JP5787144B2 - Solid oxide fuel cell device - Google Patents

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Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う固体酸化物形燃料電池装置に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell device that generates power using a fuel gas and an oxidant gas.

固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」ともいう）は、電解質としてイオン導電性固体酸化物を用い、その両側に電極を取り付けた上で燃料ガスと酸化剤ガス（空気、酸素等）とを供給して、比較的高温で発電反応を生じさせて発電を行う燃料電池装置である。   A solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as “SOFC”) uses an ion conductive solid oxide as an electrolyte, and electrodes are attached to both sides of the fuel cell and an oxidant gas (air, The fuel cell device performs power generation by generating a power generation reaction at a relatively high temperature.

一般に、ＳＯＦＣは、燃料極層と空気極層との間に酸化物が挟持されてなる燃料電池セルを複数有する燃料電池セル集合体を備えており、燃料ガスと酸化剤ガス（空気、酸素等）とが流れることによって作動する。その際、ＳＯＦＣの外部からは、被改質ガス（例えばメタンガス等の都市ガス）が供給され、当該被改質ガスを改質触媒が収められた改質器に導入して水素リッチな改質ガスに改質した後に、当該改質ガスが燃料電池セル集合体へ供給されるように構成されている。   In general, the SOFC includes a fuel cell assembly having a plurality of fuel cells in which an oxide is sandwiched between a fuel electrode layer and an air electrode layer, and includes a fuel gas and an oxidant gas (air, oxygen, etc.). ) And flow. At that time, a gas to be reformed (for example, city gas such as methane gas) is supplied from the outside of the SOFC, and the gas to be reformed is introduced into a reformer in which a reforming catalyst is housed to perform hydrogen-rich reforming. After reforming into gas, the reformed gas is supplied to the fuel cell assembly.

一般的にＳＯＦＣは、電圧降下などが少ないこともあって高い発電効率で動作することが可能である。しかし、一方では、ＳＯＦＣの起動・停止に要する時間が長時間に亘ることや、定常的な発電状態における燃料電池セルにおける動作温度が８００℃を超え、場合によっては９００℃を超える場合もあることなどから、起動・停止にかかる取り扱いの不便さや排熱方法が技術上の問題となる場合が多い。加えて、ＳＯＦＣは燃料電池使用者からの使用電力の変化要求に対する負荷追従性が低く、発電量を瞬時に増減させることが困難である。   In general, the SOFC can operate with high power generation efficiency due to a small voltage drop. However, on the other hand, it takes a long time to start and stop the SOFC, and the operating temperature of the fuel cell in a steady power generation state exceeds 800 ° C, and in some cases may exceed 900 ° C. For this reason, inconvenience in handling and exhaust heat methods for starting and stopping often cause technical problems. In addition, the SOFC has a low load following capability for a change in power consumption from a fuel cell user, and it is difficult to increase or decrease the amount of power generation instantaneously.

それに対して、固体高分子形燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ
Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下「ＰＥＦＣ」ともいう）は、ＳＯＦＣと比較した場合の発電効率は低いもものの、起動に要する時間が短く、燃料電池使用者からの使用電力の変化要求に対する負荷追従性が高いという特徴を有している。また、ＰＥＦＣも都市ガス等の被改質ガスを水素リッチに改質するために改質器を必要とするところ、改質器内で実行される水素発生反応として吸熱反応が選択されれば、高温動作するＳＯＦＣにて生じる排熱を有効利用することも可能であると考えられる。 In contrast, a polymer electrolyte fuel cell (Polymer Electrolyte)
Fuel Cell (hereinafter also referred to as “PEFC”) has low power generation efficiency compared to SOFC, but has a short start-up time and high load-following capability for changes in power usage from fuel cell users It has characteristics. In addition, PEFC also requires a reformer to reform the gas to be reformed such as city gas to be rich in hydrogen. If an endothermic reaction is selected as a hydrogen generation reaction to be executed in the reformer, It is considered possible to effectively use the exhaust heat generated in the SOFC operating at a high temperature.

このような考え方のもと、ＰＥＦＣをシステムに組み込むことで、高温動作するＳＯＦＣからの排熱を無駄に捨てるのではなく、ＰＥＦＣに用いる改質器において有効利用して、高い発電効率と高い負荷追従性とを両立させたハイブリッド型燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。   Based on this concept, by incorporating the PEFC into the system, the exhaust heat from the SOFC operating at high temperature is not wasted, but it is effectively used in the reformer used for the PEFC, resulting in high power generation efficiency and high load. There has been proposed a hybrid fuel cell system that achieves both followability (see Patent Document 1).

特開２００１−２６６９２４号公報JP 2001-266924 A

上述した従来の技術においては、高温動作するＳＯＦＣの燃料電池セルよりの排熱を別系統の改質器において再利用することが可能となっている。しかしながら、負荷追従性の低いＳＯＦＣと負荷追従性が高いＰＥＦＣを組み合わせて用いる場合、利用者による急激な使用電力の変化要求に対応するために、ＳＯＦＣと協働するＰＥＦＣの運転状態を変化させる必要がある。このようにＰＥＦＣの運転状態を変化させる場合には、ＰＥＦＣへの水素供給量を変化させる必要があり、従ってＰＥＦＣ側の改質器で用いられる被改質ガス量も変化してしまう。   In the conventional technology described above, it is possible to reuse the exhaust heat from the SOFC fuel cell operating at a high temperature in a reformer of another system. However, when using a combination of an SOFC with a low load following capability and a PEFC with a high load following capability, it is necessary to change the operating state of the PEFC in cooperation with the SOFC in order to respond to a sudden change in power consumption by the user. There is. When the operating state of the PEFC is changed in this way, it is necessary to change the amount of hydrogen supplied to the PEFC. Therefore, the amount of gas to be reformed used in the reformer on the PEFC side also changes.

