operation of the starting process when the solid oxide fuel cell 1 according to the present embodiment is restarted will be described. FIG. 10 is a graph showing an example of changes in the supply amounts of temperatures, fuels, etc. of the respective parts when the solid oxide fuel cell 1 is restarted.

図10のグラフは、図7のグラフと同様であるが、断熱材等に多くの熱量が残存している状態から起動工程が開始されるため、図7の場合よりも改質器温度の上昇が速くなっている。図10には、比較のため、図7における改質器温度が細い一点鎖線で示されている。   The graph of FIG. 10 is the same as the graph of FIG. 7, but the start-up process is started from a state in which a large amount of heat remains in the heat insulating material or the like, so that the reformer temperature rises more than in the case of FIG. 7. Is getting faster. In FIG. 10, the reformer temperature in FIG. 7 is shown by a thin one-dot chain line for comparison.

図10における「燃焼運転」から「SR1」行程までの移行は、改質器温度の昇温が速く、移行までの時間が短いことを除き図7と同様である。次に、図10の時刻t28においては、セルスタック温度は約630℃であり、改質器温度は700℃である。従って、この状態は、改質器温度はSR2移行改質器温度である650℃を超えているが、セルスタック温度はSR2移行セル温度である650℃に到達していないので、「SR2」工程への通常の移行温度条件には適合していない。しかしながら、制御部110に内蔵された過昇温判断手段110bは、「SR1」行程において改質器温度がSR2強制移行温度である700℃に到達した場合には、過昇温であると判断し、セルスタック温度が650℃に到達する前に強制的に「SR2」工程へ移行させる(図9「SR1」欄における四角囲いの温度条件)。 Transition from “combustion operation” to “SR1” stroke in FIG. 10 is the same as FIG. 7 except that the temperature of the reformer is increased rapidly and the time to transition is short. Next, at time t 28 in FIG. 10, the cell stack temperature is about 630 ° C., and the reformer temperature is 700 ° C. Therefore, in this state, the reformer temperature exceeds the SR2 transition reformer temperature of 650 ° C., but the cell stack temperature does not reach the SR2 transition cell temperature of 650 ° C. It does not meet normal transition temperature conditions. However, when the reformer temperature reaches 700 ° C. which is the SR2 forced transition temperature in the “SR1” stroke, the excessive temperature rise determination unit 110b built in the control unit 110 determines that the temperature is excessive. Then, before the cell stack temperature reaches 650 ° C., the process is forcibly shifted to the “SR2” process (temperature condition in a square box in the “SR1” column in FIG. 9).

「SR2」工程へ移行されると、制御部110は、燃料流量調整ユニット38に信号を送り、燃料供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット28に信号を送り、水の供給量も減少させる。また、制御部110は、発電用空気流量調整ユニット45に信号を送り、発電量空気の供給量も減少させる。これにより、燃料供給量は2.3(L/min)に変更され、水供給量は6.3(cc/min)に変更され、発電用空気供給量は80.0(L/min)に変更される。なお、制御部110は、燃料供給量、水供給量、及び発電用空気供給量を約2分間かけてこれらの値まで低下させる(図10の時刻t29)。 When the process proceeds to the “SR2” step, the control unit 110 sends a signal to the fuel flow rate adjustment unit 38 to reduce the fuel supply amount, and sends a signal to the water flow rate adjustment unit 28 to reduce the water supply amount. . Further, the control unit 110 sends a signal to the power generation air flow rate adjustment unit 45 to decrease the supply amount of the power generation amount air. As a result, the fuel supply amount is changed to 2.3 (L / min), the water supply amount is changed to 6.3 (cc / min), and the power generation air supply amount is changed to 80.0 (L / min). Be changed. The control unit 110 reduces the fuel supply amount, the water supply amount, and the power generation air supply amount to these values over about 2 minutes (time t 29 in FIG. 10).

次いで、図10の時刻t30においては、セルスタック温度は約680℃であり、改質器温度は720℃である。従って、この状態は、セルスタック温度700℃以上、且つ改質器温度650℃以上である発電工程への通常の移行温度条件には適合していない。しかしながら、制御部110に内蔵された過昇温判断手段110bは、「SR2」工程において改質器温度が発電強制移行温度である720℃に到達した場合には、過昇温が発生していると判断し、セルスタック温度が700℃に到達する前に強制的に発電工程へ移行させる(図9「SR2」欄における四角囲いの温度条件)。 Then, at time t 30 in Figure 10, the cell stack temperature is about 680 ° C., the reformer temperature is 720 ° C.. Therefore, this state does not meet the normal transition temperature conditions for the power generation process in which the cell stack temperature is 700 ° C. or higher and the reformer temperature is 650 ° C. or higher. However, when the reformer temperature reaches 720 ° C., which is the power generation forced transition temperature, in the “SR2” process, the excessive temperature rise determination unit 110b built in the control unit 110 generates an excessive temperature rise. Therefore, before the cell stack temperature reaches 700 ° C., the process is forcibly shifted to the power generation process (temperature conditions in a square box in the column “SR2” in FIG. 9).

ただし、制御部110は、燃料供給量、水供給量、及び発電用空気供給量が夫々「SR2」工程における所定の流量に到達した時刻t29の後、少なくとも所定の発電移行時間が経過するまでは、各流量を一定に保持し、「SR2」工程を継続させる。即ち、時刻t29の後、発電移行時間が経過する前に通常の発電移行温度条件が満足され、又は、改質器温度が発電強制移行温度に到達した場合であっても、発電移行時間が経過するまで「SR2」工程が維持され、その後、発電工程が開始される。なお、本実施形態においては、発電移行時間は2分である。 However, the control unit 110, a fuel supply amount, water supply, and to the generating air supply amount after the time t 29 which has reached the predetermined flow rate in each "SR2" process, at least a predetermined transition time electrical generation has elapsed Keeps each flow rate constant and continues the “SR2” step. That is, after the time t 29, is satisfied normal power transition temperature before the transition time electrical generation has elapsed, or, even when the reformer temperature reached generating forced migration temperature, power generation transition time The “SR2” process is maintained until the time has elapsed, and then the power generation process is started. In the present embodiment, the power generation transition time is 2 minutes.

この発電移行時間は、固体酸化物形燃料電池1の運転が不安定になりやすい発電工程への移行前に、発電移行時間に亘って燃料供給量等を一定値に維持することにより運転状態を安定させるために設けられたものである。また、本実施形態において、制御部110は、後述する蓄熱量や、各部の温度、燃料供給量等、燃料電池モジュール2の制御に必要な各制御パラメータを、温度や流量の各測定値の時間的な推移に基づいて計算し、これに基づいて制御を行っている。即ち、制御部110は、各センサによって測定された温度、流量等に、移動平均や、積分計算等の演算を施して各制御パラメータを得ている。或いは、制御パラメータの1つである蓄熱量は、制御パラメータの1つである発電室温度の積算により推定される。このように、本実施形態においては、各制御パラメータが、それらの時間的な推移に基づいて計算され、SR2期間中の測定値に基づいて計算された各制御パラメータが、発電工程への移行時には、発電工程における各制御パラメータの初期値となる。SR2においては、少なくとも発電移行時間に亘って燃料供給量等が一定値に維持されているため、各測定値も安定したものとなり、発電工程開始時における各制御パラメータの初期値が信頼性の高いものとなる。   The power generation transition time is determined by maintaining the fuel supply amount at a constant value over the power generation transition time before the transition to the power generation process where the operation of the solid oxide fuel cell 1 is likely to become unstable. It is provided for stabilization. Further, in the present embodiment, the control unit 110 sets each control parameter necessary for the control of the fuel cell module 2 such as a heat storage amount, a temperature of each unit, a fuel supply amount, etc., which will be described later, a time of each measured value of temperature and flow rate. The calculation is performed based on the actual transition and the control is performed based on the calculation. In other words, the control unit 110 obtains each control parameter by performing an operation such as moving average or integral calculation on the temperature, flow rate, and the like measured by each sensor. Alternatively, the heat storage amount that is one of the control parameters is estimated by integration of the power generation room temperature that is one of the control parameters. As described above, in the present embodiment, each control parameter is calculated based on their temporal transition, and each control parameter calculated based on the measured value during the SR2 period is transferred to the power generation process. The initial value of each control parameter in the power generation process. In SR2, since the fuel supply amount and the like are maintained at a constant value over at least the power generation transition time, each measured value is also stable, and the initial value of each control parameter at the start of the power generation process is highly reliable. It will be a thing.

次に、発電工程開始時において、後述する積算により断熱材7に利用可能な熱量が蓄積されていることが推定され、且つ、過昇温判断手段110bが「SR1」工程又は「SR2」工程において過剰な温度上昇が発生していると判断した場合には、制御部110は、過昇温でない場合よりも燃料供給量を減少させ、燃料利用率を高めた高効率運転で発電工程を開始する。このように、通常の発電工程よりも燃料供給量を減少させて発電を行うことにより、燃料電池モジュール2の温度を維持するために燃焼される燃料が減少する。これにより不足した熱量は、断熱材7等に蓄積された熱量により補充される。断熱材7等に蓄積された熱量を消費することにより、過剰に昇温された改質器20等の温度が適正な温度に低下される。このように、燃料利用率を高めた発電工程は、断熱材7等に蓄積された利用可能な熱量がなくなるまで実行される。   Next, at the start of the power generation process, it is estimated that the amount of heat that can be used in the heat insulating material 7 is accumulated by the integration described later, and the excessive temperature rise determination means 110b performs the “SR1” process or the “SR2” process. When it is determined that an excessive temperature rise has occurred, the control unit 110 starts the power generation process with high efficiency operation with a reduced fuel supply amount and a higher fuel utilization rate than when the temperature is not excessively high. . As described above, by generating power by reducing the fuel supply amount as compared with the normal power generation process, the amount of fuel burned to maintain the temperature of the fuel cell module 2 decreases. Thus, the shortage of heat is supplemented by the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7 and the like. By consuming the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7 or the like, the temperature of the reformer 20 or the like that has been excessively raised is lowered to an appropriate temperature. As described above, the power generation process with the increased fuel utilization rate is executed until there is no more heat available in the heat insulating material 7 or the like.

次に、図11を参照して、起動工程から発電工程への移行を説明する。図11は、SR1工程からSR2工程を経て発電工程へ移行する間の制御を示すフローチャートである。上述した図7及び図10に示す起動工程も、図11に示すフローチャートに基づいて実行されたものである。   Next, with reference to FIG. 11, the transition from the startup process to the power generation process will be described. FIG. 11 is a flowchart showing the control during the transition from the SR1 process to the power generation process through the SR2 process. The startup process shown in FIGS. 7 and 10 is also executed based on the flowchart shown in FIG.

まず、図11のステップS1においては、温度検出手段である発電室温度センサ142及び改質器温度センサ148から温度検出値が読み込まれる。ここで、改質器温度センサ148から読み込まれた温度である第1検出温度は、改質器20の温度を反映した温度あり、図9における改質器温度に相当する。また、発電室温度センサ142から読み込まれた温度である第2検出温度は、複数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の温度を反映したものであり、図9におけるセルスタック温度に相当する温度である。なお、セルスタック温度及び改質器温度は、図11のフローチャートの実行中に逐次読み込まれ新しい値に更新される。また、本明細書においては、改質器20の温度を反映した温度を単に「改質器の温度」と呼び、燃料電池セルユニット16の温度を反映した温度を単に「燃料電池セルユニットの温度」と呼んでいる。   First, in step S1 of FIG. 11, temperature detection values are read from the power generation chamber temperature sensor 142 and the reformer temperature sensor 148 which are temperature detection means. Here, the first detected temperature, which is the temperature read from the reformer temperature sensor 148, is a temperature reflecting the temperature of the reformer 20, and corresponds to the reformer temperature in FIG. Further, the second detected temperature, which is the temperature read from the power generation chamber temperature sensor 142, reflects the temperature of the fuel cell stack 14 composed of the plurality of fuel cell units 16, and the cell stack temperature in FIG. The corresponding temperature. The cell stack temperature and the reformer temperature are sequentially read and updated to new values during execution of the flowchart of FIG. Further, in this specification, the temperature reflecting the temperature of the reformer 20 is simply referred to as “reformer temperature”, and the temperature reflecting the temperature of the fuel cell unit 16 is simply referred to as “temperature of the fuel cell unit”. "

次に、ステップS2においては、セルスタック温度及び改質器温度が、SR1移行条件に到達しているか否かが判断される。即ち、改質器温度が650℃以上であり、且つセルスタック温度が600℃以上である場合には、SR1移行条件が満足されたと判断し、ステップS3に進む。また、SR1移行条件が満足されていない場合には、図11に示すフローチャートの1回の処理が終了し、ATR2工程が継続される。以後、図11のフローチャートは、SR1移行条件が満足されるまで、所定の時間間隔で実行される。   Next, in step S2, it is determined whether or not the cell stack temperature and the reformer temperature have reached the SR1 transition condition. That is, when the reformer temperature is 650 ° C. or higher and the cell stack temperature is 600 ° C. or higher, it is determined that the SR1 transition condition is satisfied, and the process proceeds to step S3. If the SR1 transition condition is not satisfied, the one-time process of the flowchart shown in FIG. 11 is terminated, and the ATR2 process is continued. Thereafter, the flowchart of FIG. 11 is executed at predetermined time intervals until the SR1 transition condition is satisfied.

一方、ステップS2においてSR1移行条件が満足され、ステップS3に進むと、ステップS3においては、SR1工程における条件の運転が実行される(図9における「SR1」工程参照)。次に、ステップS4においては、改質器温度がSR2強制移行温度である700℃(図9「SR1」欄における四角囲いの温度条件)に到達しているか否かが判断される。改質器温度がSR2強制移行温度に到達している場合にはステップS6に進み、到達していない場合にはステップS5に進む。   On the other hand, when the SR1 transition condition is satisfied in step S2 and the process proceeds to step S3, the operation of the condition in the SR1 process is executed in step S3 (see the “SR1” process in FIG. 9). Next, in step S4, it is determined whether or not the reformer temperature has reached the SR2 forced transition temperature of 700 ° C. (temperature condition in a square box in the “SR1” column in FIG. 9). If the reformer temperature has reached the SR2 forced transition temperature, the process proceeds to step S6, and if not, the process proceeds to step S5.

ステップS5においては、セルスタック温度及び改質器温度が、SR2移行条件に到達しているか否かが判断される。即ち、改質器温度が650℃以上であり、且つセルスタック温度が650℃以上である場合には、SR2移行条件が満足されたと判断し、ステップS7に進む。また、SR2移行条件が満足されていない場合には、ステップS3に戻る。このため、SR1移行条件が満足された後、SR2移行条件(セルスタック温度650℃以上)が満足されるまでの間は、ステップS3→ステップS4→ステップS5→ステップS3の処理が繰り返される。一方、SR1移行条件が満足された後、セルスタック温度が650℃に到達する前に、改質器温度がSR2強制移行温度である700℃に到達した場合には、ステップS4→ステップS6と進み、強制的にSR2工程が開始される。即ち、制御部に内蔵された過昇温判断手段110bが、過昇温であると判断し、強制的にSR2工程に移行される。   In step S5, it is determined whether or not the cell stack temperature and the reformer temperature have reached the SR2 transition condition. That is, when the reformer temperature is 650 ° C. or higher and the cell stack temperature is 650 ° C. or higher, it is determined that the SR2 transition condition is satisfied, and the process proceeds to step S7. If the SR2 transition condition is not satisfied, the process returns to step S3. For this reason, after the SR1 transition condition is satisfied, until the SR2 transition condition (cell stack temperature of 650 ° C. or higher) is satisfied, the process of step S3 → step S4 → step S5 → step S3 is repeated. On the other hand, if the reformer temperature reaches 700 ° C. which is the SR2 forced transition temperature before the cell stack temperature reaches 650 ° C. after the SR1 transition condition is satisfied, the process proceeds from step S4 to step S6. The SR2 process is forcibly started. That is, the excessive temperature rise determination means 110b built in the control unit determines that the temperature is excessively high, and the process is forcibly shifted to the SR2 step.

なお、上述した図7のタイムチャートにおいては、改質器温度がSR2強制移行温度に到達する前に、セルスタック温度が650℃に到達しているので、ステップS5→ステップS7の経路でSR2工程が開始されている。一方、上述した図10のタイムチャートにおいては、セルスタック温度が650℃に到達する前に、改質器温度がSR2強制移行温度に到達しているので、ステップS6→ステップS7の経路でSR2工程が開始されている。   In the time chart of FIG. 7 described above, since the cell stack temperature has reached 650 ° C. before the reformer temperature reaches the SR2 forced transition temperature, the SR2 process is performed in the path from step S5 to step S7. Has been started. On the other hand, in the time chart of FIG. 10 described above, since the reformer temperature has reached the SR2 forced transition temperature before the cell stack temperature reaches 650 ° C., the SR2 process is performed in the path from step S6 to step S7. Has been started.

ステップS7においては、SR2工程における条件の運転が実行される(図9における「SR2」工程参照)。次に、ステップS8においては、SR2工程において設定されている燃料供給量、発電用空気供給量、水供給量が安定して得られているか否かが判断される。即ち、SR1工程における各供給量からSR2工程において設定されている各供給量に変更され、変更後の各供給量が安定して得られるまでには一定の時間を要し、ステップS8においては各供給量が安定して得られているか否かが判断される。本実施形態においては、ステップS7実行後の経過時間に基づいて各供給量が安定しているか否かが判断され、所定の時間が経過するまでステップS8の処理が繰り返される。   In step S7, the driving | running of the conditions in SR2 process is performed (refer "SR2" process in FIG. 9). Next, in step S8, it is determined whether or not the fuel supply amount, power generation air supply amount, and water supply amount set in the SR2 step are stably obtained. That is, the supply amount in the SR1 process is changed to each supply amount set in the SR2 process, and it takes a certain time until each supply amount after the change is stably obtained. It is determined whether the supply amount is stably obtained. In the present embodiment, it is determined whether or not each supply amount is stable based on the elapsed time after execution of step S7, and the process of step S8 is repeated until a predetermined time elapses.

所定の時間が経過するとステップS9に進み、燃料電池モジュール2からの微弱電力の取り出しが開始される。この微弱電力は、インバータ54に出力されるものではなく、補機ユニット4を作動させるための電力の一部として利用される。このように、起動工程中において燃料電池モジュール2から昇温用の微弱電力を取り出すことにより、各燃料電池セルユニット16は発電熱により加熱される。この発電熱は、燃料電池セルユニット16の低温部分を主に加熱するので、各燃料電池セルユニット16の温度分布を均一に近づける。また、燃料電池モジュール2内において、改質器20の温度が適正温度よりも高く、各燃料電池セルユニット16の温度が適正温度よりも低い場合には、微弱電力の取り出しにより各燃料電池セルユニット16の温度が上昇し、燃料電池セルスタック14の温度が改質器20の温度に近づく。従って、微弱電力の取り出しを行うステップS9は、燃料電池モジュール2内の温度を均一に近づける温度均一化手段として作用する。   When the predetermined time has elapsed, the process proceeds to step S9, and the extraction of the weak power from the fuel cell module 2 is started. This weak power is not output to the inverter 54 but is used as a part of power for operating the auxiliary machine unit 4. In this way, by extracting the weak power for raising temperature from the fuel cell module 2 during the startup process, each fuel cell unit 16 is heated by the generated heat. Since this generated heat mainly heats the low temperature portion of the fuel cell unit 16, the temperature distribution of each fuel cell unit 16 is made to be uniform. Further, in the fuel cell module 2, when the temperature of the reformer 20 is higher than the appropriate temperature and the temperature of each fuel cell unit 16 is lower than the appropriate temperature, each fuel cell unit is extracted by taking out weak electric power. 16 rises, and the temperature of the fuel cell stack 14 approaches the temperature of the reformer 20. Therefore, step S9 for taking out the weak power acts as a temperature uniformizing means for bringing the temperature in the fuel cell module 2 close to uniform.

次に、ステップS10においては、加減算値の積算処理が開始される。この加減算値は、後述するように、発電室温度センサ142による検出温度に基づいて決定され、加減算値を積算することにより断熱材7への蓄熱量が推定される。   Next, in step S10, addition / subtraction value integration processing is started. As will be described later, the addition / subtraction value is determined based on the temperature detected by the power generation chamber temperature sensor 142, and the heat storage amount to the heat insulating material 7 is estimated by integrating the addition / subtraction value.

次いで、ステップS11においては、ステップS10において積算処理が開始された後、所定の発電移行時間である2分間経過したか否かが判断される。所定の発電移行時間が経過するまではステップS11の処理が繰り返される。   Next, in step S11, after the integration process is started in step S10, it is determined whether or not a predetermined power generation transition time of 2 minutes has elapsed. Until the predetermined power generation transition time elapses, the process of step S11 is repeated.

積算処理開始後、発電移行時間が経過すると、ステップS12に進み、ステップS12においては、セルスタック温度及び改質器温度が、発電移行条件に到達しているか否かが判断される。即ち、改質器温度が発電移行閾値温度である650℃以上であり、且つセルスタック温度が発電移行閾値温度である700℃以上である場合には、発電移行条件が満足されたと判断し、ステップS13に進む。また、発電移行条件が満足されていない場合には、ステップS14に進む。   When the power generation transition time elapses after the integration process starts, the process proceeds to step S12. In step S12, it is determined whether or not the cell stack temperature and the reformer temperature have reached the power generation transition condition. That is, when the reformer temperature is 650 ° C. or more which is the power generation transition threshold temperature and the cell stack temperature is 700 ° C. or more which is the power generation transition threshold temperature, it is determined that the power generation transition condition is satisfied, Proceed to S13. Moreover, when the power generation transfer condition is not satisfied, the process proceeds to step S14.

次に、ステップS14においては、改質器温度が発電強制移行温度である720℃に到達しているか否かが判断される(図9「SR2」欄における四角囲いの温度条件)。改質器温度が発電強制移行温度に到達している場合にはステップS15に進み、発電強制移行温度に到達していない場合にはステップS12に戻る。従って、ステップS11において発電移行時間が経過した後、発電移行条件が満足され、又は改質器温度が発電強制移行温度に到達するまでの間は、ステップS12→ステップS14→ステップS12の処理が繰り返される。   Next, in step S14, it is determined whether or not the reformer temperature has reached the power generation forced transition temperature of 720 ° C. (temperature condition in a square box in the “SR2” column in FIG. 9). If the reformer temperature has reached the power generation forced transition temperature, the process proceeds to step S15. If the reformer temperature has not reached the power generation forced transition temperature, the process returns to step S12. Therefore, after the power generation transition time has elapsed in step S11, the process of step S12 → step S14 → step S12 is repeated until the power generation transition condition is satisfied or the reformer temperature reaches the power generation forced transition temperature. It is.

なお、上述した図7のタイムチャートにおいては、改質器温度が発電強制移行温度に到達する前に、セルスタック温度が700℃に到達しているので、ステップS12→ステップS13の経路で発電工程が開始されている。一方、上述した図10のタイムチャートにおいては、セルスタック温度が700℃に到達する前に、改質器温度が発電強制移行温度に到達しているので、ステップS14→ステップS15の経路で発電工程が開始されている。   In the time chart of FIG. 7 described above, since the cell stack temperature reaches 700 ° C. before the reformer temperature reaches the power generation forced transition temperature, the power generation process takes place along the path from step S12 to step S13. Has been started. On the other hand, in the time chart of FIG. 10 described above, since the reformer temperature has reached the power generation forced transition temperature before the cell stack temperature reaches 700 ° C., the power generation process follows the path from step S14 to step S15. Has been started.

ステップS12において発電移行条件が満足されるとステップS13に進み、ステップS13においては、通常の発電工程が開始される。一方、ステップS14において改質器温度が発電強制移行温度に到達した場合には、セルスタック温度が発電移行閾値温度に到達していなくてもステップS15に進み、発電工程に強制的に移行される。即ち、制御部に内蔵された過昇温判断手段110bが、過昇温であると判断し、強制的に発電工程に移行される。発電工程を強制的に開始させるステップS15においては、断熱材7に蓄積された熱量を利用した高効率制御が実行される。具体的な高効率制御については後述する。   When the power generation transition condition is satisfied in step S12, the process proceeds to step S13, and in step S13, a normal power generation process is started. On the other hand, when the reformer temperature reaches the power generation forced transition temperature in step S14, the process proceeds to step S15 even if the cell stack temperature does not reach the power generation transition threshold temperature, and is forcibly shifted to the power generation process. . That is, the excessive temperature rise determination means 110b built in the control unit determines that the temperature is excessively high, and forcibly shifts to the power generation process. In step S15 for forcibly starting the power generation process, high-efficiency control using the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7 is executed. Specific high-efficiency control will be described later.

次に、図12乃至図15を参照して、燃料電池モジュールに供給される熱量及び蓄熱量の推定を説明する。
図12は、本実施形態の固体酸化物型燃料電池1における出力電流と燃料供給量の関係を示すグラフである。図13は、固体酸化物型燃料電池1における出力電流と、供給された燃料により発生する熱量の関係を示すグラフである。
Next, the estimation of the amount of heat and the amount of heat stored in the fuel cell module will be described with reference to FIGS.
FIG. 12 is a graph showing the relationship between the output current and the fuel supply amount in the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment. FIG. 13 is a graph showing the relationship between the output current in the solid oxide fuel cell 1 and the amount of heat generated by the supplied fuel.