一般的な燃料電池システムに用いられる改質器における水素の発生には種々の反応を用いることが可能であるが、高い負荷追従性を有するＰＥＦＣにおいては燃料ガスとして大量の水素を瞬間的に必要とすることが想定される。従って、ＰＥＦＣにおいては、最も水素の収率が高い改質反応である水蒸気改質反応ＳＲを用いることができる。ここで、水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応である。よって、ＰＥＦＣの改質器において水蒸気改質反応ＳＲを用いる場合、改質器への被改質ガスの流入量が増加すると、改質器において局所的な吸熱反応、即ち局所的な温度低下が発生し、当該改質器の近辺に配置されているＳＯＦＣ側の燃料電池セルの一部に局所的な吸熱部が発生し得る。とりわけ高温で動作するＳＯＦＣのモジュール内のセルの一部にて、このような局所的低温部ともいうべき吸熱部が発生することは、ＳＯＦＣのモジュール内の燃料電池セル間に温度ムラを招き、各燃料電池セル間で発電能力の不均一化が生じて、ＳＯＦＣの耐久性に悪影響を与えることが発明者らによる研究の結果わかった。   Various reactions can be used to generate hydrogen in a reformer used in a general fuel cell system, but a large amount of hydrogen is instantaneously required as a fuel gas in a PEFC with high load following capability. It is assumed that Therefore, in the PEFC, the steam reforming reaction SR, which is the reforming reaction having the highest hydrogen yield, can be used. Here, the steam reforming reaction SR is an endothermic reaction. Therefore, when the steam reforming reaction SR is used in the PEFC reformer, when the amount of gas to be reformed flowing into the reformer increases, a local endothermic reaction, that is, a local temperature drop occurs in the reformer. And a local heat absorption part may be generated in a part of the SOFC-side fuel cell arranged in the vicinity of the reformer. In particular, in some of the cells in the SOFC module operating at a high temperature, the occurrence of such an endothermic part, which is also referred to as a local low temperature part, causes temperature unevenness between the fuel cells in the SOFC module, As a result of research conducted by the inventors, it has been found that non-uniform power generation capacity occurs between the fuel cells, which adversely affects the durability of the SOFC.

さらに、高温動作するＳＯＦＣの燃料電池セルよりの排熱を再利用して別系統の改質器において水素を発生させて利用する機器として、水素自動車や水素を燃料とする燃料電池自動車が利用する為の水素ステーション等の改質ガス利用機器も考えられる。このようにＳＯＦＣと協働する水素ステーションは、水素ステーション自体の管理・運用にかかる電力を自ら発電するのみならず、水素に加えて電気を供給することも可能である。そして、このような水素ステーションも、使用者からの水素供給要求に応じて瞬時に水素の供給量を増加させる必要に迫られる場合が想定され得り、ＰＥＦＣの場合と同様にＳＯＦＣのモジュール内の燃料電池セル間に温度ムラ生じさせ、ＳＯＦＣの耐久性に悪影響を与えることが懸念される。   Furthermore, hydrogen vehicles and fuel cell vehicles using hydrogen as fuel are used as equipment that reuses exhaust heat from SOFC fuel cells operating at high temperatures to generate hydrogen in a separate reformer. Equipment for using reformed gas, such as hydrogen stations, is also conceivable. In this way, the hydrogen station cooperating with the SOFC not only generates power itself for management and operation of the hydrogen station itself, but also can supply electricity in addition to hydrogen. Such a hydrogen station can be assumed to be required to instantaneously increase the hydrogen supply amount according to the hydrogen supply request from the user, and in the SOFC module as in the case of PEFC. There is a concern that temperature unevenness occurs between the fuel cells, and the durability of the SOFC is adversely affected.

本発明はこのような課題及び知見に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＰＥＦＣに代表される改質ガス利用機器が利用者の要求に応じて所望の状態で稼動可能であり、且つ、当該改質ガス利用機器の稼働状態によって生じ得る、モジュール容器内にて複数の燃料電池セルに生じ得る局所的な吸熱状態を緩和することも可能な固体酸化物形燃料電池装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems and knowledge, and the purpose thereof is that a reformed gas utilization device represented by PEFC can be operated in a desired state according to a user's request, and To provide a solid oxide fuel cell device capable of relieving a local endothermic state that may occur in a plurality of fuel cells in a module container, which may occur depending on the operating state of the reformed gas utilization device. It is in.

上記課題を解決するために、本発明に係る固体酸化物形燃料電池装置は、固体酸化物形燃料電池装置であって、燃料ガスと酸化剤ガスとによって発電を行う複数のセルと、前記複数のセルを収容するモジュール容器と、前記モジュール容器の外壁における外面の一部に配置され、前記複数のセルにて発電時に生じる熱を用いて、吸熱反応によって、被改質ガスを別系統の改質ガス利用機器で利用するための改質ガスへと改質する外部改質器とを備え、前記外壁を挟んで前記外部改質器と対向する位置に配置されたセルの一部に生じ得る局所的な吸熱状態を、前記セルの発熱量を制御することで緩和する発熱状態制御部を有する。   In order to solve the above-mentioned problem, a solid oxide fuel cell device according to the present invention is a solid oxide fuel cell device, and includes a plurality of cells that generate power by using a fuel gas and an oxidant gas, and the plurality of cells. A module container that accommodates the cells and a part of the outer surface of the outer wall of the module container, and heat generated during power generation in the plurality of cells is used to change the gas to be reformed by another endothermic reaction. An external reformer that reforms into a reformed gas for use in a device using gas, and may be generated in a part of a cell disposed at a position facing the external reformer across the outer wall It has a heat generation state control unit that relieves a local endothermic state by controlling the heat generation amount of the cell.

本発明に係る固体酸化物形燃料電池装置は、固体酸化物形燃料電池からの熱を利用して、固体酸化物形燃料電池とは別系統の改質ガス利用機器にて利用される燃料ガスを生成する外部改質器を動作させることで、固体酸化物形燃料電池の余熱を有効活用することができる。同時に、改質ガス利用機器も、外部改質器に用いる為の加熱手段を別途持つことなく水素を生成することができる。また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池装置では、外部改質器が、燃料電池セルを収容するモジュール容器の外壁における外面の一部に配置されるので、発熱するセルからの熱を外部改質器へと効率的に伝搬させることが可能である。ところで、外部改質器においては、改質ガス利用機器側の負荷追従運転によって、改質状態が変化し吸熱反応がより進行することが想定される。このような吸熱反応の進行は、外部改質器に起因する吸熱状態となって、モジュール容器内の複数のセルに影響を与えることが懸念される。そこで本発明では、外壁を挟んで外部改質器と対向する位置に配置されたセルの一部に生じ得る局所的な吸熱状態を、セルの発熱量を制御することで緩和する発熱状態制御部を設けている。本発明に係る固体酸化物形燃料電池装置は、この発熱状態制御部によって燃料電池セルの温度を上昇させ、改質ガス利用機器からの要求により外部改質器にて生じる吸熱量が増えても当該吸熱状態を良好に緩和しつつ、改質反応に用いる熱を燃料電池セルから外部改質器へと有意に伝搬することができる。   The solid oxide fuel cell device according to the present invention utilizes the heat from the solid oxide fuel cell, and is a fuel gas used in a reformed gas utilization device of a different system from the solid oxide fuel cell. By operating the external reformer that generates the residual heat of the solid oxide fuel cell, the residual heat of the solid oxide fuel cell can be effectively utilized. At the same time, the reformed gas utilization device can also generate hydrogen without having a separate heating means for use in the external reformer. In the solid oxide fuel cell device according to the present invention, the external reformer is disposed on a part of the outer surface of the outer wall of the module container that accommodates the fuel cell, so that heat from the heat-generating cell is externally transmitted. It is possible to propagate efficiently to the reformer. By the way, in the external reformer, it is assumed that the reformed state changes and the endothermic reaction further proceeds by the load following operation on the reformed gas utilization device side. There is a concern that the progress of the endothermic reaction becomes an endothermic state caused by the external reformer and affects a plurality of cells in the module container. Therefore, in the present invention, a heat generation state control unit that alleviates a local endothermic state that may occur in a part of the cell disposed at a position facing the external reformer across the outer wall by controlling the amount of heat generated by the cell. Is provided. The solid oxide fuel cell device according to the present invention increases the temperature of the fuel cell by this heat generation state control unit, and even if the endothermic amount generated in the external reformer increases due to a request from the reformed gas utilization device. The heat used for the reforming reaction can be significantly propagated from the fuel cell to the external reformer while satisfactorily relaxing the endothermic state.