まず、図12の実線に示すように、本実施形態の固体酸化物型燃料電池1は、需要電力に応じて、定格出力電力である700W(出力電流7A)以下で出力を可変できるように構成されている。所要の電力を出力するために必要とされる燃料供給量(L/min)は、図12に実線で示す基本燃料供給テーブルとして設定されている。制御手段である制御部110は、需要電力検出手段である電力状態検出センサ126によって検出された需要電力に応じて、基本燃料供給テーブルに基づいて燃料供給量を決定し、これに基づいて燃料供給手段である燃料流量調整ユニット38を制御するように構成されている。   First, as shown by the solid line in FIG. 12, the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment is configured so that the output can be varied at 700 W (output current 7 A) or less, which is the rated output power, according to the demand power. Has been. The fuel supply amount (L / min) required to output the required power is set as a basic fuel supply table indicated by a solid line in FIG. The control unit 110 serving as the control means determines the fuel supply amount based on the basic fuel supply table in accordance with the demand power detected by the power state detection sensor 126 serving as the demand power detection means, and supplies the fuel based on this. It is configured to control the fuel flow rate adjusting unit 38 as a means.

発電に必要な燃料の量は出力電力(出力電流)に比例するが、図12に実線で示すように、基本燃料供給テーブルに設定された燃料供給量は、出力電流に比例していない。これは、出力電力に比例して燃料供給量を低下させてしまうと、燃料電池モジュール2内の燃料電池セルユニット16を発電可能な温度に維持することができなくなるためである。このため、本実施形態においては、基本燃料供給テーブルは、出力電流7A付近の大発電電力時には燃料利用率約70%に設定され、出力電流2A程度の小発電電力時には燃料利用率約50%に設定されている。このように、小発電電力領域における燃料利用率を低下させ、発電に使用されずに残った残余燃料を燃焼させて改質器20等の加熱に使用することにより、燃料電池セルユニット16の温度低下を抑制し、燃料電池モジュール2内を発電可能な温度に維持している。   The amount of fuel required for power generation is proportional to the output power (output current), but as shown by the solid line in FIG. 12, the fuel supply amount set in the basic fuel supply table is not proportional to the output current. This is because if the fuel supply amount is reduced in proportion to the output power, the fuel cell unit 16 in the fuel cell module 2 cannot be maintained at a temperature at which power can be generated. For this reason, in the present embodiment, the basic fuel supply table is set to a fuel utilization rate of about 70% when the generated power is near the output current 7A, and is set to about 50% when the generated power is about 2A. Is set. Thus, the temperature of the fuel cell unit 16 is reduced by reducing the fuel utilization rate in the small power generation region and burning the remaining fuel that has not been used for power generation to heat the reformer 20 and the like. The decrease is suppressed, and the inside of the fuel cell module 2 is maintained at a temperature capable of generating power.

しかしながら、燃料利用率を低下させることにより、発電に寄与しない燃料を増加させることになるので、小発電電力領域における固体酸化物型燃料電池1のエネルギー効率が低下する。本実施形態の固体酸化物型燃料電池1においては、制御部110に内蔵された燃料テーブル変更手段110c(図6)が、所定の条件に応じて基本燃料供給テーブルに設定された燃料供給量を変更・補正して、燃料供給量を図12の破線に一例を示すように減少させ、小発電電力領域における燃料利用率が上昇される。これにより、固体酸化物型燃料電池1のエネルギー効率が向上される。   However, since the fuel that does not contribute to power generation is increased by reducing the fuel utilization rate, the energy efficiency of the solid oxide fuel cell 1 in the small power generation region is reduced. In the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment, the fuel table changing means 110c (FIG. 6) built in the control unit 110 sets the fuel supply amount set in the basic fuel supply table according to a predetermined condition. By changing / correcting, the fuel supply amount is decreased as shown by the broken line in FIG. 12, and the fuel utilization rate in the small power generation region is increased. Thereby, the energy efficiency of the solid oxide fuel cell 1 is improved.

図13は、本実施形態の固体酸化物型燃料電池1において、基本燃料供給テーブルに基づいて燃料を供給した場合における出力電流と、供給された燃料の熱量との関係を模式的に示すグラフである。図13に一点鎖線で示すように、燃料電池モジュール2を熱的に自立させ、安定に運転するために必要な熱量は、出力電流の増加と共に単調に増加する。図13に実線で示すグラフは、基本燃料供給テーブルに従って燃料が供給された場合における熱量を示している。本実施形態では、中発電電力に相当する出力電流5Aよりも低い領域では、一点鎖線で示す必要な熱量と、実線で示す基本燃料供給テーブルに基づいて供給される熱量がほぼ一致している。   FIG. 13 is a graph schematically showing the relationship between the output current and the amount of heat of the supplied fuel when the fuel is supplied based on the basic fuel supply table in the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment. is there. As indicated by a one-dot chain line in FIG. 13, the amount of heat necessary to make the fuel cell module 2 thermally independent and operate stably increases monotonically with an increase in output current. The graph shown by the solid line in FIG. 13 indicates the amount of heat when fuel is supplied according to the basic fuel supply table. In the present embodiment, in a region lower than the output current 5A corresponding to the medium generated power, the required amount of heat indicated by the alternate long and short dash line and the amount of heat supplied based on the basic fuel supply table indicated by the solid line substantially coincide.

さらに、出力電流5Aよりも高い領域では、基本燃料供給テーブルに従って供給される実線で示す熱量は、熱自立するために最低限必要な一点鎖線で示す熱量を上回っている。この実線と破線の間の余剰熱量は、燃料電池モジュール2に設けられた蓄熱材である断熱材7に蓄積される。また、固体酸化物型燃料電池1から大きな出力電流を取り出すと、燃料電池セルユニット16内部の発熱が大きくなり、燃料電池モジュール2内の温度が上昇する。このため、固体酸化物型燃料電池1からの出力電流と、この電流を定常的に出力している場合における燃料電池モジュール2内の燃料電池セルユニット16の温度とは相関があり、出力電流が大きい状態では燃料電池セルユニット16の温度は高い状態にある。本実施形態においては、出力電流5Aは、蓄熱温度Thである約633℃に対応している。従って、本実施形態の固体酸化物型燃料電池1では、出力電流5A、蓄熱温度Th=約633℃以上の場合において、より多くの熱量が断熱材7に蓄積される。   Further, in a region higher than the output current 5A, the amount of heat indicated by the solid line supplied in accordance with the basic fuel supply table exceeds the amount of heat indicated by the one-dot chain line necessary for heat self-sustainment. The surplus heat amount between the solid line and the broken line is accumulated in the heat insulating material 7 that is a heat storage material provided in the fuel cell module 2. Further, when a large output current is taken out from the solid oxide fuel cell 1, heat generation in the fuel cell unit 16 increases, and the temperature in the fuel cell module 2 rises. For this reason, there is a correlation between the output current from the solid oxide fuel cell 1 and the temperature of the fuel cell unit 16 in the fuel cell module 2 when this current is constantly output, and the output current is In a large state, the temperature of the fuel cell unit 16 is high. In the present embodiment, the output current 5A corresponds to about 633 ° C. which is the heat storage temperature Th. Therefore, in the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment, a larger amount of heat is accumulated in the heat insulating material 7 when the output current is 5 A and the heat storage temperature Th is about 633 ° C. or higher.

この蓄熱温度Thは、発電電力範囲である0W〜700Wの中央値である350Wよりも大きい500W(出力電流5A)に対応する温度に設定されている。また、出力電流5A以下の領域においては、基本燃料供給テーブルに基づいて供給される熱量は、熱自立するために最低限必要な熱量とほぼ同一(僅かに基本燃料供給テーブルの熱量が大きい)に設定されている。このため、図13の破線に一例を示すように、基本燃料供給テーブルによる燃料供給量が補正され、燃料供給量が減少されると、熱的に自立するために必要な熱量が不足する。   This heat storage temperature Th is set to a temperature corresponding to 500 W (output current 5 A) that is larger than 350 W, which is the median value of 0 W to 700 W that is the generated power range. In the region where the output current is 5 A or less, the amount of heat supplied based on the basic fuel supply table is substantially the same as the minimum amount of heat necessary for heat self-sustainment (the amount of heat of the basic fuel supply table is slightly larger). Is set. For this reason, as shown by an example of the broken line in FIG. 13, when the fuel supply amount by the basic fuel supply table is corrected and the fuel supply amount is reduced, the amount of heat necessary for thermal independence is insufficient.

本実施形態においては、後述するように、発電電力が小さい領域において、基本燃料供給テーブルで設定された燃料供給量を一時的に減少させるように補正して、燃料利用率を向上させる。一方、基本燃料供給テーブルの燃料供給量を減少させたことにより不足する熱量は、燃料電池モジュール2が蓄熱温度Thよりも高い領域で運転されている間に断熱材7に蓄積された熱量を利用して補充している。なお、本実施形態においては、断熱材7の熱容量が非常に大きいため、燃料電池モジュール2が大発電電力で所定時間運転された後、発電電力が小さい領域で運転される場合には、断熱材7に蓄積された熱量を2時間以上に亘って利用することができ、この間の燃料供給量を減じる補正を行うことにより燃料利用率が向上される。   In the present embodiment, as will be described later, in a region where the generated power is small, the fuel supply rate set in the basic fuel supply table is corrected so as to be temporarily reduced to improve the fuel utilization rate. On the other hand, the amount of heat that is deficient by reducing the fuel supply amount of the basic fuel supply table uses the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7 while the fuel cell module 2 is operated in a region higher than the heat storage temperature Th. And replenished. In this embodiment, since the heat capacity of the heat insulating material 7 is very large, the heat insulating material is operated when the fuel cell module 2 is operated in a region where the generated power is small after being operated for a predetermined time with large generated power. The amount of heat stored in 7 can be used for 2 hours or more, and the fuel utilization rate is improved by performing correction to reduce the fuel supply amount during this period.

また、本実施形態においては、出力電流5A、蓄熱温度Th=約633℃以上の場合において、より多くの熱量が断熱材7に蓄積されるように基本燃料供給テーブルが設定されているが、出力電流5A以上の領域においても熱自立するために最低限必要な熱量とほぼ同一(僅かに基本燃料供給テーブルの熱量が大きい)に基本燃料供給テーブルを設定することもできる。即ち、発電電力が大きい領域においては、燃料電池モジュール2の作動温度は、発電電力が小さい場合よりも高いので、燃料供給量が熱自立のための必要最低限の熱量に設定されていても、小発電電力時に利用可能な熱量を断熱材7に蓄積することができる。本実施形態のように、大発電電力時に積極的に燃料供給量を多く設定しておくことにより、電力需要がピークとなる夜間帯の短時間で断熱材7に必要な熱量を確実に蓄積させることができる。   In the present embodiment, the basic fuel supply table is set so that more heat is accumulated in the heat insulating material 7 when the output current is 5A and the heat storage temperature Th is about 633 ° C. or higher. Even in the region where the current is 5 A or more, the basic fuel supply table can be set to be substantially the same as the minimum amount of heat necessary for heat self-sustainment (the amount of heat of the basic fuel supply table is slightly larger). That is, in the region where the generated power is large, the operating temperature of the fuel cell module 2 is higher than when the generated power is small, so even if the fuel supply amount is set to the minimum heat amount necessary for heat self-sustaining, The amount of heat available at the time of small power generation can be stored in the heat insulating material 7. As in this embodiment, by actively setting a large amount of fuel supply at the time of large power generation, the amount of heat necessary for the heat insulating material 7 can be reliably accumulated in a short period of time during the night when power demand peaks. be able to.

次に、図14及び図15を参照して、断熱材7等に蓄積されている蓄熱量の推定を具体的に説明する。
図14は、断熱材7に蓄積された熱量を推定するために使用される蓄熱量推定テーブルである。図15は、蓄熱量推定テーブルをグラフ化したものである。
Next, with reference to FIG.14 and FIG.15, estimation of the heat storage amount accumulate | stored in the heat insulating material 7 grade | etc., Is demonstrated concretely.
FIG. 14 is a heat storage amount estimation table used for estimating the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7. FIG. 15 is a graph of the heat storage amount estimation table.

蓄熱量の推定は、制御部110に内蔵されている蓄熱量推定手段110a(図6)により実行される。蓄熱量推定手段110aは、燃料供給量、水供給量、及び発電用空気供給量が夫々「SR2」工程における所定の流量に到達した時刻t29(図10)の後、蓄熱量の推定を開始する。即ち、蓄熱量推定手段110aは、温度検出手段である発電室温度センサ142の検出温度Tdに基づいて、図14に示す蓄熱量推定テーブルを参照し、加減算値を決定する。この加減算値は、所定の時間間隔で決定され、順次積算されて積算値Niが計算される。本実施形態においては、0.5secに1回ずつ積算が実行される。 The estimation of the heat storage amount is executed by the heat storage amount estimation means 110a (FIG. 6) built in the control unit 110. The heat storage amount estimation means 110a starts estimation of the heat storage amount after time t 29 (FIG. 10) when the fuel supply amount, the water supply amount, and the power generation air supply amount respectively reach predetermined flow rates in the “SR2” process. To do. That is, the heat storage amount estimation unit 110a determines the addition / subtraction value with reference to the heat storage amount estimation table shown in FIG. 14 based on the detected temperature Td of the power generation chamber temperature sensor 142 which is a temperature detection unit. The addition / subtraction values are determined at predetermined time intervals, and are sequentially integrated to calculate the integrated value Ni. In this embodiment, integration is performed once every 0.5 sec.

このような積算値Niは、燃料電池モジュール2や発電室10内の温度の推移・履歴を反映するものであり、断熱材7等に蓄積されている蓄熱量の程度を示す指標となる値である。この積算値Niは、蓄熱最小値である0から蓄熱最大値である1の間の値を取るように計算される。即ち、積算値Niが1に到達した場合には、値は次に減算が行われるまで1に保持され、積算値Niが0まで減少した場合には、値は次に加算が行われるまで0に保持される。また、本実施形態においては、図10の時刻t29において積算値Niの積算を開始する際、蓄熱最小値と蓄熱最大値の中間値である0.5よりも大きい0.7を積算値Niの初期値として積算が開始される。この初期値は、「SR1」工程までの起動工程において最低限蓄積されていると考えられる蓄熱量に相当する値である。 Such an integrated value Ni reflects a transition / history of the temperature in the fuel cell module 2 and the power generation chamber 10, and is a value serving as an index indicating the degree of the heat storage amount accumulated in the heat insulating material 7 or the like. is there. This integrated value Ni is calculated so as to take a value between 0 which is the minimum heat storage value and 1 which is the maximum heat storage value. That is, when the integrated value Ni reaches 1, the value is held at 1 until the next subtraction, and when the integrated value Ni decreases to 0, the value is 0 until the next addition is performed. Retained. In the present embodiment, when starting the integration of the integrated value Ni at time t 29 in FIG. 10, the integrated value Ni 0.7 greater than 0.5 which is an intermediate value of the heat storage minimum heat storage maximum value Integration is started as an initial value of. This initial value is a value corresponding to a heat storage amount that is considered to be accumulated at a minimum in the startup process up to the “SR1” process.

本明細書においては、本実施形態における積算値Niのように、蓄熱量の程度を示す指標となる値が蓄熱量の推定値であるとする。従って、本実施形態においては、燃料電池モジュール2の温度に基づいて蓄熱量が推定される。   In the present specification, it is assumed that a value serving as an index indicating the degree of the heat storage amount is an estimated value of the heat storage amount, like the integrated value Ni in the present embodiment. Therefore, in this embodiment, the heat storage amount is estimated based on the temperature of the fuel cell module 2.

図14に示すように、例えば、検出温度Tdが645℃である場合には、加減算値は1/50000に決定される。決定された加減算値は、積算値Niに加算される。従って、検出温度Tdが645℃で一定の場合には、0.5secに1回ずつ1/50000の値が積算され、積算値Niが増加する。   As shown in FIG. 14, for example, when the detected temperature Td is 645 ° C., the addition / subtraction value is determined to be 1/50000. The determined addition / subtraction value is added to the integrated value Ni. Therefore, when the detected temperature Td is constant at 645 ° C., the value of 1/50000 is integrated once every 0.5 sec, and the integrated value Ni increases.

図14及び図15に示すように、本実施形態においては、積算は、検出温度Tdが変更基準温度Tcrである635℃よりも高い場合には加算が行われ、低い場合には減算が行われる。即ち、検出温度Tdが変更基準温度Tcrよりも高い場合には、断熱材7等に燃料利用率の向上に利用可能な熱量が蓄積され、変更基準温度Tcrよりも低い場合には、断熱材7等に蓄積されている熱が奪われると仮定して、積算値Niが計算される。換言すれば、積算値Niは、検出温度Tdの変更基準温度Tcrに対する温度偏差の時間積分に対応し、この積算値Niに基づいて蓄熱量が推定される。   As shown in FIGS. 14 and 15, in this embodiment, the integration is performed when the detected temperature Td is higher than 635 ° C., which is the change reference temperature Tcr, and is subtracted when the detected temperature Td is lower. . That is, when the detected temperature Td is higher than the changed reference temperature Tcr, the amount of heat that can be used for improving the fuel utilization rate is accumulated in the heat insulating material 7 or the like, and when it is lower than the changed reference temperature Tcr, the heat insulating material 7 is used. The integrated value Ni is calculated assuming that the heat accumulated in etc. is taken away. In other words, the integrated value Ni corresponds to the time integration of the temperature deviation of the detected temperature Td with respect to the change reference temperature Tcr, and the heat storage amount is estimated based on the integrated value Ni.

さらに、図14及び図15に示すように検出温度Tdが580℃よりも低い場合には加減算値は20/50000に決定され、この値が蓄熱量推定手段110aにより積算値Niから減算される。また、検出温度Tdが580℃以上、620℃未満の場合には積算値Niから10/50000×(620−Td)/(620−580)が減算される。検出温度Tdが620℃以上、630℃未満の場合には積算値Niから1/50000が減算される。   Further, as shown in FIGS. 14 and 15, when the detected temperature Td is lower than 580 ° C., the addition / subtraction value is determined to be 20/50000, and this value is subtracted from the integrated value Ni by the heat storage amount estimation means 110a. When the detected temperature Td is not less than 580 ° C. and less than 620 ° C., 10/50000 × (620−Td) / (620−580) is subtracted from the integrated value Ni. When the detected temperature Td is 620 ° C. or higher and lower than 630 ° C., 1 / 50,000 is subtracted from the integrated value Ni.

一方、検出温度Tdが650℃以上の場合には、積算値Niに1/50000×(Td−650)が加算される。また、検出温度Tdが640℃以上、650℃未満の場合には積算値Niに1/50000が加算される。   On the other hand, when the detected temperature Td is 650 ° C. or higher, 1/50000 × (Td−650) is added to the integrated value Ni. When the detected temperature Td is 640 ° C. or higher and lower than 650 ° C., 1 / 50,000 is added to the integrated value Ni.

さらに、検出温度Tdが630〜640℃の間では、検出温度Tdが上昇傾向にある場合と、低下傾向にある場合で処理が異なる。
即ち、検出温度Tdが630℃以上、632℃未満の場合、検出温度Tdが上昇傾向にある場合には加算値は0(加減算を行わない)にされ、低下傾向にある場合には1/50000が減算される。このように、検出温度Tdが変更基準温度Tcrよりも低く、それらの差が微少偏差温度である5℃以下である場合においては、検出温度Tdが低下傾向にあるときは、上昇傾向にあるときよりも急激に積算値Niを減少させる。ここで、断熱材7等は熱容量が非常に大きく、検出温度Tdが一旦低下傾向に入ると、しばらくの間温度が低下し続けることが予想される。従って、このような状況においては、速やかに積算値Niを減少させて、燃料電池モジュール2に著しい温度低下が発生するリスクを回避する必要がある。
Furthermore, when the detected temperature Td is between 630 and 640 ° C., the processing differs depending on whether the detected temperature Td is increasing or decreasing.
That is, when the detected temperature Td is 630 ° C. or higher and lower than 632 ° C., the added value is set to 0 (no addition / subtraction) when the detected temperature Td tends to increase, and 1 / 50,000 when the detected temperature Td tends to decrease. Is subtracted. As described above, when the detected temperature Td is lower than the change reference temperature Tcr and the difference between them is 5 ° C. or less which is a minute deviation temperature, when the detected temperature Td tends to decrease, the detected temperature Td tends to increase The integrated value Ni is decreased more rapidly than. Here, the heat insulating material 7 or the like has a very large heat capacity, and once the detected temperature Td starts to decrease, it is expected that the temperature will continue to decrease for a while. Therefore, in such a situation, it is necessary to quickly reduce the integrated value Ni to avoid the risk of a significant temperature drop in the fuel cell module 2.

一方、検出温度Tdが638℃以上、640℃未満の場合、検出温度Tdが上昇傾向にある場合には1/50000が加算され、低下傾向にある場合には加算値は0(加減算を行わない)にされる。上記のように、断熱材7等は熱容量が非常に大きく、検出温度Tdが一旦上昇傾向に入るとしばらくの間温度が上昇し続けることが予想される。従って、このような状況においては、速やかに積算値Niを増加させる。   On the other hand, when the detected temperature Td is not less than 638 ° C. and less than 640 ° C., 1/50000 is added when the detected temperature Td tends to increase, and the added value is 0 (not added or subtracted) when the detected temperature Td tends to decrease ). As described above, the heat insulating material 7 and the like have a very large heat capacity, and once the detected temperature Td starts to rise, it is expected that the temperature will continue to rise for a while. Therefore, in such a situation, the integrated value Ni is quickly increased.

また、検出温度Tdが632℃以上、638℃未満の場合には、検出温度Tdが変更基準温度Tcrである635℃近傍にあり、安定しているとみなして、検出温度Tdの傾向にかかわらず加算値を0(加減算を行わない)として現在の状態を維持させる。
なお、上述した実施形態においては、発電室温度センサ142の検出温度Tdに基づいて加減算値が決定されていたが、改質器温度センサ148の検出温度に基づいて加減算値を決定し、蓄熱量を推定することもできる。この場合には、改質器温度センサ148が温度検出手段として機能する。
When the detected temperature Td is 632 ° C. or higher and lower than 638 ° C., the detected temperature Td is in the vicinity of 635 ° C., which is the change reference temperature Tcr, and is considered to be stable, regardless of the tendency of the detected temperature Td. The current state is maintained by setting the addition value to 0 (no addition / subtraction is performed).
In the above-described embodiment, the addition / subtraction value is determined based on the detection temperature Td of the power generation chamber temperature sensor 142. However, the addition / subtraction value is determined based on the detection temperature of the reformer temperature sensor 148, and the amount of stored heat. Can also be estimated. In this case, the reformer temperature sensor 148 functions as temperature detection means.

次に、発電工程開始時における燃料電池モジュール2の制御を説明する。
蓄熱量推定手段110aは、上記のようにして決定された加減算値の積算を、SR2工程開始時(図10の時刻t29、図11のステップS10)から開始し、少なくとも所定の発電移行時間に亘って積算を行った後、発電工程に移行される。また、制御部110は、過昇温判断手段110bが起動工程中に過昇温があったことを判定し、断熱材7に利用可能な熱量が蓄積されている場合には、過昇温がない場合よりも燃料供給量を減少させた高効率運転で発電工程を開始する(図11のステップS15)。本実施形態において、過昇温判断手段110bは、起動工程中に、改質器温度がSR2強制移行温度を超えることによりSR2工程へ強制的に移行した場合(図11のステップS4→S6)、又は改質器温度が発電強制移行温度を超えることにより発電工程に強制的に移行した場合(図11のステップS14→S15)、過昇温があったと判定する。また、蓄熱量推定手段110aによって計算された積算値Niが0でない場合、断熱材7に利用可能な熱量が蓄積されていると判断される。
Next, control of the fuel cell module 2 at the start of the power generation process will be described.
Heat storage amount estimating means 110a is the integration of the subtraction value determined as described above, (time t 29 in FIG. 10, step S10 in FIG. 11) SR2 step start starts from, at least a predetermined transition time electrical generation After the integration is performed, the process proceeds to the power generation process. In addition, the controller 110 determines that the excessive temperature rise determination unit 110b has caused an excessive temperature increase during the startup process, and if the amount of heat available in the heat insulating material 7 is accumulated, The power generation process is started with high-efficiency operation in which the fuel supply amount is reduced as compared with the case where there is no fuel (step S15 in FIG. 11). In the present embodiment, the excessive temperature rise determination unit 110b, during the start-up process, when the reformer temperature forcibly shifts to the SR2 process by exceeding the SR2 forced transition temperature (steps S4 to S6 in FIG. 11), Alternatively, when the reformer temperature forcibly shifts to the power generation process by exceeding the power generation forced transition temperature (steps S14 to S15 in FIG. 11), it is determined that an excessive temperature rise has occurred. In addition, when the integrated value Ni calculated by the heat storage amount estimation unit 110a is not 0, it is determined that the heat amount usable in the heat insulating material 7 is accumulated.

なお、起動工程中における改質器温度の時間当たりの上昇率や、改質器温度が第1の温度から第2の温度まで上昇する間の時間等に基づいて過昇温を判定するように過昇温判断手段110bを構成することもできる。   Note that the excessive temperature rise is determined based on the rate of increase of the reformer temperature per time during the startup process, the time during which the reformer temperature rises from the first temperature to the second temperature, and the like. The excessive temperature rise determination means 110b can also be configured.

高効率運転においては、図13に示す基本燃料供給テーブルにより設定されている燃料供給量よりも少ない燃料によって発電が行われ、燃料利用率が向上される。即ち、高効率運転においては、需要電力に応じて基本燃料供給テーブルにより決定された燃料供給量を減少させる減量補正が実行される。燃料供給量を減少させる補正量は推定された熱量に応じて決定され、積算値Niが大きいほど大幅な減量補正が実行される。この減量補正により、供給される燃料の熱量は、燃料電池モジュール2が熱自立するために必要な熱量を下回るが、不足した熱量は断熱材7等に蓄積された熱により補充される。断熱材7等に蓄積された熱が利用されることにより、固体酸化物型燃料電池1の総合的なエネルギー効率が向上されると共に、断熱材7等の温度が低下するため、過昇温の状態が解消される。   In the high-efficiency operation, power generation is performed with fuel less than the fuel supply amount set by the basic fuel supply table shown in FIG. 13, and the fuel utilization rate is improved. That is, in high-efficiency operation, a reduction correction that reduces the fuel supply amount determined by the basic fuel supply table in accordance with the demand power is executed. The correction amount for decreasing the fuel supply amount is determined according to the estimated heat amount, and the greater the integrated value Ni, the more significant reduction correction is performed. By this reduction correction, the amount of heat of the supplied fuel is less than the amount of heat necessary for the fuel cell module 2 to become self-sustaining, but the insufficient amount of heat is supplemented by the heat accumulated in the heat insulating material 7 and the like. By utilizing the heat accumulated in the heat insulating material 7 and the like, the overall energy efficiency of the solid oxide fuel cell 1 is improved and the temperature of the heat insulating material 7 and the like is lowered. The condition is resolved.

高効率運転は、蓄熱量推定手段110aによって推定された利用可能な熱量がなくなるまで、即ち、積算値Niが0になるまで継続される。発電工程への移行時は、燃料電池モジュール2の運転が不安定になりやすく、急激な温度低下等が起こりやすい状態であるが、本実施形態においては、SR2工程中の発電移行時間に亘る積算によって蓄熱量を推定しているため、蓄熱量の推定精度が高く、このようなリスクは確実に回避される。   The high-efficiency operation is continued until there is no available heat amount estimated by the heat storage amount estimation unit 110a, that is, until the integrated value Ni becomes zero. At the time of transition to the power generation process, the operation of the fuel cell module 2 is likely to become unstable and a sudden temperature drop or the like is likely to occur. In this embodiment, however, the integration over the power generation transition time during the SR2 process Since the heat storage amount is estimated by the above, the estimation accuracy of the heat storage amount is high, and such a risk is surely avoided.

また、制御部110は、需要電力に応じて発電電力を最大定格出力電力である700W以下の電力範囲内で変更するように燃料電池モジュール2を制御するが、高効率運転で発電工程を開始する場合(図11のステップS15)には、需要電力に関わらず、電力範囲のうちの中間帯域以下に設定されている強制移行時上限電力で発電工程を開始する。起動工程中のSR2工程においては、燃料供給量は2.3(L/min)に維持されているが、この燃料供給量は、電力範囲内の中間帯域である約500Wの発電電力に対応するものである。制御部110は、高効率運転で発電工程を開始する場合には、燃料供給量がSR2工程よりも減少されるように、需要電力に関わらず発電電力を中間帯域に設定されている強制移行時上限電力以下に抑制する。従って、この強制移行時上限電力を超えて需要電力が増加した場合においても、発電電力は追従されずに強制移行時上限電力に維持される。なお、本明細書において、中間帯域の発電電力とは、定格出力電力の約20%〜70%程度の発電電力をいうものとする。また、本実施形態においては、強制移行時上限電力は、400Wに設定されている。   In addition, the control unit 110 controls the fuel cell module 2 to change the generated power within the power range of 700 W or less, which is the maximum rated output power, according to the demand power, but starts the power generation process with high efficiency operation. In the case (step S15 in FIG. 11), regardless of the demand power, the power generation process is started with the upper limit power at the time of forced transition set below the intermediate band in the power range. In the SR2 process during the start-up process, the fuel supply amount is maintained at 2.3 (L / min), but this fuel supply amount corresponds to the generated power of about 500 W, which is an intermediate band within the power range. Is. When the controller 110 starts the power generation process with high efficiency operation, the generated power is set to the intermediate band regardless of the demand power so that the fuel supply amount is reduced as compared with the SR2 process. Suppress below the upper limit power. Therefore, even when the demand power increases beyond the forced transition upper limit power, the generated power is not followed and is maintained at the forced transition upper limit power. In the present specification, the generated power in the intermediate band refers to generated power of about 20% to 70% of the rated output power. Moreover, in this embodiment, the upper limit power at the time of forced transition is set to 400W.

図12に示すように、電力範囲のうちの高発電電力帯域では、基本燃料供給テーブルにおいても燃料利用率が高く、発電に利用される部分以外の燃料を減少させる余地は少ない。このため、燃料供給量を減量補正したとしても、断熱材7に蓄積されている熱量はあまり消費されない。また、高発電電力帯域では、燃料電池モジュール2の作動温度が高いため(図13)、断熱材7に蓄積されている熱量を利用しにくい運転状態である。そこで、制御部110は、高効率運転で発電工程を開始する場合には、需要電力に関わらず、発電電力を中間帯域以下に抑制する。中間帯域以下の発電電力では、基本燃料供給テーブルにおける燃料利用率が低く、燃料電池モジュール2の作動温度が比較的低い。このため、高効率運転によって大幅に燃料供給量を減量補正することができ、断熱材7に蓄積されている熱量が消費されやすいため、過昇温の状態が速やかに解消される。   As shown in FIG. 12, in the high power generation band in the power range, the fuel utilization rate is high even in the basic fuel supply table, and there is little room for reducing fuel other than the portion used for power generation. For this reason, even if the fuel supply amount is corrected to decrease, the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7 is not consumed much. Further, in the high power generation band, since the operating temperature of the fuel cell module 2 is high (FIG. 13), it is an operation state in which it is difficult to use the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7. Therefore, when starting the power generation process with high efficiency operation, the control unit 110 suppresses the generated power to be equal to or lower than the intermediate band regardless of the demand power. With the generated power below the intermediate band, the fuel utilization rate in the basic fuel supply table is low, and the operating temperature of the fuel cell module 2 is relatively low. For this reason, the fuel supply amount can be corrected to be greatly reduced by high-efficiency operation, and the amount of heat stored in the heat insulating material 7 is easily consumed, so that the excessively high temperature state is quickly eliminated.

更に、高効率運転で発電工程を開始した場合(図11のステップS15)には、需要電力の増加に追従して燃料供給量を増加させる燃料変動ゲインを、通常運転時よりも30%低下させる。これにより、発電電力の需要電力に対する追従性が低下される。後述するように、発電電力の頻繁な増減は、発電に使用されずに燃焼室18内で燃焼される残余燃料を増加させるため、燃料電池モジュール2内の温度を上昇させる。発電電力の需要電力に対する追従性を低下させることにより、発電電力の増減が少なくなり、燃料電池モジュール2内の温度上昇を抑制することができる。   Furthermore, when the power generation process is started with high-efficiency operation (step S15 in FIG. 11), the fuel fluctuation gain that increases the fuel supply amount following the increase in demand power is reduced by 30% compared to that during normal operation. . Thereby, the followability with respect to the demand power of generated electric power is reduced. As will be described later, the frequent increase or decrease in the generated power increases the temperature in the fuel cell module 2 in order to increase the residual fuel that is burned in the combustion chamber 18 without being used for power generation. By reducing the followability of the generated power to the demand power, the increase or decrease in the generated power is reduced, and the temperature rise in the fuel cell module 2 can be suppressed.

次に、図16及び17を参照して、高効率運転による発電工程の作用を説明する。図16は、本実施形態による固体酸化物型燃料電池1の作用を概念的に示す図であり、図17は一般的な住宅における一日の需要電力の推移と、断熱材に蓄積される熱量の推移を模式的に示す図である。図16上段のグラフは、断熱材7に利用可能な熱量が蓄積されていない場合の作用を概念的に示すものであり、中段及び下段のグラフは、蓄積された熱量が少ない場合及び多い場合を夫々示している。図16上段のように、発電電力が大きく、燃料供給量の多い運転が短時間である場合には、断熱材7には利用可能な熱量が蓄積されないので、発電電力が減少した後の運転は、基本燃料供給テーブルに基づいて決定され、燃料利用率が高められることはない。一方、図16中段のように、発電電力が大きい運転が或る程度の時間行われた場合には、発電電力が減少した後の運転は、発電電力が大きい時に断熱材7に蓄積された熱量を利用して行われるので、断熱材7に利用可能な熱量が残存している間、燃料供給量が基本燃料供給テーブルよりも減少された高効率運転が行われる。これにより、中段のグラフの斜線を施した部分に相当する燃料が節約される。さらに、図16下段のように、発電電力が大きい運転が長時間行われた場合には、断熱材7には多量の熱量が蓄積されているので、より長い時間に亘って蓄積された熱量を利用した高効率運転が実行され、より多くの燃料が節約される。
次に、図17においては、住宅で使用される需要電力を実線で、固体酸化物型燃料電池1による発電電力を破線で、蓄熱量の指標となる積算値Niを一点鎖線で示している。
Next, with reference to FIGS. 16 and 17, the operation of the power generation process by high-efficiency operation will be described. FIG. 16 is a diagram conceptually showing the operation of the solid oxide fuel cell 1 according to the present embodiment, and FIG. 17 is a graph showing the daily demand power transition in a general house and the amount of heat accumulated in the heat insulating material. It is a figure which shows typically transition. The upper graph in FIG. 16 conceptually shows the operation when the heat quantity available in the heat insulating material 7 is not accumulated, and the middle and lower graphs show the cases where the accumulated heat quantity is small and large. Each shows. As shown in the upper part of FIG. 16, when the operation with a large amount of generated power and a large amount of fuel supply is performed for a short time, the amount of heat that can be used is not accumulated in the heat insulating material 7. It is determined based on the basic fuel supply table, and the fuel utilization rate is not increased. On the other hand, as shown in the middle of FIG. 16, when the operation with large generated power is performed for a certain period of time, the operation after the decrease in generated power is the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7 when the generated power is large. Therefore, while the amount of heat available in the heat insulating material 7 remains, a highly efficient operation in which the fuel supply amount is reduced as compared with the basic fuel supply table is performed. This saves fuel corresponding to the hatched portion of the middle graph. Further, as shown in the lower part of FIG. 16, when an operation with large generated power is performed for a long time, a large amount of heat is accumulated in the heat insulating material 7, so the amount of heat accumulated over a longer time is reduced. Utilized high efficiency operation is performed and more fuel is saved.
Next, in FIG. 17, the demand power used in a house is indicated by a solid line, the power generated by the solid oxide fuel cell 1 is indicated by a broken line, and the integrated value Ni serving as an index of the amount of stored heat is indicated by a one-dot chain line.

まず、家人が就寝中の時刻t40〜t41においては、住宅で使用される需要電力は少なく、時刻t41において家人が起床すると需要電力は増大する。これに伴い固体酸化物型燃料電池1の発電電力も増加し、需要電力のうち、燃料電池の定格電力を上回る電力については系統電力から供給される。また、家人が就寝中の6〜8時間程度は使用される電力が少ない状態が続いていたため、起床時t41においては、蓄熱量推定手段110bにより推定された蓄熱量(積算値Ni)は0又は非常に小さな値となっている。   First, at times t40 to t41 when the family is sleeping, the demand power used in the house is small, and the demand power increases when the family wakes up at time t41. Along with this, the generated power of the solid oxide fuel cell 1 also increases, and the power exceeding the rated power of the fuel cell is supplied from the grid power among the demand power. In addition, since the state where the electric power used is low for about 6 to 8 hours while the family is sleeping, the heat storage amount (integrated value Ni) estimated by the heat storage amount estimation unit 110b is 0 or at the wake-up time t41. The value is very small.

時刻t41において発電電力が増加し、燃料電池モジュール2が蓄熱温度Thよりも高い温度で運転されると、蓄熱量は次第に増加し、時刻t42において、積算値最大の1程度まで増加する。その後、時刻t43において家人が外出すると、需要電力は急激に減少する。このように、蓄熱量が変更実行蓄熱量以上である状態で発電電力が低下すると、燃料テーブル変更手段110aによる基本燃料供給テーブルの補正が実行され、小発電電力における燃料利用率が高められる。燃料利用率を高めた運転が行われると、断熱材7に蓄積された熱量が利用されるので、積算値Niも減少する。本実施形態においては、1〜3時間程度、燃料利用率を高めた運転を実行可能である。   When the generated power increases at time t41 and the fuel cell module 2 is operated at a temperature higher than the heat storage temperature Th, the amount of heat storage gradually increases, and increases to about 1 which is the maximum integrated value at time t42. Thereafter, when the householder goes out at time t43, the power demand decreases rapidly. As described above, when the generated power decreases in a state where the heat storage amount is equal to or greater than the change execution heat storage amount, the basic fuel supply table is corrected by the fuel table changing unit 110a, and the fuel utilization rate in the small power generation is increased. When the operation with an increased fuel utilization rate is performed, the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7 is used, so the integrated value Ni also decreases. In the present embodiment, it is possible to perform an operation with an increased fuel utilization rate for about 1 to 3 hours.

次いで、時刻t44において家人が帰宅すると、再び需要電力が増加する。積算値Niは、時刻t44における需要電力の増加から遅れて増大し(時刻t44〜t45)、再び最大値に到達する。次いで、時刻t46において家人が就寝し、需要電力が低下した後、燃料利用率を高めた運転が行われる(時刻t46以降)。
住宅における需要電力がこのように推移した場合には、断熱材7に蓄積された熱量を利用した燃料利用率を高めた運転が一日に2回行われる。この燃料利用率を高めた運転期間は、発電電力が少ない期間の20〜50%にも及び、固体酸化物型燃料電池1の総合的なエネルギー効率を大きく向上させる。
Next, when the householder comes home at time t44, the demand power increases again. The integrated value Ni increases after an increase in demand power at time t44 (time t44 to t45) and reaches the maximum value again. Next, at time t46, the householder goes to bed and the demand power decreases, and then the operation with an increased fuel utilization rate is performed (after time t46).
When the demand power in the house changes in this way, an operation that increases the fuel utilization rate using the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7 is performed twice a day. The operation period in which the fuel utilization rate is increased reaches 20 to 50% of the period in which the generated power is low, and greatly improves the overall energy efficiency of the solid oxide fuel cell 1.

従来の固体酸化物型燃料電池においては、発電電力が小さい場合には、発電熱が低下するため、燃料電池モジュールが温度低下を起こしやすい。このため、小発電電力時には燃料利用率を下げ、発電に使用されなかった燃料により燃料電池モジュールを加熱して過度の温度低下を防止していた。特に、燃料電池モジュール内に改質器が配置されているタイプの固体酸化物型燃料電池においては、改質器内で吸熱反応が発生するので、温度低下が起こりやすい。   In the conventional solid oxide fuel cell, when the generated power is small, the generated heat is reduced, so that the temperature of the fuel cell module is likely to decrease. For this reason, when the amount of power generated is small, the fuel utilization rate is lowered, and the fuel cell module is heated with fuel that has not been used for power generation to prevent an excessive temperature drop. In particular, in a solid oxide fuel cell of a type in which a reformer is disposed in a fuel cell module, an endothermic reaction occurs in the reformer, and thus a temperature drop is likely to occur.

また、上述した本発明の第1実施形態においては、積算値Niに加算、減算される加減算値は、図14に示した蓄熱量推定テーブルのように、検出温度Tdのみに基づいて計算されていたが、変形例として、出力電流を加味して加減算値を決定することもできる。例えば、図14の蓄熱量推定テーブルに基づいて決定された加減算値に、図18に示す電流補正係数を乗じた値を積算することにより積算値Niを計算することができる。図18に示すように、電流補正係数は、出力電流3A以下では1/7に設定され、4A以上では1/12に設定され、3〜4Aの間は、1/7から1/12に直線的に低下している。   Further, in the above-described first embodiment of the present invention, the addition / subtraction value added to or subtracted from the integrated value Ni is calculated based only on the detected temperature Td as in the heat storage amount estimation table shown in FIG. However, as a modification, the addition / subtraction value can be determined in consideration of the output current. For example, the integrated value Ni can be calculated by integrating the value obtained by multiplying the addition / subtraction value determined based on the heat storage amount estimation table of FIG. 14 by the current correction coefficient shown in FIG. As shown in FIG. 18, the current correction coefficient is set to 1/7 when the output current is 3A or less, is set to 1/12 when the output current is 3A or more, and is linear from 1/7 to 1/12 between 3 and 4A. Has declined.

このように設定された電流補正係数を乗じることにより、発電電力の小さい領域では、積算値Niは急速に増減し、中発電電力以上の領域では、積算値Niの増減が緩やかになる。このため、基本燃料供給テーブルの補正により、断熱材7に蓄積された熱量を大きく消費する小発電電力時には、積算値Niが速やかに減少される。これにより、蓄熱量を過大に推定することにより著しい温度低下を招くリスクを、より確実に防止することができる。   By multiplying the current correction coefficient set in this way, the integrated value Ni rapidly increases and decreases in a region where the generated power is small, and the increase and decrease of the integrated value Ni becomes gentle in a region where the generated power is equal to or higher. For this reason, the integrated value Ni is rapidly reduced by the correction of the basic fuel supply table at the time of small power generation that consumes a large amount of heat accumulated in the heat insulating material 7. As a result, it is possible to more reliably prevent the risk of causing a significant temperature drop by overestimating the heat storage amount.

また、上述した実施形態においては、積算値Niに加算又は減算する加減算値は、図15に示すように検出温度Tdのみによって決定されていたが、加減算値が出力電流にも依存するように本発明を構成することもできる。例えば、出力電流が3A(出力電力300W)以下の場合において、変更基準温度Tcrを2℃程度高く変更し、図15のグラフ全体を2℃程度左にシフトしても良い。このように構成することにより、発電電力が小さい場合には、変更基準温度Tcrが高い値に変更され、蓄熱量の推定値が小さな値に算出される。これにより、燃料利用率を高くする補正量が減少されるので、発電電力が小さく燃料供給量の絶対量が少ない領域において大幅に燃料利用率を向上させ、燃料供給量が過度に低下するのを抑制することができる。   In the embodiment described above, the addition / subtraction value to be added to or subtracted from the integrated value Ni is determined only by the detected temperature Td as shown in FIG. 15, but the addition / subtraction value is also dependent on the output current. The invention can also be configured. For example, when the output current is 3 A (output power 300 W) or less, the change reference temperature Tcr may be changed higher by about 2 ° C., and the entire graph of FIG. 15 may be shifted to the left by about 2 ° C. With this configuration, when the generated power is small, the change reference temperature Tcr is changed to a high value, and the estimated value of the heat storage amount is calculated to a small value. As a result, the correction amount for increasing the fuel utilization rate is reduced, so that the fuel utilization rate is significantly improved in the region where the generated power is small and the absolute amount of the fuel supply amount is small, and the fuel supply amount is reduced excessively. Can be suppressed.

本発明の実施形態の固体酸化物型燃料電池1によれば、起動工程中に過昇温となり、断熱材7に利用可能な熱量が蓄積されている場合には、燃料利用率を高めた高効率運転で発電工程が開始されるので、燃料利用率を高めることにより不足する熱量が、断熱材7に蓄積された熱量により補充される。即ち、起動工程中において、改質器温度がSR2強制移行温度に達した場合、又は、発電強制移行温度に達した場合には過昇温であると判断され、積算値Niが0よりも大きい場合には、断熱材7に利用可能な熱量が蓄積されていると判断される。このような場合には、基本燃料供給テーブルによる通常の燃料供給量よりも、燃料供給量を減少させ、燃料利用率を高めた高効率運転で発電工程を開始される。高効率運転により、断熱材7に蓄積された熱量が発電工程において消費され、過昇温の状態が速やかに解消される。また、断熱材7に蓄積された熱量が発電工程において利用されるので、エネルギー効率を向上させながら、過昇温を解消することができる。   According to the solid oxide fuel cell 1 of the embodiment of the present invention, when the temperature rises during the start-up process and the amount of heat available in the heat insulating material 7 is accumulated, the high fuel utilization rate is increased. Since the power generation process is started by the efficient operation, the heat quantity deficient by increasing the fuel utilization rate is supplemented by the heat quantity accumulated in the heat insulating material 7. That is, during the start-up process, when the reformer temperature reaches the SR2 forced transition temperature, or when the reformer temperature reaches the power generation forced transition temperature, it is determined that the temperature rises excessively, and the integrated value Ni is greater than zero. In this case, it is determined that the heat quantity available for the heat insulating material 7 is accumulated. In such a case, the power generation process is started in a highly efficient operation in which the fuel supply amount is decreased and the fuel utilization rate is increased as compared with the normal fuel supply amount based on the basic fuel supply table. Due to the high-efficiency operation, the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7 is consumed in the power generation process, and the excessive temperature rise is quickly eliminated. Further, since the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7 is used in the power generation process, it is possible to eliminate the excessive temperature rise while improving energy efficiency.

一般に、固体酸化物型燃料電池1においては、起動工程中から発電工程に移行する際には運転状態が不安定になりやすく、燃料電池モジュール2が急激な温度低下を起こすリスクがある。本実施形態の固体酸化物型燃料電池1によれば、起動工程中のSR2(図10のt29〜t30)において、燃料供給量が一定に維持されると共に、所定の発電移行時間以上SR2が維持される。このため、発電工程への移行時(図10のt30)に運転状態が安定し、急激な温度低下のリスクを回避することができる。また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池1によれば、断熱材7に蓄積されている蓄熱量が、SR2から(図10のt29から)開始された加減算値の積算に基づいて推定されるので、蓄熱量を正確に推定することができ、発電工程へ移行時に高効率運転により燃料供給量を減じることによる温度低下のリスクを、より確実に回避することができる。 In general, in the solid oxide fuel cell 1, the operation state tends to become unstable when shifting from the start-up process to the power generation process, and there is a risk that the fuel cell module 2 will undergo a rapid temperature drop. According to the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment, the fuel supply amount is kept constant during SR2 (t 29 to t 30 in FIG. 10) during the start-up process, and the SR2 exceeds the predetermined power generation transition time. Is maintained. For this reason, the operation state is stabilized at the time of transition to the power generation process (t 30 in FIG. 10), and the risk of a sudden temperature drop can be avoided. Further, the solid oxide fuel cell 1 of this embodiment, the heat storage amount accumulated in the heat insulating material 7, based from SR2 (from t 29 in FIG. 10) to the integration of the initiated subtraction value estimation Therefore, the heat storage amount can be accurately estimated, and the risk of a temperature decrease due to the reduction of the fuel supply amount by high-efficiency operation when shifting to the power generation process can be avoided more reliably.

また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池1において、SR2における燃料供給量は電力範囲の中間帯域である約500Wの発電電力に対応する燃料供給量に設定されている。制御部110は、燃料電池モジュール2の温度が起動工程中に過剰に上昇した場合には、需要電力に関わらず、中間帯域以下の発電電力で発電工程を開始する。   In the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment, the fuel supply amount in SR2 is set to a fuel supply amount corresponding to about 500 W of generated power that is an intermediate band of the power range. When the temperature of the fuel cell module 2 rises excessively during the startup process, the control unit 110 starts the power generation process with the generated power in the intermediate band or less regardless of the demand power.

固体酸化物型燃料電池1の基本燃料供給量テーブル(図12)においては、電力範囲うちの、高発電電力帯域では燃料利用率が高くなるように運転され、低発電電力帯域では、燃料電池モジュール2の温度を維持するために、燃料利用率が低くなるように運転される。このため、発電工程が高発電電力帯域で運転される場合には、燃料利用率を更に高める余地は少なく、断熱材7に蓄積されている熱量を消費しにくい。本実施形態の固体酸化物型燃料電池1によれば、過昇温の場合には、需要電力に関わらず、中間帯域以下の発電電力で発電工程が開始されるので、燃料利用率を高めることにより、断熱材7に蓄積されている熱量が速やかに消費され、過昇温の状態を速やかに解消することができる。   In the basic fuel supply amount table (FIG. 12) of the solid oxide fuel cell 1, the fuel cell module is operated so that the fuel utilization rate is high in the high power generation band in the power range, and the fuel cell module in the low power generation band. In order to maintain the temperature of 2, the fuel utilization rate is lowered. For this reason, when the power generation process is operated in the high power generation band, there is little room for further increasing the fuel utilization rate, and it is difficult to consume the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7. According to the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment, in the case of excessive temperature rise, the power generation process is started with the generated power below the intermediate band regardless of the demand power, so that the fuel utilization rate is increased. Thus, the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7 is quickly consumed, and the excessive temperature rise can be quickly resolved.

さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池1によれば、積算が、蓄熱最大値である1と蓄熱最小値である0の中間値0.5よりも大きい0.7を初期値として開始されるので、SR2において積算が開始されるまでの間に断熱材7に蓄積された熱量を、蓄熱量の推定値に反映させることができる。   Furthermore, according to the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment, the integration starts with 0.7, which is larger than the intermediate value 0.5 between the heat storage maximum value 1 and the heat storage minimum value 0, as an initial value. Therefore, the heat amount accumulated in the heat insulating material 7 until the integration is started in SR2 can be reflected in the estimated value of the heat storage amount.

また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池1によれば、改質器20がSR2強制移行温度を超えた場合にSR2に強制的に移行される(図11、ステップS4→S6)ので、SR1よりも燃料供給量が減少されたSR2を実行しながら燃料電池セルユニット16の温度上昇を待つことができ、改質器20の過度の温度上昇を防止することができる。   Further, according to the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment, when the reformer 20 exceeds the SR2 forced transition temperature, it is forcibly shifted to SR2 (FIG. 11, steps S4 to S6). It is possible to wait for the temperature rise of the fuel cell unit 16 while executing SR2 in which the fuel supply amount is reduced as compared with SR1, and it is possible to prevent an excessive temperature rise of the reformer 20.

さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池1によれば、SR2の実行中に微弱電力を発電させる(図11、ステップS9)ので、起動工程中における運転状態を発電工程に近似させることができ、より円滑に発電工程に移行することができる。   Furthermore, according to the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment, weak power is generated during the execution of SR2 (FIG. 11, step S9), so that the operating state during the startup process can be approximated to the power generation process. It is possible to shift to the power generation process more smoothly.

次に、図19乃至32を参照して、本発明の第2実施形態による固体酸化物型燃料電池を説明する。
本実施形態の固体酸化物型燃料電池は、発電工程において制御部110によって実行される高効率制御(図11におけるステップS15)が、上述した第1実施形態とは異なる。従って、ここでは、本発明の第2実施形態の、第1実施形態とは異なる部分のみを説明し、同様の構成、作用、及び効果については説明を省略する。
Next, a solid oxide fuel cell according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The solid oxide fuel cell of the present embodiment differs from the first embodiment described above in the high efficiency control (step S15 in FIG. 11) executed by the control unit 110 in the power generation process. Accordingly, here, only the portions of the second embodiment of the present invention that are different from the first embodiment will be described, and descriptions of similar configurations, operations, and effects will be omitted.

また、上述した第1実施形態においては、需要電力に応じ、基本燃料供給テーブルに基づいて燃料供給量を決定し、決定された燃料供給量を、断熱材7に蓄積された熱量に基づいて減少させ、燃料利用率が高くなるように変更していた。これに対し、第2実施形態による固体酸化物型燃料電池においては、基本燃料供給テーブルによる燃料供給量の決定、推定蓄熱量に基づく燃料供給量の変更という処理は実行されず、燃料供給量は、検出温度Td等に基づいて直接計算される。しかしながら、本実施形態において、検出温度Td等に基づいて直接決定される燃料供給量は、断熱材7に蓄積された熱量等が加味されたものとなっており、蓄熱量が多い状態においては、蓄熱を利用して燃料利用率が向上されるので、第1実施形態と同様の技術思想を実現したものであるということができる。   In the first embodiment described above, the fuel supply amount is determined based on the basic fuel supply table according to the demand power, and the determined fuel supply amount is decreased based on the heat amount accumulated in the heat insulating material 7. The fuel usage rate was changed. On the other hand, in the solid oxide fuel cell according to the second embodiment, the process of determining the fuel supply amount by the basic fuel supply table and changing the fuel supply amount based on the estimated heat storage amount is not executed, and the fuel supply amount is It is directly calculated based on the detected temperature Td and the like. However, in the present embodiment, the fuel supply amount that is directly determined based on the detected temperature Td and the like is the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7 and the like, and in a state where the heat storage amount is large, Since the fuel utilization rate is improved by using heat storage, it can be said that the technical idea similar to that of the first embodiment is realized.

図19は、需要電力の変化と、燃料供給量、及び燃料電池モジュール2から実際に取り出される電流の関係を模式的に示したグラフである。図20は、発電用空気供給量、水供給量、燃料供給量、及び燃料電池モジュール2から実際に取り出される電流の関係の一例を示したグラフである。   FIG. 19 is a graph schematically showing the relationship between the change in demand power, the fuel supply amount, and the current actually taken from the fuel cell module 2. FIG. 20 is a graph showing an example of the relationship between the power generation air supply amount, the water supply amount, the fuel supply amount, and the current actually taken from the fuel cell module 2.

図19に示すように、燃料電池モジュール2は、図19の最上段に示す需要電力に応じた電力を生成できるように制御される。制御部110は、需要電力に基づいて、燃料電池モジュール2が生成すべき目標の電流である燃料供給電流値Ifを、図19の2段目のグラフに示すように設定する。燃料供給電流値Ifは、概ね需要電力の変化に追従するように設定されるが、燃料電池モジュール2の応答速度は需要電力の変化に対して極めて緩慢であるため、需要電力の短周期の急激な変化には追従せず、需要電力に緩やかに追従するように設定される。また、需要電力が固体酸化物型燃料電池の最大定格電力を超えた場合には、燃料供給電流値Ifは最大定格電力に対応する電流値まで追従し、それ以上の電流値に設定されることはない。   As shown in FIG. 19, the fuel cell module 2 is controlled so as to be able to generate electric power according to the demand electric power shown in the uppermost stage of FIG. Based on the demand power, the control unit 110 sets a fuel supply current value If, which is a target current to be generated by the fuel cell module 2, as shown in the second graph of FIG. Although the fuel supply current value If is set so as to substantially follow the change in demand power, the response speed of the fuel cell module 2 is extremely slow with respect to the change in demand power. It is set so as to follow the demand power gently without following the change. In addition, when the demand power exceeds the maximum rated power of the solid oxide fuel cell, the fuel supply current value If follows the current value corresponding to the maximum rated power and is set to a current value higher than that. There is no.

制御部110は、図19の3段目のグラフに示すように、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット38を制御して、燃料供給電流値Ifに対応する電力が生成できる流量の燃料供給量Frを燃料電池モジュール2に供給する。なお、燃料供給量に対する実際に発電に使用される燃料の割合である燃料利用率が一定であるとすれば、燃料供給電流値Ifと燃料供給量Frは比例する。図19のグラフは、燃料供給電流値Ifと燃料供給量Frが比例するものとして描かれているが、後述するように、実際には本実施形態においても燃料利用率は一定ではない。   As shown in the third graph of FIG. 19, the control unit 110 controls the fuel flow rate adjustment unit 38, which is a fuel supply unit, so as to generate a fuel supply amount at a flow rate that can generate power corresponding to the fuel supply current value If. Fr is supplied to the fuel cell module 2. If the fuel utilization rate, which is the ratio of the fuel actually used for power generation with respect to the fuel supply amount, is constant, the fuel supply current value If and the fuel supply amount Fr are proportional. The graph of FIG. 19 is drawn on the assumption that the fuel supply current value If and the fuel supply amount Fr are proportional, but as will be described later, the fuel utilization rate is actually not constant in this embodiment as well.

さらに、図19の最下段のグラフに示すように、制御部110は、燃料電池モジュール2から取り出すことができる電流値である取出可能電流Iinvをインバータ54に対して指示する信号を出力する。インバータ54は、時々刻々急激に変化する需要電力に応じ、取出可能電流Iinvの範囲内で燃料電池モジュール2から電流(電力)を取り出す。需要電力が取出可能電流Iinvを上回る部分については、系統電力から供給される。ここで、図19に示すように、制御部110がインバータ54に指示する取出可能電流Iinvは、電流が増加傾向にある場合、燃料供給量Frの変化に対して所定時間遅れて変化するように設定される。例えば、図19の時刻t10においては、燃料供給電流値If及び燃料供給量Frが上昇を始めた後、遅れて、取出可能電流Iinvの増加が開始される。また、時刻t12においても、燃料供給電流値If及び燃料供給量Frの増加の後、遅れて、取出可能電流Iinvの増加が開始される。このように、燃料供給量Frを増加させた後、実際に燃料電池モジュール2から取り出す電力を増加させるタイミングを遅らせることにより、燃料電池モジュール2に供給された燃料が改質器20等を通って燃料電池セルスタック14に到達するまでの時間遅れや、燃料が電池セルスタック14に到達した後、実際の発電反応が可能になるまでの時間遅れに対処している。これにより、各燃料電池セルユニット16において燃料枯れが発生し、燃料電池セルユニット16が損傷されるのを確実に防止している。   Further, as shown in the lowermost graph in FIG. 19, the control unit 110 outputs a signal that instructs the inverter 54 about the extractable current Iinv that is a current value that can be extracted from the fuel cell module 2. The inverter 54 extracts current (electric power) from the fuel cell module 2 within the range of the extractable current Iinv according to the demand power that changes suddenly every moment. The portion where the demand power exceeds the extractable current Iinv is supplied from the grid power. Here, as shown in FIG. 19, when the current tends to increase, the extractable current Iinv instructed by the control unit 110 to the inverter 54 changes so as to be delayed by a predetermined time with respect to the change in the fuel supply amount Fr. Is set. For example, at time t10 in FIG. 19, after the fuel supply current value If and the fuel supply amount Fr start to increase, an increase in the extractable current Iinv is started with a delay. Also at time t12, after the fuel supply current value If and the fuel supply amount Fr increase, the increase of the extractable current Iinv is started with a delay. As described above, after the fuel supply amount Fr is increased, the timing at which the electric power actually extracted from the fuel cell module 2 is increased is delayed so that the fuel supplied to the fuel cell module 2 passes through the reformer 20 and the like. A time delay until the fuel cell stack 14 is reached and a time delay until the actual power generation reaction becomes possible after the fuel reaches the battery cell stack 14 are dealt with. This reliably prevents the fuel battery cell unit 16 from being depleted of fuel and damaging the fuel battery cell unit 16.

図20は、発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量の変化と、取出可能電流Iinvの関係をより詳細に示したものである。なお、図20に示されている発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量のグラフは、何れも、各供給量に対応する電流値に換算されている。即ち、供給された発電用空気、水、及び燃料が余ることなく全て発電に使用される供給量に設定されているとすれば、各供給量のグラフが取出可能電流Iinvのグラフと重なるように換算されている。従って、各供給量のグラフの、取出可能電流Iinvに対するずれ量は、各供給量の余剰分に対応する。発電に使用されずに残った残余燃料は、燃料電池セルスタック14上方の燃焼部である燃焼室18において燃焼され、燃料電池モジュール2内の加熱に利用される。   FIG. 20 shows in more detail the relationship between the power supply air supply amount, the water supply amount, and the fuel supply amount and the extractable current Iinv. Note that the graphs of the power supply air supply amount, the water supply amount, and the fuel supply amount shown in FIG. 20 are all converted into current values corresponding to the respective supply amounts. That is, if the supplied power generation air, water, and fuel are all set to supply amounts that are used for power generation, the graphs of the respective supply amounts overlap the graph of the extractable current Iinv. It has been converted. Therefore, the amount of deviation of each supply amount graph with respect to the extractable current Iinv corresponds to the surplus of each supply amount. The remaining fuel that is not used for power generation is burned in the combustion chamber 18 that is a combustion section above the fuel cell stack 14 and is used for heating in the fuel cell module 2.

図20に示すように、発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量は、常に、取出可能電流Iinvを上回っており、各供給量によって生成可能な電流を上回る電流が燃料電池モジュール2から取り出され、燃料枯れ、空気枯れ等によって燃料電池セルユニット16が損傷されるのを防止している。また、取出可能電流Iinvを上回って供給されている燃料供給量に対し、水供給量は、供給された燃料の全てを水蒸気改質可能な供給量に設定されている。即ち、供給された燃料の全てが水蒸気改質されるように、水供給量は、水蒸気改質に必要な水蒸気の量と、燃料中に含まれる炭素の量との比であるS/Cを考慮して設定されている。これにより、改質器内における炭素析出を防止している。また、需要電力の増加に伴って取出可能電流Iinvも増加傾向にある、図20の領域A、領域Cにおいては、取出可能電流Iinvが横這いである領域Bよりも、燃料供給量等の余裕量が大きく(燃料利用率が低く)設定されている。また、発電電力を増加させる場合には、制御部110に内蔵された電力取出遅延手段(図示せず)により、燃料電池モジュール2に供給する燃料供給量を増加させた後、遅れて、燃料電池モジュール2から出力させる発電電力が増加される。即ち、需要電力の変化に応じて燃料供給量が変化された後、遅れて、燃料電池モジュール2から実際に出力させる電力が変化される。さらに、需要電力の低下に応じて取出可能電流Iinvを急激に低下させた場合(領域C、領域Dの初期)には、各供給量は、取出可能電流Iinvの低下よりも所定時間遅れて低下される。従って、取出可能電流Iinvが急激に低下した後の所定時間の間には、非常に多くの残余燃料が発生する。このような取出可能電流Iinvの急激な低下は、需要電力が急激に低下した場合において、電流の逆潮流を防止するために行われる。このように、発電電力を増加させる際、及び発電電力を低下させる際には、発電電力が一定である場合よりも多くの残余燃料が発生し、この残余燃料が燃料電池モジュール2の加熱に使用されることになる。このため、燃料電池モジュール2を高発電電力で長時間運転した場合ばかりでなく、発電電力を頻繁に増減させた場合にも燃料電池モジュール2は強く加熱され、断熱材7に多くの熱量が蓄積される。   As shown in FIG. 20, the power supply air supply amount, the water supply amount, and the fuel supply amount always exceed the extractable current Iinv, and the current exceeding the current that can be generated by each supply amount is greater than the fuel cell module 2. The fuel cell unit 16 is prevented from being damaged by fuel exhaustion, air exhaustion, and the like. Further, the water supply amount is set to a supply amount capable of steam reforming all of the supplied fuel with respect to the fuel supply amount supplied exceeding the extractable current Iinv. That is, the amount of water supplied is the ratio of the amount of water vapor necessary for steam reforming and the amount of carbon contained in the fuel, so that all of the supplied fuel is steam reformed. It is set in consideration. This prevents carbon deposition in the reformer. Further, in the region A and region C of FIG. 20 in which the extractable current Iinv tends to increase with the increase in demand power, a margin such as the fuel supply amount is larger than the region B in which the extractable current Iinv is flat. Is set large (low fuel utilization). In addition, when the generated power is increased, the fuel supply amount supplied to the fuel cell module 2 is increased by a power extraction delay means (not shown) built in the control unit 110, and then the fuel cell is delayed. The generated power output from the module 2 is increased. That is, after the fuel supply amount is changed according to the change in demand power, the power actually output from the fuel cell module 2 is changed with a delay. Furthermore, when the extractable current Iinv is suddenly reduced according to the reduction in demand power (the initial period of the region C and the region D), each supply amount decreases with a predetermined time delay from the decrease of the extractable current Iinv. Is done. Therefore, a very large amount of residual fuel is generated during a predetermined time after the extractable current Iinv suddenly decreases. Such a rapid decrease in the extractable current Iinv is performed in order to prevent a reverse current flow when the demand power rapidly decreases. Thus, when the generated power is increased and when the generated power is decreased, more residual fuel is generated than when the generated power is constant, and this residual fuel is used for heating the fuel cell module 2. Will be. For this reason, the fuel cell module 2 is strongly heated not only when the fuel cell module 2 is operated for a long time with high generated power but also when the generated power is frequently increased or decreased, and a large amount of heat is accumulated in the heat insulating material 7. Is done.

本実施形態の固体酸化物型燃料電池においては、高発電電力で長時間運転した後、発電電力が少なくなった場合に蓄熱を利用するばかりでなく、発電電力の増減等によって蓄積されつつある熱量が、状況に応じて逐次利用される。   In the solid oxide fuel cell of this embodiment, after operating for a long time with high generated power, not only the heat storage is used when the generated power decreases, but also the amount of heat that is being accumulated due to the increase or decrease of the generated power, etc. Are used sequentially depending on the situation.

次に、図21乃至28を参照して、検出温度Tdに基づいて発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量を決定する手順を説明する。
図21は、検出温度Tdに基づいて発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量を決定する手順を示すフローチャートである。図22は発電電流に対する適正な燃料電池セルスタック14の温度を示すグラフである。図23は積算値に応じて決定される燃料利用率を示すグラフである。図24は、各発電電流に対して決定され得る燃料利用率の値の範囲を示すグラフである。図25は積算値に応じて決定される空気利用率を示すグラフである。図26は、各発電電流に対して決定され得る空気利用率の値の範囲を示すグラフである。図27は、決定された空気利用率に対して水供給量を決定するためのグラフである。図28は、発電電流に対する適正な燃料電池モジュール2の発電電圧を示すグラフである。
Next, a procedure for determining the power generation air supply amount, the water supply amount, and the fuel supply amount based on the detected temperature Td will be described with reference to FIGS.
FIG. 21 is a flowchart showing a procedure for determining the power supply air supply amount, the water supply amount, and the fuel supply amount based on the detected temperature Td. FIG. 22 is a graph showing an appropriate temperature of the fuel cell stack 14 with respect to the generated current. FIG. 23 is a graph showing the fuel utilization rate determined according to the integrated value. FIG. 24 is a graph showing a range of values of fuel utilization rates that can be determined for each generated current. FIG. 25 is a graph showing the air utilization rate determined according to the integrated value. FIG. 26 is a graph showing a range of air utilization values that can be determined for each generated current. FIG. 27 is a graph for determining the water supply amount with respect to the determined air utilization rate. FIG. 28 is a graph showing an appropriate generated voltage of the fuel cell module 2 with respect to the generated current.

図22に一点鎖線で示すように、本実施形態においては、燃料電池モジュール2によって生成すべき電流に対して、適正な燃料電池セルスタック14の温度Ts(I)が規定されている。制御部110は、燃料電池セルスタック14の温度が、適正な温度Ts(I)に近づくように、燃料供給量等を制御する。即ち、制御部110は、概略的には、発電電流に対して燃料電池セルスタック14の温度が高い場合(燃料電池セルスタック14の温度が図22の一点鎖線よりも上にある場合)には、燃料利用率を高め、断熱材7等に蓄積されている熱量を積極的に消費して、燃料電池モジュール2内の温度を低下させる。逆に、発電電流に対して燃料電池セルスタック14の温度が低い場合には、燃料利用率を低下させ、燃料電池モジュール2内の温度が低下しないようにする。具体的には、燃料利用率は単純な検出温度Tdのみに基づいて決定されるのではなく、検出温度Td等に基づいて決定される加減算値を積算することにより蓄熱を反映した量を計算し、この量に基づいて燃料利用率等が決定される。この加減算値を積算することによる蓄熱量の推定値は、制御部に内蔵された蓄熱量推定手段110bにより計算される。   As indicated by a one-dot chain line in FIG. 22, in this embodiment, an appropriate temperature Ts (I) of the fuel cell stack 14 is defined for the current to be generated by the fuel cell module 2. The control unit 110 controls the fuel supply amount and the like so that the temperature of the fuel cell stack 14 approaches the appropriate temperature Ts (I). That is, the control unit 110 roughly indicates that when the temperature of the fuel cell stack 14 is higher than the generated current (when the temperature of the fuel cell stack 14 is above the one-dot chain line in FIG. 22). The fuel utilization rate is increased, the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7 and the like is actively consumed, and the temperature in the fuel cell module 2 is lowered. On the other hand, when the temperature of the fuel cell stack 14 is lower than the generated current, the fuel utilization rate is reduced so that the temperature in the fuel cell module 2 does not decrease. Specifically, the fuel utilization rate is not determined based on the simple detected temperature Td, but is calculated by adding the addition / subtraction values determined based on the detected temperature Td and the like to reflect the heat storage. The fuel utilization rate and the like are determined based on this amount. An estimated value of the heat storage amount by integrating the addition and subtraction values is calculated by the heat storage amount estimation means 110b built in the control unit.

図21に示すフローチャートは、温度検出手段である発電室温度センサ142によって検出された検出温度Td等に基づいて発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量を決定するものであり、所定の時間間隔で実行される。   The flowchart shown in FIG. 21 determines the power generation air supply amount, the water supply amount, and the fuel supply amount based on the detected temperature Td and the like detected by the power generation chamber temperature sensor 142 that is a temperature detection means. It is executed at the time interval.

まず、図21のステップS31においては、検出温度Td及び図22に基づいて、第1加減算値M1が計算される。まず、検出温度Tdが、燃料電池セルスタック14の適正温度Ts(I)に対して、所定の温度範囲内(図22の2本の実線の間)にある場合には、第1加減算値M1は0にされる。
即ち、検出温度Tdが、
Ts(I)−Te≦Td≦Ts(I)+Te
の範囲内にある場合には、第1加減算値M1=0にされる。ここで、Teは第1加減算値閾値温度である。なお、本実施形態においては、第1加減算値閾値温度Teは3℃である。
First, in step S31 of FIG. 21, the first addition / subtraction value M1 is calculated based on the detected temperature Td and FIG. First, when the detected temperature Td is within a predetermined temperature range (between two solid lines in FIG. 22) with respect to the appropriate temperature Ts (I) of the fuel cell stack 14, the first addition / subtraction value M1. Is set to zero.
That is, the detected temperature Td is
Ts (I) −Te ≦ Td ≦ Ts (I) + Te
Is within the range, the first addition / subtraction value M1 = 0. Here, Te is the first addition / subtraction value threshold temperature. In the present embodiment, the first addition / subtraction value threshold temperature Te is 3 ° C.

また、検出温度Tdが、適正温度Ts(I)よりも低く、
Td<Ts(I)−Te (4)
の範囲内(図22における下側の実線よりも下)にある場合には、第1加減算値M1は、
M1=Ki×(Td−(Ts(I)−Te)) (5)
によって計算される。この際、第1加減算値M1は、負の値(減算値)となる。なお、Kiは、所定の比例定数である。
Further, the detected temperature Td is lower than the appropriate temperature Ts (I),
Td <Ts (I) −Te (4)
Is within the range (below the lower solid line in FIG. 22), the first addition / subtraction value M1 is
M1 = Ki × (Td− (Ts (I) −Te)) (5)
Calculated by At this time, the first addition / subtraction value M1 is a negative value (subtraction value). Ki is a predetermined proportionality constant.

また、検出温度Tdが、適正温度Ts(I)よりも高く、
Td>Ts(I)+Te (6)
の範囲内(図22における上側の実線よりも上)にある場合には、第1加減算値M1は、
M1=Ki×(Td−(Ts(I)+Te)) (7)
によって計算される。この際、第1加減算値M1は、正の値(加算値)となる。このように、第1加減算値M1は、検出温度Tdの他、発電電流に基づいて決定され、これを積算することにより蓄熱量が推定される。即ち、適正温度Ts(I)は、発電電流(電力)に応じて異なるように設定され、この適正温度Ts(I)に基づいて決定される(Ts(I)+Te)の値、及び(Ts(I)−Te)の値に基づいて、第1加減算値M1が正又は負の値に決定される。
Further, the detected temperature Td is higher than the appropriate temperature Ts (I),
Td> Ts (I) + Te (6)
Is within the range (above the upper solid line in FIG. 22), the first addition / subtraction value M1 is
M1 = Ki × (Td− (Ts (I) + Te)) (7)
Calculated by At this time, the first addition / subtraction value M1 is a positive value (addition value). As described above, the first addition / subtraction value M1 is determined based on the generated current in addition to the detected temperature Td, and the heat storage amount is estimated by integrating the value. That is, the appropriate temperature Ts (I) is set to be different depending on the generated current (electric power), and the value of (Ts (I) + Te) determined based on the appropriate temperature Ts (I) and (Ts Based on the value of (I) −Te), the first addition / subtraction value M1 is determined as a positive or negative value.

なお、検出温度Tdが(Ts(I)+Te)を超えると、第1加減算値M1は正の値となり、後述するように燃料利用率を高くする燃料供給量の変更が行われるので、本明細書においては、各発電電力に対する温度(Ts(I)+Te)を燃料利用率変更温度と称する。また、燃料利用率変更温度(Ts(I)+Te)を超えることにより、燃料利用率を高くした高効率制御に移行した後、高効率制御から蓄積されている熱量の消費を行わない目標温度域制御に復帰するタイミングは、後述するように、第1加減算値M1等の積算値N1idが0まで低下した時点となる。このため、検出温度Tdが燃料利用率変更温度(Ts(I)+Te)よりも低下した後も、暫時、積算値N1idは0よりも大きい値に維持され、高効率制御が行われる。従って、高効率制御から目標温度域制御に復帰する目標温度域制御復帰温度は、燃料利用率変更温度よりも低い温度になる。   If the detected temperature Td exceeds (Ts (I) + Te), the first addition / subtraction value M1 becomes a positive value, and the fuel supply amount is changed to increase the fuel utilization rate as will be described later. In the document, the temperature (Ts (I) + Te) for each generated power is referred to as the fuel utilization rate change temperature. Moreover, after the fuel utilization rate change temperature (Ts (I) + Te) is exceeded, after shifting to the high efficiency control in which the fuel utilization rate is increased, the target temperature range in which the amount of heat accumulated from the high efficiency control is not consumed. As will be described later, the timing for returning to control is when the integrated value N1id such as the first addition / subtraction value M1 has decreased to zero. For this reason, even after the detected temperature Td falls below the fuel utilization rate changing temperature (Ts (I) + Te), the integrated value N1id is maintained at a value larger than 0 for a while, and high efficiency control is performed. Therefore, the target temperature range control return temperature for returning from the high efficiency control to the target temperature range control is lower than the fuel utilization rate changing temperature.