本発明に係る固体酸化物形燃料電池装置では、前記発熱状態制御部は、前記外壁を挟んで前記外部改質器と対向する位置に配置された前記セルの前記発熱量を制御することも好ましい。   In the solid oxide fuel cell device according to the present invention, it is also preferable that the heat generation state control unit controls the heat generation amount of the cell disposed at a position facing the external reformer across the outer wall. .

この好ましい態様では、使用電力量の増加要求により外部改質器にて生じる吸熱状態に変化があっても、外部改質器と対向する位置に設けられた燃料電池セルの温度低下を有効に防止することが可能であるばかりでなく、外部改質器と対向する位置にある燃料電池セルの発熱量のみを増加させることで局所的な吸熱状態をより効率的に緩和することができる。また、この好ましい態様では、本発明に係る固体酸化物形燃料電池装置の局所的な吸熱状態を緩和する為に、その他大多数の燃料電池セルにおける発電量を増加させる必要がなく、省エネルギー化に大きく寄与する。   In this preferred embodiment, even if there is a change in the endothermic state generated in the external reformer due to an increase in the amount of power used, it is possible to effectively prevent the temperature drop of the fuel cell provided at the position facing the external reformer. In addition to increasing the amount of heat generated only by the fuel cell at the position facing the external reformer, the local endothermic state can be more efficiently mitigated. In this preferred embodiment, it is not necessary to increase the amount of power generation in the majority of other fuel cells in order to alleviate the local endothermic state of the solid oxide fuel cell device according to the present invention. A big contribution.

本発明に係る固体酸化物形燃料電池装置では、前記発熱状態制御部は、前記セルの発電量を変更することで前記セルの発熱量を制御する発電状態制御手段であることも好ましい。   In the solid oxide fuel cell device according to the present invention, it is also preferable that the heat generation state control unit is a power generation state control means for controlling the heat generation amount of the cell by changing the power generation amount of the cell.

この好ましい態様では、発熱状態制御部が燃料電池セルの発熱量を制御するにあたって、別途特別な装置を必要とすることなく既存の燃料電池セルにおける発電量制御を個別に行うだけでよいので、部品数の増加による装置故障の可能性を低減しつつ、局所的な吸熱状態を効率的に且つ簡便に緩和することができる。   In this preferred embodiment, when the heat generation state control unit controls the heat generation amount of the fuel cell, it is only necessary to individually control the power generation amount in the existing fuel cell without requiring a special device. The local endothermic state can be relaxed efficiently and easily while reducing the possibility of device failure due to an increase in the number.

本発明に係る固体酸化物形燃料電池装置では、前記発熱状態制御部は、前記セルの冷却状態を変更することで前記セルの発熱量を制御する冷却状態制御手段であることも好ましい。   In the solid oxide fuel cell device according to the present invention, it is preferable that the heat generation state control unit is a cooling state control unit that controls a heat generation amount of the cell by changing a cooling state of the cell.

この好ましい態様では、固体酸化物形燃料電池装置における各燃焼電池セルの発電状態を一定に保ちつつ、既存の構成を用いて燃料電池セルに供給する酸化剤ガスの流量を制御・変化させることさせることができ、局所的な吸熱状態を効率的に且つ簡便に緩和することができる。   In this preferable aspect, the flow rate of the oxidant gas supplied to the fuel cell is controlled and changed using the existing configuration while keeping the power generation state of each combustion battery cell in the solid oxide fuel cell device constant. The local endothermic state can be relaxed efficiently and easily.

本発明に係る固体酸化物形燃料電池装置では、前記発熱状態制御部は、前記外部改質器における前記水素の生成効率が低下すると、前記外壁を挟んで前記外部改質器と対向する位置に配置された前記セルの前記発熱量を低下させることもできる。   In the solid oxide fuel cell device according to the present invention, when the hydrogen generation efficiency in the external reformer decreases, the heat generation state control unit is positioned at a position facing the external reformer with the outer wall interposed therebetween. The calorific value of the arranged cell can also be reduced.

この好ましい態様では、利用者からの要求に応じて外部改質器における局所的な吸熱状態が解消される場合に、冷却状態の変動に起因した燃料電池セルにおける過剰昇温のような局所的な発熱状態を、各燃焼電池セルの発電状態や、燃料電池セルに供給する酸化剤ガスの流量の制御によって解消することができる。   In this preferred embodiment, when the local endothermic state in the external reformer is eliminated in response to a request from the user, a local increase such as an excessive temperature rise in the fuel cell due to a change in the cooling state is detected. The heat generation state can be eliminated by controlling the power generation state of each combustion battery cell and the flow rate of the oxidant gas supplied to the fuel battery cell.

本発明によれば、ＰＥＦＣに代表される改質ガス利用機器の動作状態に対応して、モジュール容器内の複数のセルに生じ得る局所的な吸熱状態を緩和することが可能な固体酸化物形燃料電池装置を提供することできる。   According to the present invention, a solid oxide form capable of alleviating a local endothermic state that can occur in a plurality of cells in a module container corresponding to the operating state of a reformed gas utilization device represented by PEFC. A fuel cell device can be provided.