次に、図21のステップS32においては、最新の検出温度Td、及び1分前に検出された検出温度Tdbに基づいて、第2加減算値M2が計算される。まず、最新の検出温度Tdと1分前の検出温度Tdbの差の絶対値が所定の第2加減算値閾値温度未満である場合には、第2加減算値M2は0にされる。なお、本実施形態においては、第2加減算値閾値温度は1℃である。   Next, in step S32 of FIG. 21, a second addition / subtraction value M2 is calculated based on the latest detected temperature Td and the detected temperature Tdb detected one minute ago. First, when the absolute value of the difference between the latest detected temperature Td and the detected temperature Tdb one minute ago is less than a predetermined second addition / subtraction value threshold temperature, the second addition / subtraction value M2 is set to zero. In the present embodiment, the second addition / subtraction value threshold temperature is 1 ° C.

また、最新の検出温度Tdと1分前の検出温度Tdbの差である変化温度差が所定の第2加減算値閾値温度以上の場合には、第2加減算値M2は、
M2=Kd×(Td−Tdb) (8)
によって計算される。この第2加減算値M2は、検出温度Tdが上昇傾向にある場合には正の値(加算値)となり、検出温度Tdが低下傾向にある場合には負の値(減算値)となる。なお、Kdは、所定の比例定数である。従って、検出温度Tdが上昇している場合において、変化温度差(Td−Tdb)が大きい領域においては、変化温度差が小さい領域よりも、速応推定値である第2加減算値M2が大きく増加される。逆に、検出温度が低下している場合において、変化温度差(Td−Tdb)の絶対値が大きい領域においては、変化温度差の絶対値が小さい領域よりも、第2加減算値M2は大きく減少される。
When the change temperature difference that is the difference between the latest detected temperature Td and the detected temperature Tdb one minute ago is equal to or higher than a predetermined second addition / subtraction value threshold temperature, the second addition / subtraction value M2 is:
M2 = Kd × (Td−Tdb) (8)
Calculated by The second addition / subtraction value M2 becomes a positive value (addition value) when the detected temperature Td tends to increase, and becomes a negative value (subtraction value) when the detected temperature Td tends to decrease. Kd is a predetermined proportional constant. Therefore, when the detected temperature Td is increasing, the second addition / subtraction value M2, which is the quick response estimated value, is greatly increased in the region where the change temperature difference (Td−Tdb) is large compared to the region where the change temperature difference is small. Is done. On the other hand, when the detected temperature is low, the second addition / subtraction value M2 is greatly reduced in the region where the absolute value of the change temperature difference (Td−Tdb) is large than in the region where the absolute value of the change temperature difference is small. Is done.

なお、本実施形態においては、比例定数Kdは一定値であるが、変形例として、変化温度差が正の場合と負の場合で、異なる比例定数Kdを使用することもできる。例えば、変化温度差が負である場合に比例定数Kdを大きく設定することもできる。これにより、検出温度が低下している場合には、検出温度が上昇している場合よりも、変化温度差に対して急激に速応推定値が変化される。或いは、変形例として、変化温度差の絶対値が大きい領域において、小さい領域よりも比例定数Kdを大きく設定することもできる。これにより、変化温度差の絶対値が大きい領域においては、変化温度差の絶対値が小さい領域よりも、変化温度差の変化に対して急激に速応推定値が変化される。また、変化温度差の正負に基づく比例定数Kdの変更と、変化温度差の絶対値の大小に基づく比例定数Kdの変更を組み合わせることもできる。   In the present embodiment, the proportionality constant Kd is a constant value, but as a modification, different proportionality constants Kd can be used depending on whether the change temperature difference is positive or negative. For example, the proportionality constant Kd can be set large when the change temperature difference is negative. As a result, when the detected temperature is lowered, the estimated quick response value is changed more rapidly with respect to the change temperature difference than when the detected temperature is increased. Alternatively, as a modification, the proportionality constant Kd can be set larger in the region where the absolute value of the change temperature difference is large than in the small region. As a result, in the region where the absolute value of the change temperature difference is large, the estimated quick response value is changed more rapidly than the region where the absolute value of the change temperature difference is small. Further, the change of the proportional constant Kd based on the sign of the change temperature difference can be combined with the change of the proportional constant Kd based on the magnitude of the absolute value of the change temperature difference.

次いで、図21のステップS33においては、ステップS31で計算された第1加減算値M1、及びステップS32で計算された第2加減算値M2を、第1積算値N1idに積算する。第1積算値N1idには、第1加減算値M1により、断熱材7等に蓄積された利用可能な蓄熱量が反映され、第2加減算値M2により、直近の検出温度Tdの変化が反映される。即ち、第1積算値N1idは、断熱材7等に蓄積された利用可能な蓄熱量の推定値として利用することができる。また、積算は、固体酸化物型燃料電池の運転開始後継続的に、図21のフローチャートが実行される毎に行われ、前回計算された第1積算値N1idに、第1加減算値M1及び第2加減算値M2が加算又は減算され、新たな第1積算値N1idに更新される。第1積算値N1idは、0〜4の間の値をとるように制限されており、第1積算値N1idが4に到達した場合には、値は次に減算が行われるまで4に保持され、第1積算値N1idが0まで減少した場合には、値は次に加算が行われるまで0に保持される。   Next, in step S33 of FIG. 21, the first addition / subtraction value M1 calculated in step S31 and the second addition / subtraction value M2 calculated in step S32 are integrated into the first integration value N1id. In the first integrated value N1id, the available heat storage amount accumulated in the heat insulating material 7 and the like is reflected by the first addition / subtraction value M1, and the latest change in the detected temperature Td is reflected by the second addition / subtraction value M2. . That is, the first integrated value N1id can be used as an estimated value of the available heat storage amount accumulated in the heat insulating material 7 or the like. Further, the integration is performed every time the flowchart of FIG. 21 is executed continuously after the operation of the solid oxide fuel cell is started, and the first addition value N1id and the first addition / subtraction value M1 are added to the previously calculated first integration value N1id. The 2 addition / subtraction value M2 is added or subtracted and updated to a new first integrated value N1id. The first integrated value N1id is limited to take a value between 0 and 4, and when the first integrated value N1id reaches 4, the value is held at 4 until the next subtraction is performed. When the first integrated value N1id decreases to 0, the value is held at 0 until the next addition is performed.

なお、ステップS33においては、第1積算値N1idに加え、第2積算値N2idの値も計算する。第2積算値N2idは、後述するように、燃料電池モジュール2に劣化が発生するまでは、第1積算値N1idと全く同様に計算され、第1積算値N1idと同一の値を取る。   In step S33, in addition to the first integrated value N1id, the value of the second integrated value N2id is also calculated. As will be described later, the second integrated value N2id is calculated in the same manner as the first integrated value N1id until the fuel cell module 2 is deteriorated, and takes the same value as the first integrated value N1id.

なお、上記のように、本実施形態においては、第1加減算値M1と第2加減算値M2の和を第1積算値N1idに積算することにより、積算値を計算している。即ち、
N1id=N1id+M1+M2 (9)
により、第1積算値N1idを計算している。ここで、変形例として、第1加減算値M1と第2加減算値M2の積を積算することにより、積算値を計算しても良い。即ち、この変形例では、第1積算値N1idは、
N1id=N1id+Km×M1×M2 (10)
により計算される。ここで、Kmは、所定の条件に応じて変更される可変の係数である。また、この変形例においては、最新の検出温度Tdと1分前の検出温度Tdbの差の絶対値が所定の第2加減算値閾値温度未満である場合には、第2加減算値M2は1にされる。
As described above, in the present embodiment, the integrated value is calculated by integrating the sum of the first addition / subtraction value M1 and the second addition / subtraction value M2 to the first integration value N1id. That is,
N1id = N1id + M1 + M2 (9)
Thus, the first integrated value N1id is calculated. Here, as a modification, the integrated value may be calculated by integrating the product of the first addition / subtraction value M1 and the second addition / subtraction value M2. That is, in this modification, the first integrated value N1id is
N1id = N1id + Km × M1 × M2 (10)
Is calculated by Here, Km is a variable coefficient that is changed according to a predetermined condition. In this modified example, when the absolute value of the difference between the latest detected temperature Td and the detected temperature Tdb one minute ago is less than a predetermined second addition / subtraction value threshold temperature, the second addition / subtraction value M2 is 1. Is done.

さらに、図21のステップS34においては、計算された第1積算値N1idに基づいて、図23及び図24のグラフを使用して、燃料利用率が決定される。
図23は、計算された第1積算値N1idに対する燃料利用率Ufの設定値を示すグラフである。図23に示すように、第1積算値N1idが0である場合には、燃料利用率Ufは最小値である最小燃料利用率Ufminに設定される。また、第1積算値N1idの増加と共に燃料利用率Ufも増加し、第1積算値N1id=1において最大値である最大燃料利用率Ufmaxとなる。この間、燃料利用率Ufは、第1積算値N1idが小さい領域では傾きが小さく、第1積算値N1idが1に近づくほど傾きが大きくなる。即ち、推定蓄熱量が大きい領域においては、推定蓄熱量が小さい領域よりも、推定蓄熱量の変化に対して大幅に燃料利用率Ufが変化される。換言すれば、推定された蓄熱量が大きいほど大幅に燃料利用率Ufを高めるように燃料供給量が減少される。さらに、第1積算値N1idが1よりも大きい場合には、燃料利用率Ufは最大燃料利用率Ufmaxに固定される。これらの最小燃料利用率Ufmin及び最大燃料利用率Ufmaxの具体的な値は、発電電流に基づいて、図24に示すグラフにより決定される。このように、断熱材7等に利用可能な熱量が蓄積されていることが推定された場合には、利用可能な熱量が蓄積されていない場合よりも同一の発電電力に対して燃料利用率が高くなるように、燃料供給量が減少される。
Further, in step S34 of FIG. 21, the fuel utilization rate is determined using the graphs of FIGS. 23 and 24 based on the calculated first integrated value N1id.
FIG. 23 is a graph showing a set value of the fuel utilization rate Uf with respect to the calculated first integrated value N1id. As shown in FIG. 23, when the first integrated value N1id is 0, the fuel usage rate Uf is set to the minimum fuel usage rate Ufmin, which is the minimum value. Further, as the first integrated value N1id increases, the fuel utilization rate Uf also increases, and becomes the maximum fuel utilization rate Ufmax that is the maximum value at the first integrated value N1id = 1. During this time, the fuel utilization rate Uf has a small slope in the region where the first integrated value N1id is small, and the slope increases as the first integrated value N1id approaches 1. That is, in the region where the estimated heat storage amount is large, the fuel utilization rate Uf is significantly changed with respect to the change in the estimated heat storage amount, compared to the region where the estimated heat storage amount is small. In other words, the fuel supply amount is decreased so that the fuel utilization rate Uf is significantly increased as the estimated heat storage amount is larger. Further, when the first integrated value N1id is larger than 1, the fuel usage rate Uf is fixed to the maximum fuel usage rate Ufmax. Specific values of the minimum fuel utilization rate Ufmin and the maximum fuel utilization rate Ufmax are determined by the graph shown in FIG. 24 based on the generated current. Thus, when it is estimated that the amount of heat that can be used is accumulated in the heat insulating material 7 and the like, the fuel utilization rate is higher for the same generated power than in the case where the amount of available heat is not accumulated. The fuel supply is reduced to be higher.

図24は、各発電電流に対し、燃料利用率Ufがとり得る値の範囲を示すグラフであり、各発電電流について燃料利用率Ufの最大値及び最小値が示されている。図24に示すように、各発電電流に対する最小燃料利用率Ufminは、発電電流の増加と共に大きくなるように設定されている。即ち、発電電力が大きいときは燃料利用率が高く、発電電力が小さいときには燃料利用率が低くなるように設定されている。この最小燃料利用率Ufminの直線は、第1実施形態の図13における基本燃料供給テーブルに対応するものであり、この直線上の燃料利用率に設定された場合には、断熱材7等に蓄積された熱量を利用することなく、燃料電池モジュール2は熱的に自立することができる。   FIG. 24 is a graph showing the range of values that the fuel utilization rate Uf can take for each generated current, and shows the maximum value and the minimum value of the fuel utilization rate Uf for each generated current. As shown in FIG. 24, the minimum fuel utilization rate Ufmin for each generated current is set to increase as the generated current increases. That is, the fuel utilization rate is set high when the generated power is large, and the fuel utilization rate is set low when the generated power is small. This straight line of the minimum fuel utilization rate Ufmin corresponds to the basic fuel supply table in FIG. 13 of the first embodiment, and when it is set to the fuel utilization rate on this straight line, it accumulates in the heat insulating material 7 and the like. The fuel cell module 2 can be thermally independent without using the amount of heat generated.

一方、最大燃料利用率Ufmaxは、各発電電流に対して折れ線状に変化するように設定されている。ここで、各発電電流に対して燃料利用率Ufがとり得る値の範囲(最大燃料利用率Ufmaxと最小燃料利用率Ufminの差)は、最大の発電電流で最も狭く、発電電流が減少するにつれて広くなる。これは、最大の発電電流付近では、熱的に自立可能な最小燃料利用率Ufminが高く、蓄熱を利用しても燃料利用率Ufを高める(燃料供給量を減じる)余地が少ないためである。さらに、発電電流が減少するにつれて熱的に自立可能な最小燃料利用率Ufminは低くなるため、蓄熱を利用することにより燃料供給量を減じる余地が大きくなり、蓄熱量が多い場合には、燃料利用率Ufを大幅に高めることが可能である。このため、発電電力が小さい領域においては、発電電力が大きい領域よりも、広い範囲で燃料利用率が変更される。   On the other hand, the maximum fuel utilization rate Ufmax is set so as to change in a polygonal line with respect to each generated current. Here, the range of values that the fuel utilization rate Uf can take for each generated current (the difference between the maximum fuel utilization rate Ufmax and the minimum fuel utilization rate Ufmin) is the narrowest at the maximum generated current, and as the generated current decreases. Become wider. This is because, in the vicinity of the maximum generated current, the minimum fuel utilization rate Ufmin that can be thermally independent is high, and there is little room for increasing the fuel utilization rate Uf (reducing the fuel supply amount) even when using heat storage. Furthermore, since the minimum fuel utilization rate Ufmin that can be thermally self-sustained decreases as the generated current decreases, there is room for reducing the amount of fuel supplied by using heat storage, and when there is a large amount of heat storage, fuel use The rate Uf can be significantly increased. For this reason, in the region where the generated power is small, the fuel utilization rate is changed in a wider range than in the region where the generated power is large.

また、発電電流が非常に小さい、所定の利用率抑制発電量IU以下の領域においては、発電電力が小さくなるほど燃料利用率Ufがとり得る値の範囲が狭くなるように設定されている。これは、発電電流が小さい領域では、熱的に自立可能な最小燃料利用率Ufminが低く、これを改善する余地は大きい。しかしながら、発電電流が小さい領域では、燃料電池モジュール2内の温度が低いため、この状態で大幅に燃料利用率Ufを改善し、断熱材7等に蓄積されている熱量を急激に消費すると、燃料電池モジュール2内の過剰な温度低下を招くリスクがある。このため、発電電流が非常に小さい利用率抑制発電量IU以下の領域においては、発電電力が小さくなるほど燃料利用率Ufを高める変更量が大幅に抑制される。即ち、燃料供給量を減少させる変更量は燃料電池モジュール2の発電量が少ないほど少なくなる。これにより、急激な温度低下のリスクを回避すると共に、蓄積された熱量を長時間に亘って利用することを可能にしている。   Further, in a region where the generated current is very small and is less than or equal to the predetermined utilization rate suppressed power generation amount IU, the range of possible values of the fuel utilization rate Uf is set to be narrower as the generated power is reduced. This is because in the region where the generated current is small, the minimum fuel utilization rate Ufmin that can be thermally independent is low, and there is much room for improvement. However, in the region where the generated current is small, the temperature in the fuel cell module 2 is low. Therefore, if the fuel utilization rate Uf is significantly improved in this state and the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7 or the like is consumed rapidly, There is a risk of causing an excessive temperature drop in the battery module 2. For this reason, in the area | region below the utilization factor suppression electric power generation amount IU in which an electric power generation current is very small, the change amount which raises the fuel utilization factor Uf is significantly suppressed, so that generated electric power becomes small. That is, the amount of change to decrease the fuel supply amount decreases as the power generation amount of the fuel cell module 2 decreases. This avoids the risk of a sudden temperature drop and makes it possible to use the accumulated heat for a long time.

本実施形態においては、制御部110に内蔵された燃料供給量変更手段110aにより、最小燃料利用率Ufminに対して燃料利用率Ufが高くなるように燃料供給量が減少される。この燃料供給量変更手段110aは、基本燃料供給テーブルを変更するものではないが、ベースとなる燃料供給量を変更して燃料利用率を高めるように作用するので、第1実施形態における燃料テーブル変更手段に対応する構成である。   In the present embodiment, the fuel supply amount is reduced so that the fuel utilization rate Uf becomes higher than the minimum fuel utilization rate Ufmin by the fuel supply amount changing means 110a built in the control unit 110. Although this fuel supply amount changing means 110a does not change the basic fuel supply table, it operates to change the fuel supply rate as a base to increase the fuel utilization rate, so that the fuel table change in the first embodiment is performed. It is the structure corresponding to a means.

図21のステップS34においては、発電電流に基づいて、最小燃料利用率Ufmin及び最大燃料利用率Ufmaxの具体値を、図24のグラフを使用して決定する。次に、決定された最小燃料利用率Ufmin及び最大燃料利用率Ufmaxを図23のグラフに適用し、ステップS33において計算された第1積算値N1idに基づいて、燃料利用率Ufを決定する。   In step S34 of FIG. 21, specific values of the minimum fuel utilization rate Ufmin and the maximum fuel utilization rate Ufmax are determined based on the generated current using the graph of FIG. Next, the determined minimum fuel utilization rate Ufmin and maximum fuel utilization rate Ufmax are applied to the graph of FIG. 23, and the fuel utilization rate Uf is determined based on the first integrated value N1id calculated in step S33.

次に、図21のステップS35においては、第2積算値N2idに基づいて、図25及び図26のグラフを使用して、空気利用率が決定される。
図25は、計算された第2積算値N2idに対する空気利用率Uaの設定値を示すグラフである。図25に示すように、第2積算値N2idが0乃至1である場合には、空気利用率Uaは最大値である最大空気利用率Uamaxに設定される。さらに、第2積算値N2idが1を超えて増加すると共に空気利用率Uaは低下し、第2積算値N2id=4において最小値である最小空気利用率Uaminとなる。このように、空気利用率Uaを低下させることによる増加分の空気は冷却用の流体として作用するので、図25に示す空気利用率Uaの設定は、強制冷却手段として作用する。これらの最小空気利用率Uamin及び最大空気利用率Uamaxの具体的な値は、発電電流に基づいて、図26に示すグラフにより決定される。
Next, in step S35 of FIG. 21, the air utilization rate is determined using the graphs of FIGS. 25 and 26 based on the second integrated value N2id.
FIG. 25 is a graph showing a set value of the air utilization rate Ua with respect to the calculated second integrated value N2id. As shown in FIG. 25, when the second integrated value N2id is 0 to 1, the air utilization rate Ua is set to the maximum air utilization rate Uamax that is the maximum value. Further, as the second integrated value N2id increases beyond 1, the air utilization rate Ua decreases, and becomes the minimum air utilization rate Uamin that is the minimum value at the second integrated value N2id = 4. Thus, since the increased amount of air due to the reduction in the air utilization rate Ua acts as a cooling fluid, the setting of the air utilization rate Ua shown in FIG. 25 acts as a forced cooling means. Specific values of the minimum air utilization rate Uamin and the maximum air utilization rate Uamax are determined by the graph shown in FIG. 26 based on the generated current.

図26は、各発電電流に対し、空気利用率Uaがとり得る値の範囲を示すグラフであり、各発電電流について燃料利用率Uaの最大値及び最小値が示されている。図26に示すように、各発電電流に対する最大空気利用率Uamaxは、発電電流の増加と共に僅かに大きくなるように設定されている。一方、最小空気利用率Uaminは、発電電流の増加と共に低下する。空気利用率Uaを、最大空気利用率Uamaxよりも低下させる(空気供給量を増大させる)ことは、発電に必要な空気よりも多い空気を燃料電池モジュール2内に導入することになり、これにより、燃料電池モジュール2内の温度は低下される。従って、燃料電池モジュール2内の温度が過剰に上昇し、温度を低下させる必要がある場合には、空気利用率Uaを低下させる。本実施形態においては、発電電流の増加と共に最小空気利用率Uaminを低下(空気供給量を増加)させていくと、所定の発電電流において、最小空気利用率Uaminに対応する空気供給量が発電用空気流量調整ユニット45の最大空気供給量を超えてしまう。このため、最小空気利用率Uaminが図26において破線で示されている所定の発電電流以上の領域では、図25のグラフによって設定された空気利用率Uaを実現することができない場合がある。この場合には、実際に供給される空気供給量は、設定された空気利用率Uaに関わらず、発電用空気流量調整ユニット45の最大空気供給量に固定される。これに伴い、所定の発電電流以上では、実際に実現される最小の空気利用率Uaは増大する。また、最大空気供給量が大きい発電用空気流量調整ユニットを使用した場合には、図26に破線で示された部分の最小空気利用率Uaminを実現することもできる。なお、発電用空気流量調整ユニット45の最大空気供給量に達することにより規定された空気利用率Uaを、限界最小空気利用率ULaminと記載する。   FIG. 26 is a graph showing the range of values that the air utilization rate Ua can take for each generated current, and shows the maximum value and the minimum value of the fuel utilization rate Ua for each generated current. As shown in FIG. 26, the maximum air utilization rate Uamax for each generated current is set to be slightly increased as the generated current increases. On the other hand, the minimum air utilization rate Uamin decreases as the generated current increases. Reducing the air utilization rate Ua below the maximum air utilization rate Uamax (increasing the air supply amount) introduces more air into the fuel cell module 2 than is necessary for power generation. The temperature in the fuel cell module 2 is lowered. Therefore, when the temperature in the fuel cell module 2 rises excessively and the temperature needs to be lowered, the air utilization rate Ua is lowered. In this embodiment, when the minimum air utilization rate Uamin is decreased (the air supply amount is increased) as the generation current is increased, the air supply amount corresponding to the minimum air utilization rate Uamin is generated for power generation at a predetermined generation current. The maximum air supply amount of the air flow rate adjustment unit 45 will be exceeded. For this reason, in the region where the minimum air utilization rate Uamin is equal to or greater than the predetermined generated current indicated by the broken line in FIG. 26, the air utilization rate Ua set by the graph of FIG. 25 may not be realized. In this case, the actually supplied air supply amount is fixed to the maximum air supply amount of the power generation air flow rate adjustment unit 45 regardless of the set air utilization rate Ua. Along with this, the minimum air utilization rate Ua actually realized increases above a predetermined generated current. Further, when a power generation air flow rate adjustment unit having a large maximum air supply amount is used, the minimum air utilization rate Uamin in the portion indicated by the broken line in FIG. 26 can also be realized. The air utilization rate Ua defined by reaching the maximum air supply amount of the power generation air flow rate adjustment unit 45 is referred to as a limit minimum air utilization rate ULamin.

図21のステップS35においては、発電電流に基づいて、最小空気利用率Uamin及び最大空気利用率Uamaxの具体値を、図26のグラフを使用して決定する。次に、決定された最小空気利用率Uamin及び最大空気利用率Uamaxを図25のグラフに適用し、ステップS33において計算された第2積算値N2idに基づいて、空気利用率Uaを決定する。   In step S35 of FIG. 21, the specific values of the minimum air utilization rate Uamin and the maximum air utilization rate Uamax are determined based on the generated current using the graph of FIG. Next, the determined minimum air utilization rate Uamin and maximum air utilization rate Uamax are applied to the graph of FIG. 25, and the air utilization rate Ua is determined based on the second integrated value N2id calculated in step S33.

次に、図21のステップS36においては、ステップS35において決定された空気利用率Uaに基づき、図27を使用して水蒸気量と炭素量の比であるS/Cを決定する。
図27は、横軸を空気利用率Ua、縦軸を、供給された水と、燃料に含まれる炭素との比S/Cとしたグラフである。
Next, in step S36 of FIG. 21, based on the air utilization rate Ua determined in step S35, S / C which is the ratio of the water vapor amount and the carbon amount is determined using FIG.
FIG. 27 is a graph in which the horizontal axis represents the air utilization rate Ua and the vertical axis represents the ratio S / C between the supplied water and the carbon contained in the fuel.