本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の概略的な斜視図である。1 is a schematic perspective view of a solid oxide fuel cell device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の、図１におけるＩＩ―ＩＩ断面図である。2 is a cross-sectional view of the solid oxide fuel cell device according to the first embodiment of the present invention taken along the line II-II in FIG. 本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の、概略的断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a solid oxide fuel cell device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の外部改質器にて生じる吸熱状態の変化を示す概略図である。It is the schematic which shows the change of the endothermic state which arises in the external reformer of the solid oxide fuel cell apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第２実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置における発熱状態制御部の動作原理を示す概略図である。It is the schematic which shows the operation principle of the heat_generation | fever state control part in the solid oxide fuel cell apparatus which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第３実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置における発熱状態制御部の動作原理を示す概略図である。It is the schematic which shows the operation | movement principle of the heat-generation state control part in the solid oxide fuel cell apparatus which concerns on 3rd Embodiment of this invention.

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の符号を付して、可能な限り重複する説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate understanding of the description, the same components are denoted by the same reference symbols in the drawings, and overlapping descriptions are omitted as much as possible.

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムＡＰについて図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、燃料電池システムＡＰの概略構成を示す概念図である。図１に示すように、燃料電池システムＡＰは、固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１と、固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２とによって構成されている。図２は、図１における固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１の内部が見えるように、図１におけるＩＩ―ＩＩ断面を簡略的に示した模式的断面図である。   A fuel cell system AP according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a conceptual diagram showing a schematic configuration of the fuel cell system AP. As shown in FIG. 1, the fuel cell system AP includes a solid oxide fuel cell device AP1 and a solid polymer fuel cell device AP2. 2 is a schematic cross-sectional view schematically showing the II-II cross section in FIG. 1 so that the inside of the solid oxide fuel cell apparatus AP1 in FIG. 1 can be seen.

固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１は、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａと、一対の外部改質器１，１’とを備えている。固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２は、固体高分子形燃料電池モジュールＡＰ２ａと、水素精製貯蔵部ＨＢとを備えている。   The solid oxide fuel cell apparatus AP1 includes a solid oxide fuel cell module AP1a and a pair of external reformers 1 and 1 '. The polymer electrolyte fuel cell device AP2 includes a polymer electrolyte fuel cell module AP2a and a hydrogen purification storage unit HB.

固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１は、燃料ガスと空気（酸化剤ガス）とを電気化学反応させることで発電するための装置として構成されている。固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａは、複数の燃料電池セル７を格納するモジュール容器４と、生成された電流を取り出すための一対の集電ロッド５，５’を備えている。集電ロッド５，５’は、インバータＡＰ１ｖに繋がれている。外部改質器１，１’は、モジュール容器４の側壁面に配置され固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２にて用いられる改質ガスを生成するように構成されている。   The solid oxide fuel cell apparatus AP1 is configured as an apparatus for generating electric power by causing an electrochemical reaction between fuel gas and air (oxidant gas). The solid oxide fuel cell module AP1a includes a module container 4 for storing a plurality of fuel cells 7 and a pair of current collecting rods 5 and 5 'for taking out the generated current. The current collecting rods 5 and 5 'are connected to the inverter AP1v. The external reformers 1 and 1 ′ are arranged on the side wall surface of the module container 4 and are configured to generate a reformed gas used in the polymer electrolyte fuel cell device AP <b> 2.

外部改質器１，１’が生成した水素は、固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２の水素精製貯蔵部ＨＢに送られ、必要に応じて高純度の水素に精製された後にバッファされる。その後、水素精製貯蔵部ＨＢに貯蔵された水素は、固体高分子形燃料電池モジュールＡＰ２ａに送られて発電反応に寄与する。固体高分子形燃料電池モジュールＡＰ２ａには、インバータＡＰ２ｖが設けられており、発電された電気を取り出すことが可能なように構成されている。なお上述のとおり、本実施形態における固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２に代えて、外部改質器１，１’と接続された水素ステーション等の改質ガス利用機器を用いることもできる。   The hydrogen generated by the external reformers 1 and 1 'is sent to the hydrogen purification storage unit HB of the polymer electrolyte fuel cell device AP2, and after being purified to high purity hydrogen as necessary, it is buffered. Thereafter, the hydrogen stored in the hydrogen purification storage unit HB is sent to the polymer electrolyte fuel cell module AP2a to contribute to the power generation reaction. The polymer electrolyte fuel cell module AP2a is provided with an inverter AP2v so that the generated electricity can be taken out. As described above, a reformed gas utilizing device such as a hydrogen station connected to the external reformers 1 and 1 ′ can be used instead of the polymer electrolyte fuel cell device AP <b> 2 in the present embodiment.

続いて、固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１について、より詳細に説明する。モジュール容器４は略直方体形状をなし、モジュール容器４の側面を構成する外壁部材が、直方体の正面に相当するモジュール壁４ａより時計回りに、モジュール壁４ｂ、モジュール壁４ｃ及びモジュール壁４ｄの順で設けられている。なお、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａは発電時に燃料電池セル７より発せられる熱により高温となることから、各モジュール壁を含むモジュール容器４の構成部材は、例えばインコネルやステンレスなどの耐熱性の合金材料により形成され、燃料ガスや空気などの供給気体を外部に漏出させないために密閉構造となっている。モジュール容器４の内側には、燃料電池セル７とモジュール容器４とを絶縁すると共に、モジュール容器４内部を保温するためのアルミナ繊維等で形成された絶縁断熱部材が設けられても良く、動作温度を安定に保つためにモジュール容器４の外側の全体又は一部が絶縁断熱部材で覆われていてもよい。   Subsequently, the solid oxide fuel cell apparatus AP1 will be described in more detail. The module container 4 has a substantially rectangular parallelepiped shape, and the outer wall member constituting the side surface of the module container 4 is clockwise from the module wall 4a corresponding to the front of the rectangular parallelepiped in the order of the module wall 4b, the module wall 4c, and the module wall 4d. Is provided. Since the solid oxide fuel cell module AP1a is heated by heat generated from the fuel cell 7 during power generation, the constituent members of the module container 4 including each module wall are made of heat resistant materials such as Inconel and stainless steel. It is made of an alloy material and has a sealed structure so as not to leak supply gas such as fuel gas or air to the outside. Inside the module container 4, an insulating heat insulating member formed of alumina fiber or the like for insulating the fuel battery cell 7 and the module container 4 and keeping the inside of the module container 4 may be provided. In order to keep it stable, the whole or part of the outside of the module container 4 may be covered with an insulating heat insulating member.