まず、ステップS35において設定された空気利用率Uaが、発電用空気流量調整ユニット45の最大空気供給量によって規定されていない発電電流の領域(図27におけるUamax〜ULamin間)では、水蒸気量と炭素量の比S/Cの値は、2.5に固定される。なお、水蒸気量と炭素量の比S/C=1とは、供給された燃料に含まれる炭素の全量が、供給された水(水蒸気)により化学的に過不足なく水蒸気改質される状態を意味する。従って、水蒸気量と炭素量の比S/C=2.5とは、燃料を水蒸気改質するために化学的に必要最小限の水蒸気量の2.5倍の水蒸気(水)が供給されている状態を意味する。実際には、S/C=1となる水蒸気量では改質器20内において炭素析出が発生してしまうため、S/C=2.5程度となる水蒸気量が燃料を水蒸気改質するための適量である。   First, in the region of the generation current (between Uamax and ULamin in FIG. 27) where the air utilization rate Ua set in step S35 is not defined by the maximum air supply amount of the power generation air flow rate adjustment unit 45, the amount of water vapor and carbon The value of the quantity ratio S / C is fixed at 2.5. The ratio of the amount of water vapor to the amount of carbon S / C = 1 means that the total amount of carbon contained in the supplied fuel is chemically steam-reformed by the supplied water (steam). means. Therefore, the ratio S / C = 2.5 of the amount of steam and the amount of carbon is 2.5 times the amount of steam (water) that is 2.5 times the minimum amount of steam that is chemically necessary for steam reforming the fuel. Means the state. Actually, carbon precipitation occurs in the reformer 20 at the amount of steam at which S / C = 1, so that the amount of steam at which S / C = 2.5 is for steam reforming the fuel. Appropriate amount.

次に、ステップS35において設定される空気利用率Uaが、発電用空気流量調整ユニット45の最大空気供給量によって制限される発電電流の領域では、図27のグラフを使用して水蒸気量と炭素量の比S/Cが決定される。図27において、横軸は空気利用率Uaであり、空気利用率Uaが大きく、最大空気利用率Uamaxに近いほど空気供給量は少なくなる。一方、空気利用率Uaを低下させ、最小空気利用率Uamin(図26における破線)に近づくと、空気供給量が限界に達し、空気利用率Uaは限界最小空気利用率ULaminになる。図27に示すように、空気利用率Uaが限界最小空気利用率ULaminよりも大きい(空気供給量が少ない)場合には、水蒸気量と炭素量の比S/C=2.5に設定される。さらに、ステップS35において決定された空気利用率Uaが、限界最小空気利用率ULaminよりも小さい(空気供給量が多い)場合(図27におけるUamin〜ULamin間)には、空気利用率Uaの減少と共に水蒸気量と炭素量の比S/Cは増大され、最小空気利用率Uaminにおいて、S/C=3.5に設定される。即ち、ステップS35において決定された空気利用率Uaが、限界最小空気利用率ULaminにより実現できない場合(空気利用率Uaが図26の斜線の範囲内に決定された場合)には、水蒸気量と炭素量の比S/Cを増大させ、水供給量を増大させる。これにより、改質器20から流出する改質された燃料ガスの温度を低下させ、燃料電池モジュール2内の温度を低下傾向にする。このように、空気利用率Uaを低下させて空気供給量を増加させた後、水供給量を増大させると、増加分の水(水蒸気)は、冷却用の流体として作用するので、図27に示す水供給量の設定は強制冷却手段として作用する。   Next, in the region of the power generation current in which the air utilization rate Ua set in step S35 is limited by the maximum air supply amount of the power generation air flow rate adjustment unit 45, the water vapor amount and the carbon amount using the graph of FIG. The ratio S / C is determined. In FIG. 27, the horizontal axis represents the air utilization rate Ua, the air utilization rate Ua is larger, and the closer to the maximum air utilization rate Uamax, the smaller the air supply amount. On the other hand, when the air utilization rate Ua is lowered and approaches the minimum air utilization rate Uamin (broken line in FIG. 26), the air supply amount reaches the limit, and the air utilization rate Ua becomes the limit minimum air utilization rate ULamin. As shown in FIG. 27, when the air utilization rate Ua is larger than the limit minimum air utilization rate ULamin (the air supply amount is small), the ratio S / C = 2.5 of the water vapor amount and the carbon amount is set. . Further, when the air utilization rate Ua determined in step S35 is smaller than the limit minimum air utilization rate ULamin (the air supply amount is large) (between Uamin and ULamin in FIG. 27), the air utilization rate Ua decreases. The ratio S / C between the water vapor amount and the carbon amount is increased, and S / C = 3.5 is set at the minimum air utilization rate Uamin. That is, when the air utilization rate Ua determined in step S35 cannot be realized by the limit minimum air utilization rate ULamin (when the air utilization rate Ua is determined within the hatched range in FIG. 26), the water vapor amount and carbon Increase the quantity ratio S / C and increase the water supply. Thereby, the temperature of the reformed fuel gas flowing out from the reformer 20 is lowered, and the temperature in the fuel cell module 2 tends to be lowered. In this way, when the water supply amount is increased after the air supply rate Ua is decreased and the air supply amount is increased, the increased amount of water (water vapor) acts as a cooling fluid. The water supply setting shown acts as a forced cooling means.

ステップS37においては、ステップS34、S35、及びS36において決定された燃料利用率Uf、空気利用率Ua、及び水蒸気量と炭素量の比S/Cと、発電電流に基づいて、具体的な燃料供給量、空気供給量、水供給量を決定する。即ち、全量が発電に使用されるとした場合の燃料供給量を、決定された燃料利用率Ufで除することにより実際の燃料供給量を計算し、全量が発電に使用されるとした場合の空気供給量を決定された空気利用率Uaで除することにより実際の空気供給量を計算する。また、計算された燃料供給量及びステップS36において決定された水蒸気量と炭素量の比S/Cに基づいて、水供給量を計算する。   In step S37, specific fuel supply is performed based on the fuel utilization rate Uf, air utilization rate Ua, the ratio S / C of water vapor amount and carbon amount determined in steps S34, S35, and S36, and the generated current. Determine the volume, air supply, and water supply. That is, the actual fuel supply amount is calculated by dividing the fuel supply amount when the total amount is used for power generation by the determined fuel utilization rate Uf, and the total amount is used for power generation. The actual air supply amount is calculated by dividing the air supply amount by the determined air utilization rate Ua. Further, the water supply amount is calculated based on the calculated fuel supply amount and the ratio S / C of the water vapor amount and the carbon amount determined in step S36.

次いで、ステップS38において、制御部110は、燃料流量調整ユニット38、発電用空気流量調整ユニット45、及び水供給手段である水流量調整ユニット28に信号を送り、ステップS37において計算された量の燃料、空気、及び水を供給し、図21のフローチャートの1回の処理を終了する。   Next, in step S38, the control unit 110 sends a signal to the fuel flow rate adjustment unit 38, the power generation air flow rate adjustment unit 45, and the water flow rate adjustment unit 28 serving as water supply means, and the amount of fuel calculated in step S37. , Air and water are supplied, and one process of the flowchart of FIG. 21 is completed.

次に、図21のフローチャートを実行する時間間隔を説明する。本実施形態において、図21のフローチャートは、出力電流が大きい場合には、0.5秒毎に実行され、出力電流が低下するにつれて、その2倍の1秒、4倍の2秒、8倍の4秒毎に実行される。これにより、第1及び第2加減算値が一定値である場合には、時間当たりの第1又は第2積算値の変化は、出力電流が少ないほど緩やかになる。即ち、蓄熱量推定手段110bは、出力電流(発電電力)が大きいほど蓄熱量の推定値を時間に対して急激に変化させる。これにより、積算値による蓄熱量の推定が、実際の蓄熱量を良く反映したものとなる。   Next, a time interval for executing the flowchart of FIG. 21 will be described. In the present embodiment, when the output current is large, the flowchart of FIG. 21 is executed every 0.5 seconds. As the output current decreases, it is doubled for 1 second, 4 times for 2 seconds, and 8 times. It is executed every 4 seconds. Thus, when the first and second addition / subtraction values are constant values, the change in the first or second integrated value per time becomes gentler as the output current is smaller. That is, the heat storage amount estimation unit 110b changes the estimated value of the heat storage amount rapidly with respect to time as the output current (generated power) increases. Thereby, the estimation of the heat storage amount by the integrated value well reflects the actual heat storage amount.

次に、図28を参照して、燃料電池モジュール2に劣化が発生した場合における、燃料供給量、空気供給量、及び水供給量の決定手順を説明する。図28は、燃料電池モジュール2による発電電流に対する発電電圧を示す図である。一般に、燃料電池セルスタック14には、内部抵抗が存在するため、図28に示すように、燃料電池モジュール2から出力される電流が増大すると、電圧は低下する。図28に示す一点鎖線は、燃料電池モジュール2に劣化が生じていない場合における発電電流と発電電圧の関係を示している。これに対して、燃料電池モジュール2に劣化が生じると、燃料電池セルスタック14の内部抵抗が増大するため、同一の発電電流に対する発電電圧が低下する。   Next, a procedure for determining the fuel supply amount, the air supply amount, and the water supply amount when the fuel cell module 2 is deteriorated will be described with reference to FIG. FIG. 28 is a diagram showing a generated voltage with respect to a generated current by the fuel cell module 2. In general, since an internal resistance exists in the fuel cell stack 14, the voltage decreases as the current output from the fuel cell module 2 increases as shown in FIG. The alternate long and short dash line shown in FIG. 28 indicates the relationship between the generated current and the generated voltage when the fuel cell module 2 is not deteriorated. On the other hand, when the fuel cell module 2 deteriorates, the internal resistance of the fuel cell stack 14 increases, so that the generated voltage for the same generated current decreases.

本実施形態の固体酸化物型燃料電池においては、初期の発電電圧に対して、発電電圧が10%以上低下し、発電電圧が図28の実線よりも下の領域に入ると、劣化に対応した処理により燃料供給量、空気供給量、及び水供給量を決定している。   In the solid oxide fuel cell according to the present embodiment, when the generated voltage drops by 10% or more with respect to the initial generated voltage and the generated voltage enters a region below the solid line in FIG. The fuel supply amount, air supply amount, and water supply amount are determined by the processing.

即ち、発電電圧が図28の実線よりも下の領域にある場合には、図21のステップS33において、第1積算値N1idの積算を停止させ、第2積算値N2idの積算のみが継続される。これにより、燃料利用率Ufを決定するための図23のグラフを参照する際に使用される第1積算値N1idの値は、一定値に固定される。これにより、燃料利用率Ufは、発電電圧が図28の実線よりも下の領域から脱するまで固定される。このように、燃料電池モジュール2が劣化した後は、燃料電池モジュール2が劣化する前よりも、燃料利用率Ufを高める変更が少なくされる。一方、空気利用率Uaを決定するための図26のグラフを参照する際に使用される第2積算値N2idの値は、従前の通り増減され、空気利用率Uaの増減は継続される。このように、燃料利用率Ufは、推定蓄熱量に対応した第1、第2積算値、需要電力の他に、燃料電池モジュール2の劣化に基づいて変更される。   That is, when the generated voltage is in the region below the solid line in FIG. 28, the integration of the first integrated value N1id is stopped and only the integration of the second integrated value N2id is continued in step S33 of FIG. . Accordingly, the value of the first integrated value N1id used when referring to the graph of FIG. 23 for determining the fuel utilization rate Uf is fixed to a constant value. As a result, the fuel utilization rate Uf is fixed until the generated voltage deviates from the region below the solid line in FIG. Thus, after the fuel cell module 2 has deteriorated, changes to increase the fuel utilization rate Uf are less than before the fuel cell module 2 deteriorates. On the other hand, the value of the second integrated value N2id used when referring to the graph of FIG. 26 for determining the air utilization rate Ua is increased or decreased as before, and the increase or decrease in the air utilization rate Ua is continued. Thus, the fuel utilization rate Uf is changed based on the deterioration of the fuel cell module 2 in addition to the first and second integrated values and the demand power corresponding to the estimated heat storage amount.

次に、図21のフローチャートによって実現される固体酸化物型燃料電池の作用を説明する。
まず、ステップS33において計算される第1積算値N1idの値が0である場合には、ステップS34において決定される燃料利用率Ufが、その発電電流における最小燃料利用率Ufmin(燃料供給量最大)に設定される。これにより、第1積算値N1idの値が0であり、断熱材7等に蓄積された熱量が少ない状態においても、燃料電池モジュール2が熱的に自立できる十分な燃料が供給される。また、ステップS33において計算される第2積算値N2idの値が、第1積算値N1idと同様に0である場合には、ステップS35において決定される空気利用率Uaが、その発電電流における最大空気利用率Uafmax(空気供給量最小)に設定される。このため、燃料電池モジュール2に導入される発電用の空気により燃料電池セルスタック14が冷却される作用は最小にされ、燃料電池セルスタック14の温度を上昇傾向にすることができる。
Next, the operation of the solid oxide fuel cell realized by the flowchart of FIG. 21 will be described.
First, when the value of the first integrated value N1id calculated in step S33 is 0, the fuel utilization rate Uf determined in step S34 is the minimum fuel utilization rate Ufmin (maximum fuel supply amount) in the generated current. Set to As a result, even when the value of the first integrated value N1id is 0 and the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7 or the like is small, sufficient fuel is supplied so that the fuel cell module 2 can be thermally independent. When the value of the second integrated value N2id calculated in step S33 is 0 as in the case of the first integrated value N1id, the air utilization rate Ua determined in step S35 is the maximum air in the generated current. The utilization rate Uafmax (air supply amount minimum) is set. For this reason, the effect | action which cools the fuel cell stack 14 with the air for electric power generation introduced into the fuel cell module 2 is minimized, and the temperature of the fuel cell stack 14 can be made to rise.

次に、検出温度Tdが適正温度Ts(I)よりも高く、Td>Ts(I)+Teの状態で燃料電池モジュール2が運転されると、第1加減算値M1の値は正値となり、第1積算値N1idの値が0よりも大きくなる。これにより、図23において、最小燃料利用率Ufminよりも高い燃料利用率Ufが設定されて燃料供給量が減少され、発電に使用されずに残る残余燃料の量が減少される。燃料利用率Ufは、燃料供給量変更手段110aにより、推定蓄熱量に対応した第1積算値N1idの値が大きいほど大幅に高くされる。燃料利用率Ufが高められることにより、燃料供給量は熱自立可能な供給量よりも少なくされ、断熱材7等に蓄積された熱量を利用した高効率制御が実行される。残余燃料の量が減少され、断熱材7等に蓄積された熱量が利用されるので、燃料供給量変更手段110aは、発電を継続しながら燃料電池モジュール2内の温度上昇を抑制する。Td>Ts(I)+Teの状態で運転が継続されると、正値の第1加減算値M1の積算が繰り返され、第1積算値N1idの値も増大する。第1積算値N1idが1に達すると、燃料利用率Ufは、最大燃料利用率Uafmax(燃料供給量最小)に設定される。このように、燃料電池モジュール2に供給される燃料は、断熱材7等に蓄積された熱量を反映した、検出温度Tdの過去の履歴に基づいて決定される。   Next, when the detected temperature Td is higher than the appropriate temperature Ts (I) and the fuel cell module 2 is operated in a state of Td> Ts (I) + Te, the value of the first addition / subtraction value M1 becomes a positive value, The value of 1 integrated value N1id becomes larger than 0. Accordingly, in FIG. 23, a fuel utilization rate Uf higher than the minimum fuel utilization rate Ufmin is set, the fuel supply amount is decreased, and the amount of remaining fuel that is not used for power generation is decreased. The fuel utilization rate Uf is significantly increased by the fuel supply amount changing unit 110a as the value of the first integrated value N1id corresponding to the estimated heat storage amount increases. By increasing the fuel utilization rate Uf, the fuel supply amount is made smaller than the supply amount capable of self-sustaining heat, and high-efficiency control using the heat amount accumulated in the heat insulating material 7 or the like is executed. Since the amount of residual fuel is reduced and the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7 or the like is used, the fuel supply amount changing means 110a suppresses the temperature rise in the fuel cell module 2 while continuing power generation. When the operation is continued in the state of Td> Ts (I) + Te, the integration of the positive first addition / subtraction value M1 is repeated, and the value of the first integration value N1id also increases. When the first integrated value N1id reaches 1, the fuel usage rate Uf is set to the maximum fuel usage rate Uafmax (fuel supply amount minimum). Thus, the fuel supplied to the fuel cell module 2 is determined based on the past history of the detected temperature Td reflecting the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7 and the like.

第1積算値N1idが更に増大し、1を超えた場合においても、図23に示すように、燃料利用率Ufは、最大燃料利用率Uafmax(燃料供給量最小)に維持される。一方、第1積算値N1idと同一の値をとる第2積算値N2idの値(燃料電池モジュール2が劣化していない場合)も1を超えるので、図25に基づいて、空気利用率Uaが低下(空気供給量増加)される。これにより、燃料電池モジュール2内は、供給される空気の増加により冷却傾向となる。   Even when the first integrated value N1id further increases and exceeds 1, as shown in FIG. 23, the fuel utilization rate Uf is maintained at the maximum fuel utilization rate Uafmax (minimum fuel supply amount). On the other hand, since the value of the second integrated value N2id that takes the same value as the first integrated value N1id (when the fuel cell module 2 is not deteriorated) also exceeds 1, the air utilization rate Ua decreases based on FIG. (Air supply amount increased). Thereby, the inside of the fuel cell module 2 tends to be cooled due to an increase in supplied air.

これに対して、検出温度Tdが適正温度Ts(I)よりも低く、Td<Ts(I)−Teの状態で燃料電池モジュール2が運転されると、第1加減算値M1の値は負値となり、第1積算値N1idの値は減少される。これにより、燃料利用率Ufは、維持(第1積算値N1id>1)又は低下(第1積算値N1id≦1)される。また、空気利用率Uaは、増大(第2積算値N2id>1)又は維持(第2積算値N2id≦1)される。これにより、燃料電池モジュール2内の温度を上昇傾向にすることができる。   On the other hand, when the detected temperature Td is lower than the appropriate temperature Ts (I) and the fuel cell module 2 is operated in a state where Td <Ts (I) −Te, the value of the first addition / subtraction value M1 is a negative value. Thus, the value of the first integrated value N1id is decreased. Thus, the fuel utilization rate Uf is maintained (first integrated value N1id> 1) or decreased (first integrated value N1id ≦ 1). Further, the air utilization rate Ua is increased (second integrated value N2id> 1) or maintained (second integrated value N2id ≦ 1). Thereby, the temperature in the fuel cell module 2 can be increased.

以上は、検出温度Tdの履歴に基づいて計算される第1加減算値M1のみに注目した固体酸化物型燃料電池の作用であるが、第1積算値N1id及び第2積算値N2idは、第2加減算値M2によっても影響を受ける。燃料電池モジュール2、特に、燃料電池セルスタック14は、非常に熱容量が大きく、その検出温度Tdの変化は極めて緩慢である。このため、検出温度Tdが一旦上昇傾向に入ると、その温度上昇を短時間で抑制することは困難であり、また、検出温度Tdが低下傾向に入った場合にも、これを上昇傾向に戻すには長い時間を要する。このため、検出温度Tdに上昇又は低下の傾向が現れた場合には、これに迅速に反応して第1、第2積算値を修正する必要がある。   The above is the operation of the solid oxide fuel cell focusing only on the first addition / subtraction value M1 calculated based on the history of the detected temperature Td. The first integrated value N1id and the second integrated value N2id are It is also affected by the addition / subtraction value M2. The fuel cell module 2, particularly the fuel cell stack 14, has a very large heat capacity, and the change in the detected temperature Td is extremely slow. For this reason, once the detected temperature Td starts to increase, it is difficult to suppress the temperature increase in a short time, and when the detected temperature Td starts to decrease, this is returned to the upward trend. Takes a long time. For this reason, when the detected temperature Td tends to increase or decrease, it is necessary to react quickly to correct the first and second integrated values.

即ち、最新の検出温度Tdが、1分前の検出温度Tdbよりも第2加減算値閾値温度以上高い場合には、第2加減算値M2が正の値となり、第1、第2積算値が増大される。これにより、検出温度Tdが上昇傾向に入ったことを第1、第2積算値に反映させることができる。同様に、最新の検出温度Tdが、1分前の検出温度Tdbよりも第2加減算値閾値温度以上低い場合には、第2加減算値M2が負の値となり、第1、第2積算値が減少される。即ち、発電室温度センサ142により検出された最新の検出温度Tdと、過去の検出温度Tdbとの差である変化温度差に基づいて速応推定値である第2加減算値M2が計算される。従って、検出温度Tdが急激に低下している場合には、緩やかに低下している場合よりも、燃料利用率Ufを高める変更量が大幅に抑制され、また、発電電力が利用率抑制発電量IU以下の領域では最大燃料利用率Ufmaxも低く設定されているため、変更量は、より大幅に抑制される。これにより、検出温度Tdが低下傾向に入ったことを第1、第2積算値に反映させることができる。このように、本実施形態においては、検出温度Tdに基づいて決定された第1加減算値M1の積算値、及び新しく検出された検出温度Tdと過去に検出された検出温度Tdbの差に基づく差分値に基づいて蓄熱量が推定される。即ち、本実施形態においては、検出温度Tdの履歴に基づいて計算される基本推定値である第1加減算値M1の積算値、及び基本推定値を計算する履歴よりも短い期間における検出温度Tdの変化率に基づいて計算される速応推定値である第2加減算値M2に基づいて、蓄熱量推定手段110bにより蓄熱量が推定される。このように、本実施形態においては、基本推定値と速応推定値の和に基づいて蓄熱量が推定される。   That is, when the latest detected temperature Td is higher than the detected temperature Tdb one minute ago by the second addition / subtraction value threshold temperature, the second addition / subtraction value M2 becomes a positive value, and the first and second integrated values increase. Is done. Thereby, it can reflect in the 1st, 2nd integrated value that the detected temperature Td entered into the upward tendency. Similarly, when the latest detected temperature Td is lower than the detected temperature Tdb one minute ago by the second addition / subtraction value threshold temperature, the second addition / subtraction value M2 is a negative value, and the first and second integrated values are Will be reduced. In other words, the second addition / subtraction value M2, which is a rapid response estimated value, is calculated based on the change temperature difference that is the difference between the latest detected temperature Td detected by the power generation chamber temperature sensor 142 and the past detected temperature Tdb. Therefore, when the detected temperature Td is drastically reduced, the amount of change that increases the fuel utilization rate Uf is greatly suppressed, and the generated power is reduced by the utilization rate-suppressed power generation amount, compared with the case where the detected temperature Td is gradually decreasing. Since the maximum fuel utilization rate Ufmax is also set low in the region below IU, the amount of change is more greatly suppressed. Thereby, it can reflect in the 1st, 2nd integrated value that detected temperature Td entered into the fall tendency. Thus, in the present embodiment, the difference based on the integrated value of the first addition / subtraction value M1 determined based on the detected temperature Td and the difference between the newly detected detected temperature Td and the detected temperature Tdb detected in the past. The amount of heat storage is estimated based on the value. That is, in the present embodiment, the integrated value of the first addition / subtraction value M1, which is a basic estimated value calculated based on the history of the detected temperature Td, and the detected temperature Td in a period shorter than the history of calculating the basic estimated value. Based on the second addition / subtraction value M2, which is a quick response estimated value calculated based on the rate of change, the heat storage amount estimation unit 110b estimates the heat storage amount. Thus, in this embodiment, the heat storage amount is estimated based on the sum of the basic estimated value and the quick response estimated value.

なお、燃料電池モジュール2の温度変化は、検出温度TdとTdbを検出する間隔である1分に比して極めて緩慢であるため、第2加減算値M2は0である場合が多い。このため、第1、第2積算値は、主に第1加減算値M1によって支配され、検出温度Tdの上昇又は低下傾向が現れたとき、第2加減算値M2が、第1、第2積算値の値を修正するように作用する。このように、蓄熱量の推定値には、検出温度の履歴の他に、第2加減算値M2によって直近の検出温度Tdの変化が加味される。このため、直近の検出温度Tdの変化が大きい(第2加減算値閾値温度以上の変化)場合には、第2加減算値M2が値を持つので、蓄熱量の推定値が修正され、燃料利用率Ufが大幅に変更される。   Note that the temperature change of the fuel cell module 2 is extremely slow compared to 1 minute, which is the interval at which the detected temperatures Td and Tdb are detected, so the second addition / subtraction value M2 is often zero. For this reason, the first and second integrated values are mainly governed by the first addition / subtraction value M1, and when the detected temperature Td increases or decreases, the second addition / subtraction value M2 becomes the first and second integration values. Acts to correct the value of. Thus, in addition to the detected temperature history, the most recent change in the detected temperature Td is added to the estimated value of the heat storage amount by the second addition / subtraction value M2. For this reason, when the most recent change in detected temperature Td is large (change greater than or equal to the second addition / subtraction value threshold temperature), since the second addition / subtraction value M2 has a value, the estimated value of the heat storage amount is corrected, and the fuel utilization rate Uf is significantly changed.

次に、図29乃至図32を参照して、発電電力の可変範囲の制限を説明する。
上記のように、本実施形態の固体酸化物型燃料電池においては、断熱材7等に蓄積された熱量を利用することにより、燃料利用率を高めると共に、蓄熱を積極的に利用することにより燃料電池モジュール2内の温度を適正な温度にコントロールしている。一方、図19、20により説明したように、燃料電池モジュール2が生成する電力が需要電力に合わせて頻繁に増減されると、これにより燃料電池モジュール2内の温度が過剰に上昇する場合がある。このような過剰な温度上昇に対しては、燃料利用率を高め、断熱材7等に蓄積された熱量を積極的に利用することにより、これを抑制することが可能である。しかしながら、図24により説明したように、発電する電力が大きい領域においては、設定されている最小燃料利用率Ufminが大きい値であるため、この燃料利用率を高めて、蓄熱を利用する余地は少ない。従って、発電電力が大きい場合においては、燃料利用率を高めて、蓄熱を利用しても、過剰に上昇した燃料電池モジュール2内の温度を、効果的に低下させることは困難である。このため、本実施形態においては、燃料電池モジュール2内の過剰な温度上昇が発生した場合には、発電電力を需要電力に追従させる可変範囲を低く制限している。これにより、燃料電池モジュール2は、小さい発電電力で運転されることになるため、蓄熱を利用する余地が大きくなり、燃料電池モジュール2内の温度を効果的に低下させることが可能になる。また、発電電力を需要電力に追従させる可変範囲を狭くすることにより、発電電力の頻繁な増減による温度上昇が抑制される。
Next, the limitation on the variable range of the generated power will be described with reference to FIGS.
As described above, in the solid oxide fuel cell according to the present embodiment, the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7 and the like is used to increase the fuel utilization rate, and the fuel is obtained by actively utilizing the heat storage. The temperature in the battery module 2 is controlled to an appropriate temperature. On the other hand, as described with reference to FIGS. 19 and 20, when the power generated by the fuel cell module 2 is frequently increased or decreased according to the demand power, the temperature in the fuel cell module 2 may excessively increase. . Such an excessive temperature rise can be suppressed by increasing the fuel utilization rate and positively using the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7 or the like. However, as described with reference to FIG. 24, in the region where the power to be generated is large, the set minimum fuel utilization rate Ufmin is a large value, so there is little room for increasing the fuel utilization rate and using the heat storage. . Therefore, when the generated power is large, it is difficult to effectively reduce the excessively increased temperature in the fuel cell module 2 even if the fuel utilization rate is increased and heat storage is used. For this reason, in this embodiment, when the excessive temperature rise in the fuel cell module 2 occurs, the variable range in which the generated power follows the demand power is limited to be low. As a result, the fuel cell module 2 is operated with a small amount of generated power, so that room for using heat storage is increased, and the temperature in the fuel cell module 2 can be effectively reduced. Moreover, the temperature rise by the frequent increase / decrease in generated electric power is suppressed by narrowing the variable range which makes generated electric power track demand electric power.

なお、図19、20により説明した、需要電力の頻繁な増減による燃料電池モジュール2内の温度上昇は、上述した本発明の第1実施形態の固体酸化物型燃料電池においても発生する。従って、図29乃至図32を参照して以下に説明する発電電力の可変範囲の制限は、上述した本発明の第1実施形態と組み合わせて実施することもできる。   The temperature rise in the fuel cell module 2 due to frequent increase / decrease in demand power described with reference to FIGS. 19 and 20 also occurs in the solid oxide fuel cell according to the first embodiment of the present invention described above. Therefore, the limitation of the variable range of the generated power described below with reference to FIGS. 29 to 32 can also be implemented in combination with the above-described first embodiment of the present invention.

図29は、本実施形態において、燃料電池モジュールが生成する電力の範囲を制限する手順を示すフローチャートである。図30は、発電電流と検出温度Tdに対する電流制限を示すマップである。図31は、本実施形態における作用の一例を示すタイムチャートである。図32は、燃料電池モジュール内の温度と、発電可能な最大電力の関係の一例を示すグラフである。   FIG. 29 is a flowchart showing a procedure for limiting the range of power generated by the fuel cell module in the present embodiment. FIG. 30 is a map showing current limitations on the generated current and the detected temperature Td. FIG. 31 is a time chart showing an example of the operation in the present embodiment. FIG. 32 is a graph showing an example of the relationship between the temperature in the fuel cell module and the maximum power that can be generated.

まず、図30の実線に示すように、本実施形態の固体酸化物型燃料電池においては、各発電電流に対する燃料電池モジュール2内の適正な温度が設定されている。この適正な温度は、図22における一点鎖線に対応するものである。また、図30に示すように、適正な温度よりも温度が高い領域には、電流維持領域が設定されている。この電流維持領域の最低の温度は、燃料電池モジュール2による発電電力に応じて異なるように設定されており、発電電力が大きいほど電流維持領域の最低の温度が高く設定されている。また、各発電電力に対する電流維持領域の最低の温度は、燃料電池モジュール2の適正な温度との差が、発電電力が低いほど大きくなるように設定されている。燃料電池モジュール2の運転状態がこの電流維持領域に入った場合には、燃料電池モジュール2からの出力電流の増加が禁止される。さらに、電流維持領域よりも温度が高い領域には、電流低下領域が設定されている。運転状態がこの電流低下領域に入った場合には、燃料電池モジュール2からの出力電流は強制的に低下される。電流低下領域よりも温度が高い領域には、空冷領域が設定されている。運転状態がこの空冷領域に入った場合には、発電用空気の供給量が、発電用空気流量調整ユニット45により供給可能な最大流量に設定される。空冷領域よりも温度が高い領域には、運転停止領域が設定されている。運転状態がこの運転停止領域に入った場合には、燃料電池モジュール2による発電を停止させ、固体酸化物型燃料電池の故障を防止する。   First, as shown by the solid line in FIG. 30, in the solid oxide fuel cell of this embodiment, an appropriate temperature in the fuel cell module 2 is set for each generated current. This appropriate temperature corresponds to the alternate long and short dash line in FIG. In addition, as shown in FIG. 30, a current maintaining region is set in a region where the temperature is higher than the appropriate temperature. The minimum temperature of the current maintaining region is set to be different depending on the power generated by the fuel cell module 2, and the minimum temperature of the current maintaining region is set higher as the generated power is larger. Further, the minimum temperature of the current maintenance region for each generated power is set such that the difference from the appropriate temperature of the fuel cell module 2 increases as the generated power decreases. When the operating state of the fuel cell module 2 enters this current maintenance region, an increase in output current from the fuel cell module 2 is prohibited. Furthermore, a current reduction region is set in a region where the temperature is higher than the current maintaining region. When the operating state enters this current reduction region, the output current from the fuel cell module 2 is forcibly reduced. An air cooling region is set in a region where the temperature is higher than the current lowering region. When the operating state enters this air cooling region, the supply amount of power generation air is set to the maximum flow rate that can be supplied by the power generation air flow rate adjustment unit 45. An operation stop region is set in a region where the temperature is higher than the air cooling region. When the operation state enters this operation stop region, the power generation by the fuel cell module 2 is stopped to prevent a failure of the solid oxide fuel cell.

さらに、検出温度Tdが急激に上昇した場合には、電流維持領域を画定する温度を、図30に一点鎖線で示すように低下させる。また、この場合には、電流低下領域を画定する温度を、図30に二点鎖線で示すように低下させる。これにより、検出温度Tdが急激に上昇した場合には、早期に電流制限を実施し、過剰な温度上昇を確実に抑制する。   Further, when the detected temperature Td rises rapidly, the temperature that defines the current maintaining region is lowered as shown by a one-dot chain line in FIG. In this case, the temperature defining the current reduction region is lowered as shown by a two-dot chain line in FIG. As a result, when the detected temperature Td rises rapidly, current limitation is performed at an early stage to reliably suppress an excessive temperature rise.

次に、図29を参照して、燃料電池モジュールが生成する電流制限の手順を説明する。
まず、図29のステップS41においては、検出温度Tdが読み込まれる。次いで、ステップS42においては、ステップS41で読み込まれた検出温度Tdと、所定時間前の検出温度Tdが比較される。ステップS41で読み込まれた検出温度Tdと所定時間前の検出温度Tdの差が、所定の閾値温度以下の場合にはステップS43に進む。
Next, a procedure for limiting the current generated by the fuel cell module will be described with reference to FIG.
First, in step S41 of FIG. 29, the detected temperature Td is read. Next, in step S42, the detected temperature Td read in step S41 is compared with the detected temperature Td before a predetermined time. If the difference between the detected temperature Td read in step S41 and the detected temperature Td before a predetermined time is equal to or lower than a predetermined threshold temperature, the process proceeds to step S43.

ステップS43においては、温度領域を判定するマップとして、図30に実線で示す基本特性が選択される。一方、最新の検出温度Tdと所定時間前の検出温度Tdの差が、所定の閾値温度よりも大きい場合には、ステップS44に進み、ステップS44においては、温度領域を判定するマップとして、図30に一点鎖線及び二点鎖線で示す急昇温特性が選択される。   In step S43, a basic characteristic indicated by a solid line in FIG. 30 is selected as a map for determining the temperature region. On the other hand, if the difference between the latest detected temperature Td and the detected temperature Td before the predetermined time is larger than the predetermined threshold temperature, the process proceeds to step S44. In step S44, as a map for determining the temperature region, FIG. The rapid temperature rise characteristics indicated by the alternate long and short dashed lines are selected.

次いで、ステップS45においては、検出温度Tdが運転停止領域内か否かが判断される。本実施形態においては、検出温度Tdが運転停止閾値温度である780℃以上である場合に、運転停止領域内と判断される。検出温度Tdが運転停止領域内と判断された場合には、ステップS46に進む。ステップS46においては、燃料電池モジュール2による発電が停止され、固体酸化物型燃料電池システムが緊急停止される。   Next, in step S45, it is determined whether or not the detected temperature Td is within the operation stop region. In the present embodiment, when the detected temperature Td is equal to or higher than the operation stop threshold temperature of 780 ° C., it is determined that the operation is in the operation stop region. If it is determined that the detected temperature Td is within the operation stop region, the process proceeds to step S46. In step S46, power generation by the fuel cell module 2 is stopped and the solid oxide fuel cell system is urgently stopped.

一方、ステップS45において、検出温度Tdが運転停止領域内ではないと判断された場合には、ステップS47に進む。ステップS47においては、検出温度Tdが空冷領域内か否かが判断される。本実施形態においては、検出温度Tdが強制冷却閾値温度である750℃以上である場合に、空冷領域内と判断される。検出温度Tdが空冷領域内と判断された場合には、ステップS48に進む。   On the other hand, if it is determined in step S45 that the detected temperature Td is not within the operation stop region, the process proceeds to step S47. In step S47, it is determined whether or not the detected temperature Td is within the air cooling region. In the present embodiment, when the detected temperature Td is equal to or higher than the forced cooling threshold temperature of 750 ° C., it is determined that the air is in the air cooling region. If it is determined that the detected temperature Td is within the air cooling region, the process proceeds to step S48.

ステップS48においては、発電電流が最小の電流である1Aに固定され、この電流は、インバータ54には出力されず、補機ユニット4により消費される。また、空気供給量は、発電用空気流量調整ユニット45により供給可能な最大流量に設定される。また、水の供給量も増加され、水蒸気量と炭素量の比S/C=4に設定され、図29のフローチャートの1回の処理が終了する。   In step S <b> 48, the generated current is fixed to 1 A, which is the minimum current, and this current is not output to the inverter 54 but is consumed by the auxiliary unit 4. The air supply amount is set to the maximum flow rate that can be supplied by the power generation air flow rate adjustment unit 45. Further, the supply amount of water is also increased, the ratio of the water vapor amount to the carbon amount S / C = 4 is set, and one process of the flowchart of FIG. 29 is completed.

一方、ステップS47において、検出温度Tdが空冷領域内ではないと判断された場合には、ステップS49に進む。ステップS49においては、検出温度Td及び発電電流が、電流低下領域内にあるか否かが判断され、電流低下領域内にある場合にはステップS50に進む。   On the other hand, if it is determined in step S47 that the detected temperature Td is not within the air cooling region, the process proceeds to step S49. In step S49, it is determined whether or not the detected temperature Td and the generated current are within the current decrease region. If they are within the current decrease region, the process proceeds to step S50.

ステップS50においては、燃料電池モジュール2による発電電流が、強制的に4A以下に低下される。即ち、燃料電池モジュール2による発電電力の上限値を、最大定格電力である700Wの2分の1よりも高い温度上昇抑制電力(400W)に低下させる。以後、需要電力が低下した場合には、需要電力に追従して発電電力(電流)の上限値を低下させ、需要電力が増加しても、発電電流は増加させずに維持される。これにより、図29のフローチャートの1回の処理が終了する。このような発電電流の制限は、検出温度Td及び発電電流が、電流低下領域から外れるまで継続される。   In step S50, the current generated by the fuel cell module 2 is forcibly reduced to 4A or less. That is, the upper limit value of the electric power generated by the fuel cell module 2 is reduced to a temperature rise suppression power (400 W) higher than a half of 700 W which is the maximum rated power. Thereafter, when the demand power decreases, the upper limit value of the generated power (current) is decreased following the demand power, and even if the demand power increases, the generated current is maintained without increasing. Thereby, the one-time process of the flowchart of FIG. 29 is completed. Such limitation of the generated current is continued until the detected temperature Td and the generated current are out of the current decrease region.

一方、ステップS49において、検出温度Td及び発電電流が、電流低下領域内にないと判断された場合にはステップS51に進む。ステップS51においては、検出温度Td及び発電電流が、電流維持領域内にあるか否かが判断され、電流維持領域内にある場合にはステップS52に進む。   On the other hand, if it is determined in step S49 that the detected temperature Td and the generated current are not within the current decrease region, the process proceeds to step S51. In step S51, it is determined whether or not the detected temperature Td and the generated current are within the current maintenance region. If they are within the current maintenance region, the process proceeds to step S52.

ステップS52においては、発電電流の増加が禁止され、以後、需要電力が増加しても、発電電流は増加させずに維持される。また、需要電力が低下した場合には、需要電力の低下に追従して発電電流(電力)の上限値を低下させ、需要電力が増加しても、発電電流(電力)の上限値は上昇させずに維持される。このような発電電流の制限は、検出温度Td及び発電電流が、電流維持領域から外れ、燃料電池モジュール2の過剰な温度上昇が解消されるまで継続される。これにより、図29のフローチャートの1回の処理が終了する。   In step S52, an increase in the generated current is prohibited, and thereafter, even if the demand power increases, the generated current is maintained without increasing. In addition, when the demand power decreases, the upper limit value of the generated current (electric power) is decreased following the decrease in the demand power, and even if the demand power increases, the upper limit value of the generated current (electric power) is increased. Maintained without. Such limitation of the generated current is continued until the detected temperature Td and the generated current are out of the current maintaining region and the excessive temperature rise of the fuel cell module 2 is resolved. Thereby, the one-time process of the flowchart of FIG. 29 is completed.

本実施形態においては、各発電電流について、検出温度Tdが電流維持領域の最低温度を超えると、発電電力の規制が開始されるので、本明細書においては、各発電電流に対する電流維持領域の最低温度を発電電力規制温度(図30)と称する。この発電電力規制温度は、本実施形態においては、燃料利用率を高くする変更が開始される燃料利用率変更温度(Ts(I)+Te)(図22)よりも高く設定されている。   In the present embodiment, for each generated current, when the detected temperature Td exceeds the minimum temperature of the current maintenance region, the regulation of the generated power is started. Therefore, in this specification, the minimum of the current maintenance region for each generated current The temperature is referred to as a generated power regulation temperature (FIG. 30). In this embodiment, the generated power regulation temperature is set to be higher than the fuel utilization rate change temperature (Ts (I) + Te) (FIG. 22) at which the change to increase the fuel utilization rate is started.

一方、ステップS51において、検出温度Td及び発電電流が、電流維持領域内にないと判断された場合にはステップS53に進む。ステップS53においては、発電電流の制限は実行されず、蓄熱を利用した制御が実行される。   On the other hand, when it is determined in step S51 that the detected temperature Td and the generated current are not within the current maintaining region, the process proceeds to step S53. In step S53, the generated current is not limited, and control using heat storage is performed.

次に、図31を参照して、発電電流制限の一例を説明する。
図31に示すタイムチャートは、上段から順に、検出温度Td、目標電流、発電電流、燃料供給量、燃料利用率、及び空気供給量の変化を模式的に示す図である。ここで、目標電流とは、需要電力及び発電電圧より求められた電流である。
Next, an example of generated current limitation will be described with reference to FIG.
The time chart shown in FIG. 31 is a diagram schematically showing changes in detected temperature Td, target current, generated current, fuel supply amount, fuel utilization rate, and air supply amount in order from the top. Here, the target current is a current obtained from demand power and generated voltage.

まず、図31の時刻t20においては、発電電流は約6Aであり、検出温度Tdは、発電電流約6Aにおける適正温度よりもやや低い状態にある(図30のt20に対応)。
次いで、時刻t20〜t21においては、需要電力が短時間に大きく増減を繰り返したため、目標電流も大幅に増減していると共に、発電電流もこれに追従すべく増減している。これに対して、燃料供給量は、図20により説明したように、発電電流が低下した後も所定時間保持されると共に、発電電流の増加よりも先行して増加されるため、発電電流に対して過剰になり、多くの余剰燃料が発生している。この余剰燃料は、燃料電池モジュール2内の加熱に使用されるため、時刻t20〜t21において、検出温度Tdは上昇傾向となっている。
First, at time t20 in FIG. 31, the generated current is about 6A, and the detected temperature Td is in a state slightly lower than the appropriate temperature in the generated current about 6A (corresponding to t20 in FIG. 30).
Next, at times t20 to t21, since the demand power repeatedly fluctuates greatly in a short time, the target current also greatly increases and decreases, and the generated current also increases and decreases to follow this. On the other hand, as described with reference to FIG. 20, the fuel supply amount is maintained for a predetermined time after the generation current is reduced and is increased prior to the increase in the generation current. And excess fuel is generated. Since this surplus fuel is used for heating in the fuel cell module 2, the detected temperature Td tends to increase from time t20 to t21.

さらに、時刻t21において、検出温度Tdが発電電流約6Aにおける電流維持領域の温度に到達する(図30のt21、図29のステップS51→S52に対応)。これにより、図29のステップS52が実行され、以後、発電電流の増加は禁止され、発電電流が維持される。このため、時刻t21〜t22において、目標電流が約7Aに増加しているが、発電電流は約6Aに維持される。発電電流の増加を禁止することにより、発電電力の可変範囲の上限値が低下され、可変範囲が狭くされるので、発電電力の変化に伴う残余燃料の量が少なくなる。このように、発電を継続しながら残余燃料の量を減じる図29のステップS52は、温度上昇抑制手段として作用する。また、温度上昇抑制手段として作用するステップS52を実行するか否かを判断するステップS51は、燃料電池モジュール2内の過剰な温度上昇の発生を推定する過昇温推定手段として作用する。   Further, at time t21, the detected temperature Td reaches the temperature of the current maintaining region at the generated current of about 6A (corresponding to t21 in FIG. 30 and steps S51 to S52 in FIG. 29). Thereby, step S52 of FIG. 29 is executed, and thereafter, the increase in generated current is prohibited and the generated current is maintained. For this reason, from time t21 to t22, the target current increases to about 7A, but the generated current is maintained at about 6A. By prohibiting the increase in the generated current, the upper limit value of the variable range of the generated power is reduced and the variable range is narrowed, so that the amount of residual fuel accompanying a change in the generated power is reduced. In this way, step S52 in FIG. 29, which reduces the amount of residual fuel while continuing power generation, acts as a temperature rise suppression means. Further, step S51 for determining whether or not to execute step S52 acting as a temperature rise suppression means acts as an excessive temperature rise estimation means for estimating the occurrence of an excessive temperature rise in the fuel cell module 2.

さらに、時刻t21〜t22においては、検出温度Tdが上昇するため、第1加減算値M1が正に大きい値となり、第1積算値N1idの値も著しく増加する。これにより、燃料利用率Ufを増加させるように燃料供給量が減少される(図23)。この燃料利用率Ufの増加も、残余燃料の量を減じ、燃料電池モジュール2内の温度を低下させるように作用するので、温度上昇抑制手段として作用する。なお、時刻t21〜t22においては、燃料利用率Ufを増加させ、断熱材7等に蓄積された熱量を積極的に消費しているが、燃料電池モジュール2の熱容量が非常に大きいため、検出温度Tdは上昇を続けている。   Further, at times t21 to t22, since the detected temperature Td rises, the first addition / subtraction value M1 becomes a positive large value, and the value of the first integrated value N1id also increases significantly. As a result, the fuel supply amount is decreased so as to increase the fuel utilization rate Uf (FIG. 23). This increase in the fuel utilization rate Uf also acts as a temperature rise suppression means because it acts to reduce the amount of residual fuel and lower the temperature in the fuel cell module 2. At times t21 to t22, the fuel utilization rate Uf is increased and the amount of heat accumulated in the heat insulating material 7 and the like is actively consumed. However, since the heat capacity of the fuel cell module 2 is very large, the detected temperature Td continues to rise.

次に、時刻t22においては、増加された燃料利用率Ufが、発電電流約6Aにおける最大の燃料利用率である最大燃料利用率Ufmax(=75%)に到達する(図23におけるN1id=1、図24)。時刻t22において燃料利用率Ufは最大燃料利用率Ufmaxまで高められているので、時刻t22〜t23においては、燃料利用率Ufは最大燃料利用率Ufmaxに維持される。一方、時刻t22〜t23において、検出温度Tdは依然として上昇を続けているため、第2積算値N2idの値(第1積算値N1idと同一の値)も増加する。これに伴い、空気利用率Uaが低下される(図25におけるN2id>1)、即ち、空気供給量が増加される。   Next, at time t22, the increased fuel utilization rate Uf reaches the maximum fuel utilization rate Ufmax (= 75%), which is the maximum fuel utilization rate at the generated current of about 6A (N1id = 1 in FIG. 23, FIG. 24). Since the fuel utilization rate Uf is increased to the maximum fuel utilization rate Ufmax at time t22, the fuel utilization rate Uf is maintained at the maximum fuel utilization rate Ufmax from time t22 to t23. On the other hand, since the detected temperature Td continues to rise from time t22 to t23, the value of the second integrated value N2id (the same value as the first integrated value N1id) also increases. Along with this, the air utilization rate Ua is reduced (N2id> 1 in FIG. 25), that is, the air supply amount is increased.

さらに、時刻t23において、検出温度Tdは、発電電流約6Aにおける電流低下領域の温度に到達する(図29のステップS49→S50に対応)。これにより、図29のステップS50が実行され、発電電流は、約6Aから4Aに急激に低下され(図30のt23→t23’)、発電電力の可変範囲の上限値が更に低下され、可変範囲が更に狭くされる。このため、燃料利用率Ufは、発電電流約6Aにおける最大燃料利用率Ufmaxから、発電電流4Aにおける最大燃料利用率Ufmaxに僅かに低下される(図24、図31)。なお、時刻t23において、燃料利用率Ufは低下されるが、発電電流が4Aに減少されているため、燃料供給量の絶対量、及び残余燃料の絶対量は低下する。発電電流を低下させた状態で燃料利用率Ufを最大燃料利用率Ufmaxに維持しているため、蓄積された熱量の消費が更に促進される。このように、発電電流を減じることにより、発電を継続しながら残余燃料の量を減じる図29のステップS50も、温度上昇抑制手段として作用する。しかしながら、時刻t23〜t24においては、検出温度Tdは依然として上昇する。   Furthermore, at time t23, the detected temperature Td reaches the temperature of the current drop region at the generated current of about 6A (corresponding to steps S49 → S50 in FIG. 29). Accordingly, step S50 in FIG. 29 is executed, and the generated current is rapidly reduced from about 6A to 4A (t23 → t23 ′ in FIG. 30), and the upper limit value of the variable range of the generated power is further reduced. Is further narrowed. For this reason, the fuel utilization rate Uf is slightly reduced from the maximum fuel utilization rate Ufmax at the generated current of about 6A to the maximum fuel utilization rate Ufmax at the generated current 4A (FIGS. 24 and 31). At time t23, the fuel utilization rate Uf is reduced, but since the generated current is reduced to 4A, the absolute amount of fuel supply and the absolute amount of residual fuel are reduced. Since the fuel utilization rate Uf is maintained at the maximum fuel utilization rate Ufmax while the generated current is reduced, the consumption of the accumulated heat amount is further promoted. In this way, step S50 in FIG. 29, which reduces the amount of residual fuel while continuing power generation by reducing the generated current, also acts as temperature rise suppression means. However, the detected temperature Td still rises from time t23 to t24.