固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａのモジュール容器４の上方には、モジュール容器４内の燃料電池セル７へと酸化剤ガスＯＧ（空気）を供給可能な酸化剤ガス供給源ＯＳが接続されており、モジュール容器４の下方には、モジュール容器４内の燃料電池セル７へと燃料ガスＦＧを供給可能な燃料ガス供給源ＦＳが接続されている。なお、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａにおいてモジュール容器４内の燃料電池セル７に供給される酸化剤ガスＯＧである空気は、モジュール容器４の内部上方に設けた図示してない空気ヘッダを通って制御され、各燃料電池セル７に対して適切に分配・供給されてもよい。この空気ヘッダは、各燃料電池セル７に供給される空気を一時的に貯留して昇温させる役割も果たしている。また、各燃料電池セル７に供給される燃料ガスＦＧは、各燃料電池セル７の下方から供給される。ここで、酸化剤ガスＯＧ及び燃料ガスＦＧの流入位置及び流入方向はモジュール容器４内部の燃料電池セル７の形状等に応じて任意に選択可能である。   An oxidant gas supply source OS capable of supplying oxidant gas OG (air) to the fuel cell 7 in the module container 4 is connected above the module container 4 of the solid oxide fuel cell module AP1a. A fuel gas supply source FS capable of supplying the fuel gas FG to the fuel cells 7 in the module container 4 is connected below the module container 4. In the solid oxide fuel cell module AP1a, the air that is the oxidant gas OG supplied to the fuel cell 7 in the module container 4 passes through an air header (not shown) provided above the inside of the module container 4. And may be appropriately distributed and supplied to each fuel cell 7. The air header also serves to temporarily store air supplied to each fuel cell 7 and raise the temperature. Further, the fuel gas FG supplied to each fuel battery cell 7 is supplied from the lower side of each fuel battery cell 7. Here, the inflow position and the inflow direction of the oxidant gas OG and the fuel gas FG can be arbitrarily selected according to the shape of the fuel cell 7 inside the module container 4 and the like.

一対の集電ロッド５，５’は、モジュール容器４のモジュール壁４ｃの外面に設けられており、モジュール容器４内の燃料電池セル７にて発電・生成された直流電流をインバータＡＰ１ｖへと送出している。インバータＡＰ１ｖは、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａの燃料電池セル７にて生成された直流電流を、一般家庭等で利用可能な交流電流へと変換している。   The pair of current collecting rods 5, 5 ′ is provided on the outer surface of the module wall 4 c of the module container 4, and sends a direct current generated and generated by the fuel cell 7 in the module container 4 to the inverter AP 1 v. doing. The inverter AP1v converts the direct current generated in the fuel cell 7 of the solid oxide fuel cell module AP1a into an alternating current that can be used in general homes.

固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１における外部改質器１は、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａと協働するＰＥＦＣに代表される改質ガス利用機器の動作中に用いる改質ガスである水素を生成するために用いられるガス改質器である。本実施形態に係る外部改質器１は、上方にガス入口２を、下方にガス出口３を有しており、被改質ガスＡＧを供給可能な被改質ガス供給源ＡＳより、被改質ガスＡＧと水蒸気のみがガス入口２へと供給され、例えば外部改質器１内部にて以下の化学式に示す水蒸気改質反応ＳＲ、
ＣmＨn＋ａＨ2Ｏ→ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
が進行する。図２に示す実施形態では、この水蒸気改質反応ＳＲによって生成された改質ガス（水素）は、外部改質器１のガス出口３より固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２へと供給され、固体高分子形燃料電池モジュールＡＰ２ａにおける発電に利用される。なお、外部改質器１内部で進行する改質反応としては、水蒸気改質反応ＳＲやオートサーマル改質反応ＡＴＲ等の吸熱反応を伴うものが選択されるので、水素生成反応を促進させる際には別途吸熱用の熱源を必要とする。本実施形態にかかる外部改質器１は、高温で動作する固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａのモジュール容器４のモジュール壁に直接取付けられており、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａのモジュール容器４自体が熱源として働くことで、外部改質器１にて水蒸気改質反応ＳＲを進行・促進させる為の熱が外部改質器１，１’へと充分に供給される。 The external reformer 1 in the solid oxide fuel cell apparatus AP1 uses hydrogen, which is a reformed gas, to be used during operation of a reformed gas utilization device represented by PEFC in cooperation with the solid oxide fuel cell module AP1a. It is a gas reformer used to produce. The external reformer 1 according to the present embodiment has a gas inlet 2 on the upper side and a gas outlet 3 on the lower side, and is modified from a reformed gas supply source AS capable of supplying a gas to be reformed AG. Only the quality gas AG and water vapor are supplied to the gas inlet 2, and for example, the steam reforming reaction SR shown in the following chemical formula inside the external reformer 1,
C m H n + aH 2 O → bCO + cH 2 (1)
Progresses. In the embodiment shown in FIG. 2, the reformed gas (hydrogen) generated by the steam reforming reaction SR is supplied from the gas outlet 3 of the external reformer 1 to the polymer electrolyte fuel cell device AP2 to be solid. It is used for power generation in the polymer fuel cell module AP2a. As the reforming reaction proceeding inside the external reformer 1, a reaction with an endothermic reaction such as a steam reforming reaction SR or an autothermal reforming reaction ATR is selected. Requires a separate heat source for heat absorption. The external reformer 1 according to this embodiment is directly attached to the module wall of the module container 4 of the solid oxide fuel cell module AP1a operating at a high temperature, and the module container 4 of the solid oxide fuel cell module AP1a. By itself acting as a heat source, heat for promoting and promoting the steam reforming reaction SR in the external reformer 1 is sufficiently supplied to the external reformers 1 and 1 ′.

図２を参照すると、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａのモジュール容器４の内部においては、燃料電池セル７が、６行×２列、１２本（燃料電池セル７ａ乃至７ｌ）ごとに一つの燃料電池セルスタック８として構成された上で、燃料電池セルスタック８a乃至８ｌの１２個のスタックがモジュール容器４内に格納されている。各スタック８内の各燃料電池セル７は、有底筒状であって、セラミックス材料からなり筒の内側から外側に向かって空気極、固体酸化物電解質、燃料極の多層構造を形成している。そして、燃料電池セル７の内壁すなわち空気極に空気が、外壁すなわち燃料極に燃料ガスが接触すると、セル内でＯ2-イオンが移動し、電気化学反応を発生させることで空気極と燃料極との間に電位差が生じ、発電が行われる。このようにして燃料電池セル７が発電した電気は、モジュール容器４内部の図示していない集電部材によって集電され、集電ロッド５,５’を経由してインバータへと送られ、一般家庭等で利用可能な交流電流へと変換される。なお、各スタックに封入される燃料電池セル７の構造、形状及び数、並びにモジュールを構成するスタックの数及び配列等は、所望とする発電容量等に応じて適宜選択可能である。 Referring to FIG. 2, inside the module container 4 of the solid oxide fuel cell module AP1a, there are one fuel cell 7 in every 6 rows × 2 columns, 12 (fuel cells 7a to 7l). After being configured as a battery cell stack 8, twelve stacks of fuel cell stacks 8 a to 8 l are stored in the module container 4. Each fuel cell 7 in each stack 8 has a bottomed cylindrical shape and is formed of a ceramic material and forms a multilayer structure of an air electrode, a solid oxide electrolyte, and a fuel electrode from the inside to the outside of the cylinder. . When air contacts the inner wall of the fuel cell 7, that is, the air electrode, and fuel gas contacts the outer wall, that is, the fuel electrode, O 2− ions move in the cell to generate an electrochemical reaction, thereby generating an air electrode and a fuel electrode. A potential difference is generated between the two and power generation is performed. The electricity generated by the fuel battery cell 7 in this way is collected by a current collecting member (not shown) inside the module container 4 and sent to the inverter via the current collecting rods 5 and 5 ′. It is converted into an alternating current that can be used for the above. The structure, shape and number of the fuel cells 7 enclosed in each stack, the number and arrangement of the stacks constituting the module, and the like can be appropriately selected according to the desired power generation capacity and the like.

図１及び図２において示すように、モジュール容器４には、正面側のモジュール壁４ａの中央部に外部改質器１が設置され、背面側のモジュール壁４ｃの外部改質器１と概ね対向する位置に外部改質器１と同型の外部改質器１’が設置されている。これら外部改質器１,１’は、各々ガス出口３及び３'を有しており、水蒸気改質反応ＳＲによって生成した改質ガスである水素を固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２における水素精製貯蔵部ＨＢへ送り出している。外部改質器１,１’から供給される水素は、水素精製貯蔵部ＨＢ内で、必要に応じて高純度の水素に精製されても良く、その後バッファされる。なお、水素精製貯蔵部ＨＢにバッファされた水素は、利用者からの要求に応じて固体高分子形燃料電池モジュールＡＰ２ａ等の改質ガス利用機器へと供給され得る。なお、本実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１のモジュール容器４に取付けられる外部改質器１は、改質ガス利用機器側にて必要とする水素量等の条件に応じて単一で設けられても複数個設けられても良く、複数の外部改質器１の各々が別個の改質ガス利用機器と接続されても良いし、本実施形態のように一つの固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２に対して複数の外部改質器１が接続されても良い。また、モジュール容器４の一つの外壁側面に複数の外部改質器１を設けても良い。   As shown in FIGS. 1 and 2, the module container 4 is provided with an external reformer 1 at the center of the module wall 4a on the front side, and generally facing the external reformer 1 on the module wall 4c on the back side. The external reformer 1 'of the same type as the external reformer 1 is installed at the position where These external reformers 1 and 1 ′ have gas outlets 3 and 3 ′, respectively, and purify hydrogen, which is a reformed gas generated by the steam reforming reaction SR, in the polymer electrolyte fuel cell device AP2. It is sent out to the storage unit HB. Hydrogen supplied from the external reformer 1, 1 'may be purified to high-purity hydrogen as necessary in the hydrogen purification storage unit HB and then buffered. The hydrogen buffered in the hydrogen refining storage unit HB can be supplied to a reformed gas utilizing device such as the polymer electrolyte fuel cell module AP2a according to a request from the user. The external reformer 1 attached to the module container 4 of the solid oxide fuel cell apparatus AP1 according to the present embodiment is a single unit depending on conditions such as the amount of hydrogen required on the reformed gas utilization device side. Or a plurality of external reformers 1 may be connected to separate reformed gas utilization devices, or one solid polymer type as in this embodiment. A plurality of external reformers 1 may be connected to the fuel cell device AP2. A plurality of external reformers 1 may be provided on one outer wall side surface of the module container 4.

図１及び図２の双方において示されているように、外部改質器１は、モジュール壁４ａの外面の略中心部に取り付けられ、モジュール壁４ａを挟んで外部改質器１と対向する位置には、燃料電池セルスタック８ｂ乃至８ｅの４つが存在している。なお、これらスタック内に含まれる燃料電池セル７のうち、モジュール壁４ａを挟んで外部改質器１に対応する位置に立設されている６本の燃料電池セル（燃料電池セルスタック８ｃの燃料電池セル７ｂ、燃料電池セルスタック８ｄの燃料電池セル７ａ,７ｂ、燃料電池セルスタック８ｃの燃料電池セル７ａ,７ｂ、及び燃料電池セルスタック８ｄの燃料電池セル７ａ）のモジュール壁４ａの内面側には、外部改質器１のモジュール壁４ａへの接続部分を覆う面積を有する図示していない銅板等の吸熱緩和手段が挟み込まれてもよい。また、モジュール容器４内部の各燃料電池セルスタック８間に、モジュール容器４における燃料電池セル７間の温度差を低減するための、銅板等の伝熱材料で形成された複数の図示していない追加伝熱板を設けても良い。   As shown in both FIG. 1 and FIG. 2, the external reformer 1 is attached to a substantially central portion of the outer surface of the module wall 4a and faces the external reformer 1 across the module wall 4a. There are four fuel cell stacks 8b to 8e. Of the fuel cells 7 included in these stacks, six fuel cells (fuels of the fuel cell stack 8c) that are erected at positions corresponding to the external reformer 1 across the module wall 4a. On the inner surface side of the module wall 4a of the battery cell 7b, the fuel cell 7a, 7b of the fuel cell stack 8d, the fuel cell 7a, 7b of the fuel cell stack 8c, and the fuel cell 7a of the fuel cell stack 8d) May include an endothermic relaxation means such as a copper plate (not shown) having an area covering the connection portion of the external reformer 1 to the module wall 4a. Moreover, between the fuel cell stacks 8 inside the module container 4, a plurality of heat transfer materials such as copper plates for reducing the temperature difference between the fuel cells 7 in the module container 4 are not shown. An additional heat transfer plate may be provided.