次いで、時刻t24において、検出温度Tdは空冷領域の温度に到達する(図29のステップS47→S48、図30のt24に対応)。これにより、図29のステップS48が実行され、空気供給量が、発電用空気流量調整ユニット45の最大空気供給量まで増加される。また、発電電流は4Aから1Aに向けて次第に低下される。以後、この温度上昇抑制発電量である1Aに低下された発電電流は、検出温度Tdが、電流維持領域よりも低い温度に低下するまで一定に維持される。また、1Aに低下された発電電流は、インバータ54には出力されず、全量が補機ユニット4によって消費される。発電電流の低下に伴い、燃料利用率Ufは、発電電流4Aにおける最大燃料利用率Ufmaxから、発電電流1Aにおける最大燃料利用率Ufmax(=50%)に低下される(図24)。   Next, at time t24, the detected temperature Td reaches the temperature of the air cooling region (corresponding to steps S47 → S48 in FIG. 29, t24 in FIG. 30). Thus, step S48 of FIG. 29 is executed, and the air supply amount is increased to the maximum air supply amount of the power generation air flow rate adjustment unit 45. Further, the generated current gradually decreases from 4A to 1A. Thereafter, the generated current that has been reduced to 1 A, which is the temperature increase suppressing power generation amount, is kept constant until the detected temperature Td decreases to a temperature lower than the current maintaining region. Further, the generated current reduced to 1 A is not output to the inverter 54, and the entire amount is consumed by the auxiliary unit 4. As the generated current decreases, the fuel utilization rate Uf decreases from the maximum fuel utilization rate Ufmax at the generated current 4A to the maximum fuel utilization rate Ufmax (= 50%) at the generated current 1A (FIG. 24).

このように、温度上昇抑制手段である図29のステップS50における、残余燃料の量を減少させる温度上昇の抑制が実行された後、更なる温度上昇の抑制が必要な場合において、供給される空気が増加される。発電に必要な供給量以上に増加された増加分の空気は、燃料電池モジュール2に流入される冷却用の流体として作用するので、図29のステップS48は、強制冷却手段として機能する。   As described above, after the temperature increase suppression for reducing the amount of residual fuel is executed in step S50 of FIG. 29, which is the temperature increase suppression means, the air supplied when the temperature increase needs to be further suppressed. Is increased. Since the increased amount of air increased beyond the supply amount necessary for power generation acts as a cooling fluid flowing into the fuel cell module 2, step S48 in FIG. 29 functions as a forced cooling means.

一方、残余燃料の量を減少させる温度上昇抑制手段であるステップS50を実行することにより、検出温度Tdが空冷領域の温度に到達することなく低下した場合には、強制冷却手段であるステップS48による冷却は実行されない。従って、強制冷却手段による温度上昇の抑制は、温度上昇抑制手段による温度上昇の抑制が実行された後、燃料電池モジュール2内の温度変化に基づいて、実行されるか否かが決定される。   On the other hand, if the detected temperature Td decreases without reaching the temperature in the air cooling region by executing step S50, which is a temperature rise suppression means for reducing the amount of residual fuel, the process proceeds to step S48, which is a forced cooling means. No cooling is performed. Therefore, whether or not the temperature rise suppression by the forced cooling means is executed is determined based on the temperature change in the fuel cell module 2 after the temperature rise suppression by the temperature rise suppression means is executed.

時刻t24の後、検出温度Tdは上昇を続けるが、時刻t25において低下に転じる(図30のt24→t25)。その後、検出温度Tdは低下し、時刻t26において、電流低下領域の上限の温度まで低下する(図30のt25→t26)。これにより、空気供給量の低下が開始される。   After time t24, the detected temperature Td continues to increase, but starts decreasing at time t25 (t24 → t25 in FIG. 30). Thereafter, the detected temperature Td decreases, and at time t26, the detected temperature Td decreases to the upper limit temperature of the current decrease region (t25 → t26 in FIG. 30). Thereby, the reduction of the air supply amount is started.

次に、時刻t27において、電流維持領域の上限の温度まで低下する(図30のt26→t27)。検出温度Tdは更に低下を続け、時刻t28において、電流維持領域の下限の温度まで低下する(図30のt27→t28)。   Next, at time t27, the temperature decreases to the upper limit temperature of the current maintaining region (t26 → t27 in FIG. 30). The detected temperature Td continues to further decrease, and at time t28, the detected temperature Td decreases to the lower limit temperature of the current maintaining region (t27 → t28 in FIG. 30).

時刻t28において、検出温度Tdが電流維持領域から脱すると、発電電流は、目標電流に追従すべく増加を開始する。これに伴い、燃料供給量も増加する。また、燃料利用率Ufは、各発電電流に対応した最大燃料利用率Ufmaxをとりながら増加する。   When the detected temperature Td goes out of the current maintaining region at time t28, the generated current starts to increase to follow the target current. Along with this, the fuel supply amount also increases. Further, the fuel utilization rate Uf increases while taking the maximum fuel utilization rate Ufmax corresponding to each generated current.

なお、上述した実施形態においては、燃料電池モジュール2内の温度に応じ、発電電力の可変範囲の上限値を低下させることにより、温度上昇を抑制していたが、変形例として、発電電力の増減頻度を低下させることにより温度上昇を抑制することもできる。即ち、燃料電池モジュール2内の温度が上昇した場合には、需要電力の増加に追従して発電電力を増加させる追従性を低下させることにより、温度上昇を抑制することもできる。需要電力の増加に対する追従性を低下させると、需要電力が増加した場合、発電電力は、より緩慢に増加する。このため、需要電力が頻繁に増減された場合には、これに追従しようとする発電電力の増減幅が結果的に小さくなると共に、増減する頻度も少なくなり、発生する残余燃料の量も減少する。このような、需要電力の増加に対する追従性の低下は、燃料電池モジュール2内の過剰な温度上昇が解消されるまで継続する。   In the above-described embodiment, the temperature rise is suppressed by lowering the upper limit value of the variable range of the generated power in accordance with the temperature in the fuel cell module 2. Temperature rise can also be suppressed by reducing the frequency. That is, when the temperature in the fuel cell module 2 rises, the rise in temperature can be suppressed by reducing the followability of increasing the generated power following the increase in demand power. When the followability to the increase in demand power is reduced, the generated power increases more slowly when the demand power increases. For this reason, when the demand power is frequently increased or decreased, the increase / decrease width of the generated power to follow this is reduced as a result, the frequency of increase / decrease is reduced, and the amount of residual fuel generated is also reduced. . Such a decrease in followability with respect to an increase in demand power continues until the excessive temperature rise in the fuel cell module 2 is resolved.

或いは、需要電力の増加に追従して発電電力を増加させる時間当たりの頻度に制限を加えることもできる。この場合には、発電電力が増加傾向に転じる所定時間当たりの回数に制限を加え、所定時間当たりの回数が多くなった場合には、需要電力の増加に発電電力を追従させないように、発電電力を制御する。   Alternatively, it is possible to limit the frequency per hour for increasing the generated power following the increase in demand power. In this case, a limit is imposed on the number of times per predetermined time at which the generated power turns to an increasing trend, and if the number of times per predetermined time increases, the generated power will not follow the increase in demand power. To control.

また、上述した実施形態においては、検出温度Tdが電流低下領域の温度に到達すると、発電電流の上限値を4Aに低下させていたが、変形例として、低下させる発電電力の上限値を可変にすることもできる。例えば、燃料電池モジュール2内の温度が高いほど、低下させる発電電力の上限値を低く設定することができる。   In the above-described embodiment, when the detected temperature Td reaches the temperature in the current reduction region, the upper limit value of the generated current is reduced to 4 A. However, as a modified example, the upper limit value of the generated power to be reduced is variable. You can also For example, the upper limit value of the generated power to be reduced can be set lower as the temperature in the fuel cell module 2 is higher.

次に、図32を参照して、燃料電池モジュール2内の温度と、発電可能な最大電力の関係を説明する。
上記のように、燃料電池モジュール2の発電電力(電流)と、燃料電池モジュール2内の適正な温度には相関があり、大きな発電電力を得るためには、燃料電池モジュール2内の温度を高くする必要がある。しかしながら、燃料電池モジュール2が、発電電力に対する適正温度よりも高い、700℃程度を超える温度領域では、燃料電池セルスタック14の特性上、各燃料電池セルユニット16が発生する電位が低下する。このため、大きな電力を得るために、燃料電池セルスタック14から大きな電流を引き出すと、更に燃料電池セルスタック14の温度が上昇して発生する電位が低下するので、電流を増大させても出力電力が増加しないという現象が発生する。これにより、図32に示すように、燃料電池モジュール2内の温度が高い領域においては、温度が上昇すると発電可能な最大電力が却って低下する。このような温度領域において、燃料電池モジュール2から最大定格電力を取り出そうとすると、取り出す電力を増大させるために電流を増加させ、この電流上昇が更に燃料電池モジュール2の温度を上昇させて、取り出される電力を低下させることになる。このような状態が持続すると、所定の定格電力を得ようとするために、燃料電池モジュール2の温度が急上昇する熱暴走を招く。
Next, the relationship between the temperature in the fuel cell module 2 and the maximum power that can be generated will be described with reference to FIG.
As described above, there is a correlation between the generated power (current) of the fuel cell module 2 and the appropriate temperature in the fuel cell module 2, and in order to obtain large generated power, the temperature in the fuel cell module 2 is increased. There is a need to. However, in the temperature range in which the fuel cell module 2 is higher than the appropriate temperature for the generated power and exceeds about 700 ° C., the potential generated by each fuel cell unit 16 decreases due to the characteristics of the fuel cell stack 14. For this reason, when a large current is drawn from the fuel cell stack 14 in order to obtain a large amount of power, the temperature of the fuel cell stack 14 further rises and the generated potential decreases, so that the output power can be increased even if the current is increased. The phenomenon that does not increase occurs. Thus, as shown in FIG. 32, in the region where the temperature in the fuel cell module 2 is high, the maximum power that can be generated decreases as the temperature rises. In such a temperature range, if the maximum rated power is to be extracted from the fuel cell module 2, the current is increased to increase the extracted power, and this current rise further increases the temperature of the fuel cell module 2 and is extracted. The power will be reduced. If such a state continues, in order to obtain a predetermined rated power, a thermal runaway in which the temperature of the fuel cell module 2 rapidly rises is caused.

本実施形態においては、燃料電池モジュール2内の温度が適正温度よりも高い領域では、需要電力が増大された場合にも発電電流を維持、又は低下させることにより、熱暴走を未然に防止している。
本発明の第2実施形態の固体酸化物型燃料電池によれば、燃料電池セルユニット16の温度が、強制冷却閾値温度(図30、750℃)に到達した場合に燃料電池モジュール内の温度を低下させる強制冷却手段(図29、ステップS47→S48)を有するので、燃料電池モジュール2内の過剰な温度上昇を確実に回避することができる。
In the present embodiment, in a region where the temperature in the fuel cell module 2 is higher than the appropriate temperature, thermal runaway can be prevented by maintaining or reducing the generated current even when demand power is increased. Yes.
According to the solid oxide fuel cell of the second embodiment of the present invention, when the temperature of the fuel cell unit 16 reaches the forced cooling threshold temperature (FIG. 30, 750 ° C.), the temperature in the fuel cell module is set. Since the forced cooling means for lowering (FIG. 29, steps S47 → S48) is provided, an excessive temperature rise in the fuel cell module 2 can be surely avoided.

また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池によれば、燃料電池セルユニット16の温度が所定の運転停止閾値温度(図30、780℃)に到達した場合、燃料電池モジュールを停止させる(図29、ステップS45→S46)ので、燃料電池モジュール2を損傷するリスクを、より確実に回避することができる。   Further, according to the solid oxide fuel cell of the present embodiment, when the temperature of the fuel cell unit 16 reaches a predetermined operation stop threshold temperature (FIG. 30, 780 ° C.), the fuel cell module is stopped (FIG. 29, Steps S45 → S46), the risk of damaging the fuel cell module 2 can be avoided more reliably.

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。特に、上述した実施形態においては、断熱材(蓄熱材)の熱容量は一定であったが、変形例として、熱容量を変更できるように燃料電池モジュールを構成することができる。この場合には、大きな熱容量をもつ追加熱容量部材を、燃料電池モジュールと熱的に連結及び切り離しできるように配置しておく。熱容量を大きくすべき状態においては追加熱容量部材を燃料電池モジュールと熱的に連結し、熱容量を小さくすべき状態においては追加熱容量部材を熱的に切り離す。例えば、固体酸化物型燃料電池の起動時においては、追加熱容量部材を切り離しておくことにより熱容量を小さくし、燃料電池モジュールの昇温を速くする。一方、固体酸化物型燃料電池が、大発電電力で長時間運転されことが予想される場合には、燃料電池モジュールが、より多くの余剰熱量を蓄積できるように、追加熱容量部材を連結する。   As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, a various change can be added to embodiment mentioned above. In particular, in the above-described embodiment, the heat capacity of the heat insulating material (heat storage material) is constant, but as a modification, the fuel cell module can be configured so that the heat capacity can be changed. In this case, the additional heat capacity member having a large heat capacity is arranged so as to be thermally connected to and disconnected from the fuel cell module. When the heat capacity is to be increased, the additional heat capacity member is thermally connected to the fuel cell module, and when the heat capacity is to be decreased, the additional heat capacity member is thermally disconnected. For example, when starting up the solid oxide fuel cell, the heat capacity is reduced by separating the additional heat capacity member, and the temperature of the fuel cell module is increased quickly. On the other hand, when the solid oxide fuel cell is expected to be operated for a long time with large generated power, the additional heat capacity member is connected so that the fuel cell module can accumulate a larger amount of surplus heat.

1 固体酸化物型燃料電池
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
7 断熱材(蓄熱材)
8 密封空間
10 発電室
12 燃料電池セル集合体
14 燃料電池セルスタック
16 燃料電池セルユニット(固体酸化物型燃料電池セル)
18 燃焼室
20 改質器
22 空気用熱交換器
24 水供給源
26 純水タンク
28 水流量調整ユニット(水蒸気供給手段)
30 燃料供給源
38 燃料流量調整ユニット(燃料供給手段)
40 空気供給源
44 改質用空気流量調整ユニット(改質用酸化剤ガス供給手段)
45 発電用空気流量調整ユニット(発電用酸化剤ガス供給手段)
46 第1ヒータ
48 第2ヒータ
50 温水製造装置
52 制御ボックス
54 インバータ
83 点火装置
84 燃料電池セル
110 制御部(制御手段)
110a 蓄熱量推定手段
110b 過昇温判断手段
110c 燃料テーブル変更手段
112 操作装置
114 表示装置
116 警報装置
126 電力状態検出センサ(需要電力検出手段)
132 燃料流量センサ(燃料供給量検出センサ)
138 圧力センサ(改質器圧力センサ)
142 発電室温度センサ(温度検出手段)
148 改質器温度センサ(温度検出手段)
150 外気温度センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid oxide fuel cell 2 Fuel cell module 4 Auxiliary machine unit 7 Heat insulation material (heat storage material)
8 Sealed space 10 Power generation chamber 12 Fuel cell assembly 14 Fuel cell stack 16 Fuel cell unit (solid oxide fuel cell)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 18 Combustion chamber 20 Reformer 22 Air heat exchanger 24 Water supply source 26 Pure water tank 28 Water flow rate adjustment unit (steam supply means)
30 Fuel supply source 38 Fuel flow rate adjustment unit (fuel supply means)
40 Air supply source 44 Reforming air flow rate adjusting unit (reforming oxidant gas supply means)
45 Air flow adjustment unit for power generation (oxidant gas supply means for power generation)
46 1st heater 48 2nd heater 50 Hot water production apparatus 52 Control box 54 Inverter 83 Ignition apparatus 84 Fuel cell 110 Control part (control means)
110a Heat storage amount estimation means 110b Over temperature rise determination means 110c Fuel table change means 112 Operation device 114 Display device 116 Alarm device 126 Power state detection sensor (demand power detection means)
132 Fuel flow sensor (fuel supply detection sensor)
138 Pressure sensor (reformer pressure sensor)
142 Power generation chamber temperature sensor (temperature detection means)
148 Reformer temperature sensor (temperature detection means)
150 Outside temperature sensor

Claims (5)

燃料と発電用の酸化剤ガスを反応させることにより電力を生成する固体酸化物型燃料電池であって、
複数の固体電解質型燃料電池セルを内部に格納した燃料電池モジュールと、
上記燃料電池モジュール内に配置され、上記燃料電池モジュールで発生した熱を蓄積する蓄熱材と、
上記燃料と酸化剤ガスを化学反応させることにより燃料を部分酸化改質する改質反応であるPOX、及び、上記部分酸化改質及び燃料と水蒸気を化学反応させる水蒸気改質を同時に発生させることにより燃料をオートサーマル改質する改質反応であるATR、及び、上記水蒸気改質のみを発生させる改質反応であるSR1、及び、SR1よりも少量の燃料を水蒸気改質する改質反応であるSR2を発生させることによって水素を生成する、上記燃料電池モジュール内に配置された改質器と、
この改質器に燃料を供給することにより、上記改質器で改質された燃料を上記固体電解質型燃料電池セルに送り込む燃料供給手段と、
上記改質器に改質用の酸化剤ガスを供給する改質用酸化剤ガス供給手段と、
上記改質器に改質用の水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、
上記固体電解質型燃料電池セルに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、
上記燃料電池モジュール複数箇所の温度を検出し、内少なくとも一つが上記改質器の温度反映する温度検出手段と、
上記燃料供給手段、上記改質用酸化剤ガス供給手段、上記水蒸気供給手段、及び上記発電用酸化剤ガス供給手段を制御して、予め決定された温度帯域において、上記改質器内で上記POX、上記ATR、上記SR1、上記SR2の順序で改質反応を生じさせて上記燃料電池モジュールから電力を取出可能な発電開始温度まで上記固体電解質型燃料電池セルを昇温させる起動工程を実行する一方で、上記起動工程を終了した後、上記燃料電池モジュールから電力を取出す発電工程を開始するように構成された制御手段と、を有し
上記制御手段は、上記温度検出手段によって検出された複数箇所の温度の何れもが、上記各改質反応毎に設定された所定の移行条件の温度以上になったとき、次の改質反応を生じさせるように構成され
さらに、
上記起動工程中において、上記複数箇所の温度のうち、一部の温度が移行条件の温度に到達せず、上記改質器の温度を反映した温度値が上記移行条件の温度よりも高く設定された強制移行温度に達したとき、過剰な昇温があると判定する過昇温判断手段と、
上記温度検出手段により検出された検出温度と所定の基準温度との偏差に基づいて決定された加減算値を経時的に積算することにより、上記蓄熱材に蓄積されている蓄熱量を反映した積算値を計算し、この積算値に基づいて上記蓄熱材に蓄積されている上記余剰な蓄熱量を推定すると共に、上記加減算値の積算を上記SR2から開始する蓄熱量推定手段と、を有し、
上記制御手段は、上記起動工程中の上記SR2において、燃料供給量を一定に維持すると共に、上記固体電解質型燃料電池セルが上記発電開始温度に到達している場合でも所定の発電移行時間以上SR2実行されるまでは発電工程を開始しないように構成され、
さらに、上記制御手段は、上記蓄熱量推定手段により上記蓄熱材に利用可能な余剰な熱量が蓄積されていることが推定されると共に、上記過昇温判断手段が過昇温であると判断した場合には、上記所定の発電移行時間以上SR2を実行後に過昇温でない場合よりも燃料供給量を減少させ、燃料利用率を高めた高効率運転で上記発電工程を開始することを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
A solid oxide fuel cell that generates electric power by reacting a fuel and an oxidant gas for power generation,
A fuel cell module having a plurality of solid oxide fuel cells stored therein ;
Disposed within the fuel cell module, a heat storage material for storing heat generated in the fuel cell module,
By simultaneously generating POX, which is a reforming reaction for partially oxidizing and reforming fuel by chemically reacting the fuel with an oxidant gas, and steam reforming for chemically reacting the partial oxidation reforming and fuel with steam. ATR which is a reforming reaction for autothermal reforming of fuel, SR1 which is a reforming reaction for generating only the steam reforming, and SR2 which is a reforming reaction for steam reforming a smaller amount of fuel than SR1 A reformer disposed in the fuel cell module that generates hydrogen by generating
Fuel supply means for supplying fuel to the reformer by feeding the fuel reformed by the reformer to the solid oxide fuel cell;
A reforming oxidant gas supply means for supplying a reforming oxidant gas to the reformer;
Steam supply means for supplying steam for reforming to the reformer;
Power generation oxidant gas supply means for supplying power generation oxidant gas to the solid oxide fuel cell;
Temperature detecting means for detecting temperatures at a plurality of locations in the fuel cell module , at least one of which reflects the temperature of the reformer ;
By controlling the fuel supply means, the reforming oxidant gas supply means, the water vapor supply means, and the power generation oxidant gas supply means, the POX in the reformer in a predetermined temperature range. While the ATR, the SR1, and the SR2 are performed in the order, a start-up step is performed to raise the temperature of the solid oxide fuel cell to a power generation start temperature at which power can be taken out from the fuel cell module. in, after the completion of the above activation step, and a control unit configured to start power generation step of taking out the electric power from the fuel cell module,
The control means performs the next reforming reaction when any of the temperatures detected by the temperature detecting means becomes equal to or higher than a predetermined transition condition temperature set for each reforming reaction. Configured to produce ,
further,
And have you during the activation step, of the temperature of the plurality of positions, does not reach the temperature of the portion of the temperature transition condition, the temperature value reflecting the temperature of the reformer is higher than the temperature of the transition condition An excessive temperature rise determination means for determining that there is an excessive temperature rise when the set forced transition temperature is reached ;
By over time integrating the subtraction value which is determined based on the deviation between the detected temperature and a predetermined reference temperature detected by said temperature detecting means, the integrated reflecting the heat storage amount stored in the heat storage material A heat storage amount estimating means for calculating a value, estimating the surplus heat storage amount accumulated in the heat storage material based on the integrated value, and starting integration of the addition / subtraction value from the SR2 .
In the SR2 during the start-up process, the control means maintains the fuel supply amount constant, and the SR2 exceeds the predetermined power generation transition time even when the solid oxide fuel cell reaches the power generation start temperature. Is configured not to start the power generation process until
Further, the control means estimates that the heat storage material estimation means stores an excessive amount of heat that can be used in the heat storage material, and determines that the excessive temperature rise determination means is an excessive temperature increase. In this case, the power generation process is started by high-efficiency operation in which the fuel supply amount is reduced and the fuel utilization rate is increased as compared with the case where the temperature rise is not excessive after the SR2 is executed for the predetermined power generation transition time or longer. Solid oxide fuel cell.
上記燃料電池モジュールは、需要電力に応じて所定の電力範囲で可変の発電電力を生成するように構成され、上記SR2における燃料供給量は上記電力範囲の中間帯域の発電電力に対応する燃料供給量に設定されており、上記制御手段は、上記燃料電池モジュールの温度が上記起動工程中に過剰に上昇した場合には、需要電力に関わらず、上記中間帯域以下の発電電力で発電工程を開始する請求項1記載の固体酸化物型燃料電池。   The fuel cell module is configured to generate variable generated power in a predetermined power range according to demand power, and the fuel supply amount in the SR2 is a fuel supply amount corresponding to the generated power in the intermediate band of the power range When the temperature of the fuel cell module rises excessively during the start-up process, the control means starts the power generation process with the generated power below the intermediate band regardless of the power demand. The solid oxide fuel cell according to claim 1. 上記蓄熱材に蓄積されている蓄熱量を推定するための上記積算値は、定の大値に到達したときは積算値の増加を行わず定の小値に到達したときは積算値の減少を行わないように積算され、上記SR2での加減算値の積算開始時においては、上記大値と上記小値の中間の値から積算が開始されるように予め決定された所定の積算値を初期値とし、該初期値から加減算値の積算が開始されるように構成されている請求項1記載の固体酸化物型燃料電池。 The cumulative value for estimating the heat storage amount stored in the heat storage material, upon reaching to a Jo Tokoro of the maximum value is not performed in an increase in the integrated value, when it reaches the minimum value of Jo Tokoro is are integrated so as not to decrease the integrated value, at the time of integration start of addition and subtraction value in the SR2, it is predetermined such integration from an intermediate value of the maximum value and the minimum value is started 2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein a predetermined integrated value is used as an initial value, and addition / subtraction is started from the initial value . 上記制御手段は、上記改質器の温度が所定のSR2移行改質器温度を超え、且つ、上記固体電解質型燃料電池セルの温度が所定のSR2移行セル温度を超えると、上記SR1から上記SR2に移行するように構成される一方、上記改質器の温度が、上記SR2移行改質器温度よりも高く設定された所定のSR2強制移行温度を超えた場合には、上記固体電解質型燃料電池セルの温度が上記SR2移行セル温度に到達する前に上記SR2に移行させる請求項1記載の固体酸化物型燃料電池。 When the temperature of the reformer exceeds a predetermined SR2 transition reformer temperature and the temperature of the solid oxide fuel cell exceeds a predetermined SR2 transition cell temperature, the control means performs the SR1 to SR2 When the reformer temperature exceeds a predetermined SR2 forced transition temperature set higher than the SR2 transition reformer temperature , the solid oxide fuel cell is configured. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the cell temperature is shifted to SR2 before the cell temperature reaches the SR2 transition cell temperature. 上記制御手段は、上記起動工程中の、上記SR2を生じさせている間に、上記燃料電池モジュールに所定の微弱電力を発電させる請求項1記載の固体酸化物型燃料電池。   2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the control means causes the fuel cell module to generate predetermined weak power while the SR <b> 2 is generated during the start-up process.
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