次に、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムＡＰにおける発熱状態制御部を用いた局所的な吸熱状態の緩和の態様を、図３及び図４を参照しながら説明する。図３に示すのは、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１の図２におけるＩＩＩ―ＩＩＩ断面の概略的断面図である。本図においては、局所的吸熱状態の緩和の態様をより簡潔に説明する目的で、実際に配置されている燃料電池セルスタック８ｄ及び８ｊにおいて本断面に示され得る１２本の燃料電池セル７を簡略化して５本の燃料電池セル１７ａ乃至１７ｅのみで示している。   Next, the mode of local relaxation of the endothermic state using the heat generation state control unit in the fuel cell system AP according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. 2 of the solid oxide fuel cell apparatus AP1 according to the present embodiment. In this figure, for the purpose of more concisely explaining the mode of relaxation of the local endothermic state, twelve fuel cells 7 that can be shown in this section in the actually arranged fuel cell stacks 8d and 8j are shown. For simplicity, only five fuel cells 17a to 17e are shown.

密閉されたモジュール容器４内部においては、高温で発電動作を行う燃料電池セル７のうち、モジュール容器４のモジュール壁４ａ乃至４ｄに近い外側寄りに配置された燃料電池セル７が、モジュール壁４ａ乃至４ｄより最も離れた中心部寄りに配置された燃料電池セル７と比較して、モジュール容器４外への放熱による温度低下を生じやすい。また、同様の理由で一の燃料電池セル７において、その中央部と比較して上下端部の温度が低くなる傾向がある。つまり、モジュール容器４内を満たす複数の燃料電池セル７において、縦方向、横方向、及び高さ方向の何れにおいても、中心部寄りの温度が外側端部の温度と比して高くなる。図３においては、このような高温部ＨＡがモジュール容器４の中心部に破線で示されている。なお、図２において言及した追加伝熱板は、モジュール容器４内で高温部ＨＡを通過してモジュール容器４のモジュール壁４ａと４ｃとの間に延在して高温部ＨＡ近辺の燃料電池セル７とモジュール壁４ａ及び４ｃ近辺の温度低下を生じやすい燃料電池セル７との間の熱の移動を促進させ、モジュール容器４内部の燃料電池セル７における温度分布を均一化することに寄与している。   In the sealed module container 4, among the fuel cells 7 that perform a power generation operation at a high temperature, the fuel cells 7 arranged on the outer side close to the module walls 4 a to 4 d of the module container 4 include the module walls 4 a to 4. Compared to the fuel battery cell 7 disposed closer to the center part farthest than 4d, a temperature drop is likely to occur due to heat radiation to the outside of the module container 4. For the same reason, the temperature of the upper and lower end portions of one fuel battery cell 7 tends to be lower than that of the central portion. That is, in the plurality of fuel cells 7 filling the inside of the module container 4, the temperature near the center is higher than the temperature at the outer end in any of the vertical direction, the horizontal direction, and the height direction. In FIG. 3, such a high-temperature part HA is indicated by a broken line at the center of the module container 4. The additional heat transfer plate referred to in FIG. 2 passes through the high temperature portion HA in the module container 4 and extends between the module walls 4a and 4c of the module container 4 so that the fuel cell in the vicinity of the high temperature portion HA. 7 and the fuel cell 7 that tends to cause a temperature drop in the vicinity of the module walls 4 a and 4 c, thereby contributing to uniform temperature distribution in the fuel cell 7 inside the module container 4. Yes.

ここで、上述の通り固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１に接続された固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２は、固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１とは別個に制御されている。基本的には、負荷追従性に乏しい固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１が概ね一定の電力量で継続的に発電し続けるのに対して、負荷追従性に富む固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２は利用者の要求に応じて必要とされる電力量を瞬間的に供給する役割を果たしている。例えば利用者より使用する電力量を増加させるという要求が送られてきた場合、初期的には固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２における水素精製貯蔵部ＨＢにおいて精製された後バッファされた水素の固体高分子形燃料電池モジュールＡＰ２ａへの流量が増加する。しかしながら、利用者よりの使用電力量の増加要求が継続的なものである場合や、短時間でも大量の電力量が要求される場合等には、水素精製貯蔵部ＨＢにてバッファした水素だけでは当該発電要求に応えることは不可能であり、固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２における発電量を大きく増加させなければならない。よって、固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２における発電量自体を継続的又は大幅に増加させる必要がある場合には、外部改質器１における水素供給量を増加させる必要がある。そしてこの場合、外部改質器１における水蒸気改質反応ＳＲを促進させる目的で、外部改質器１への被改質ガスＡＧの供給量を増加させる必要が生じる。   Here, as described above, the polymer electrolyte fuel cell device AP2 connected to the solid oxide fuel cell device AP1 is controlled separately from the solid oxide fuel cell device AP1. Basically, the solid oxide fuel cell device AP1 with poor load followability continues to generate power continuously with a substantially constant amount of power, whereas the solid polymer fuel cell device AP2 with high load followability It plays the role of instantaneously supplying the required amount of power according to the user's request. For example, when a request for increasing the amount of electric power used by a user is sent, initially, the solid content of the buffered hydrogen after being purified in the hydrogen purification storage unit HB in the polymer electrolyte fuel cell device AP2 is increased. The flow rate to the molecular fuel cell module AP2a increases. However, when the demand for increasing the amount of power used by the user is continuous, or when a large amount of power is required even for a short time, only the hydrogen buffered in the hydrogen purification storage unit HB is used. It is impossible to meet the power generation requirement, and the power generation amount in the polymer electrolyte fuel cell device AP2 must be greatly increased. Therefore, when it is necessary to continuously or significantly increase the power generation amount itself in the polymer electrolyte fuel cell device AP2, it is necessary to increase the hydrogen supply amount in the external reformer 1. In this case, it is necessary to increase the supply amount of the reformed gas AG to the external reformer 1 for the purpose of promoting the steam reforming reaction SR in the external reformer 1.

図４に示すのは、外部改質器１への被改質ガスＡＧの供給量を増加させた場合に外部改質器１とモジュール容器４との間で生じ得る吸熱状態の変化を示す概略図である。図４の左側（ａ）に示されているのは、利用者による発電量の増加命令がなされていない又は当該増加命令に対して水素精製貯蔵部ＨＢにバッファされた水素で対応可能である等の理由から、被改質ガスの流入量が少ない状態の外部改質器１における吸熱状態である。この状態においては、外部改質器１におけるガス入口２近辺の吸熱量はガス出口３付近の吸熱量と比して高い状態ではあるものの、全体としての吸熱量が大きいとは言えない。これに対して図４の右側（ｂ）に示されているのは、利用者による発電量の増加命令に対応すべく、固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２における発電量が増加している等の理由から、被改質ガスの流入量が多い状態の外部改質器１における吸熱状態である。この状態においては、ガス入口２への被改質ガスＡＧの供給量及びガス出口３よりの改質ガスである水素の供給量が大きくなっているだけでなく、外部改質器１におけるガス入口２近辺の吸熱量及びガス出口３付近の吸熱量の何れもが（ａ）に示した状態と比較して高くなっていることが判る。そして、被改質ガスＡＧの供給量が増えてガス入口２近辺での改質反応がより促進されることで、ガス入口２付近を中心として外部改質器１周辺部に局所的な吸熱状態が発生し得ることも明らかである。   FIG. 4 is a schematic diagram showing a change in the endothermic state that can occur between the external reformer 1 and the module container 4 when the supply amount of the reformed gas AG to the external reformer 1 is increased. FIG. What is shown on the left side (a) of FIG. 4 is that the user is not instructed to increase the amount of power generation, or can respond to the increase command with hydrogen buffered in the hydrogen purification storage unit HB, etc. For this reason, it is in the endothermic state in the external reformer 1 in a state where the amount of the reformed gas is small. In this state, although the endothermic amount in the vicinity of the gas inlet 2 in the external reformer 1 is higher than the endothermic amount in the vicinity of the gas outlet 3, it cannot be said that the overall endothermic amount is large. On the other hand, what is shown on the right side (b) of FIG. 4 is that the amount of power generation in the polymer electrolyte fuel cell device AP2 is increasing in order to respond to the command to increase the amount of power generation by the user. For the reason, it is an endothermic state in the external reformer 1 with a large amount of inflow of the reformed gas. In this state, not only the supply amount of the reformed gas AG to the gas inlet 2 and the supply amount of hydrogen as reformed gas from the gas outlet 3 are increased, but also the gas inlet in the external reformer 1 It can be seen that both the endothermic amount near 2 and the endothermic amount near the gas outlet 3 are higher than the state shown in FIG. Then, the supply amount of the reformed gas AG is increased and the reforming reaction in the vicinity of the gas inlet 2 is further promoted, so that a local endothermic state is present in the periphery of the external reformer 1 around the gas inlet 2. It is also clear that can occur.

上述したように、外部改質器１がモジュール容器４のモジュール壁４ａに取付けられているので、モジュール壁４ａを挟んで外部改質器１と対向する位置に配置された複数の燃料電池セル７からは、図４に示すような局所的な吸熱状態に起因して熱が奪われる。この局所的な吸熱状態に起因した局所吸熱部ＬＡが図３において示されている。具体的には、局所吸熱部ＬＡは、モジュール容器４のモジュール壁４ａを挟んで外部改質器１と対向する位置に配置されている複数の燃料電池セル７の一部分に対応する領域に生じ、その領域における燃料電池セル７の温度は、局所的吸熱部ＬＡ以外の領域に配置されている燃料電池セル７の温度と比較して著しく低い。なお、局所的吸熱部ＬＡは、一つの燃料電池セル７内に生じたり、外部改質器１の接続部分の一部分にのみ生じる場合もある。それら何れの場合であっても、局所的吸熱部ＬＡに対応する領域の温度は、モジュール容器４において局所的吸熱部ＬＡに対応する領域を除く残余の領域における温度と比較すると低くなる。例えば、通常状態で発電する固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａの燃料電池セル１７ｂ乃至１７ｅにおける温度は略８６０℃であるのに対して、局所吸熱部ＬＡを含む燃料電池セル１７ａの温度は略８５０℃程度まで低下する場合がある。このように、外部改質器１における局所的な吸熱状態に起因した燃料電池セル７における局所吸熱部ＬＡは、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａのモジュール容器４内に含まれる複数の燃料電池セル７間における温度ムラを生じさせ得る原因となり得る。   As described above, since the external reformer 1 is attached to the module wall 4a of the module container 4, a plurality of fuel cells 7 disposed at positions facing the external reformer 1 with the module wall 4a interposed therebetween. The heat is taken away from the local endothermic state as shown in FIG. A local endothermic part LA resulting from this local endothermic state is shown in FIG. Specifically, the local heat absorption part LA occurs in a region corresponding to a part of the plurality of fuel cells 7 arranged at a position facing the external reformer 1 across the module wall 4a of the module container 4, The temperature of the fuel cell 7 in that region is significantly lower than the temperature of the fuel cell 7 arranged in a region other than the local heat absorbing portion LA. In addition, the local heat absorption part LA may be generated in one fuel cell 7 or may be generated only in a part of the connection part of the external reformer 1. In any of these cases, the temperature of the region corresponding to the local endothermic portion LA is lower than the temperature in the remaining region other than the region corresponding to the local endothermic portion LA in the module container 4. For example, the temperature of the fuel cells 17b to 17e of the solid oxide fuel cell module AP1a that generates power in a normal state is approximately 860 ° C., whereas the temperature of the fuel cell 17a including the local heat absorbing portion LA is approximately 850. May decrease to about ℃. Thus, the local endothermic part LA in the fuel cell 7 due to the local endothermic state in the external reformer 1 is a plurality of fuel cells contained in the module container 4 of the solid oxide fuel cell module AP1a. 7 can cause temperature unevenness between the two.

しかしながら、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１は、モジュール壁４ａを挟んで外部改質器１に最も近接する位置に配置される燃料電池セル１７ａの発熱状態とそれ以外の燃料電池セル１７ｂ乃至１７ｅの発熱状態とを個別に制御する発熱状態制御部ＣＵを有している。とりわけ、本実施形態に係る発熱状態制御部ＣＵは、各燃料電池セル７における発電状態を制御する発電状態制御手段である。ここで、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａの各燃料電池セル７は、発電量が増加すると自身の温度（発熱量）が上昇するという性質を有している。つまり、局所吸熱部ＬＡを包含する燃料電池セル１７ａの発電量を増加させることは、当該燃料電池セル１７ａにおける発熱量を上昇させ、その結果図３において直列接続された燃料電池セル１７ｂ乃至１７ｅと燃料電池セル１７aとの間の温度差を緩和することができる。このように、当該局所吸熱部ＬＡを含む燃料電池セル７ａの低温状態が緩和されることで、上述したような固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａのモジュール容器４内の温度ムラが解消され得り、固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１の耐久性が向上する。さらに、局所吸熱部ＬＡを含む燃料電池セル７ａの温度が上昇することは、外部改質器１よりの局所的な吸熱要求も改善するので、外部改質器１における水蒸気改質反応ＳＲをより促進させるという優れた効果も有している。また、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の局所的な吸熱状態を緩和する為には、外部改質器と対向する位置に配置された燃料電池セル１７a以外の燃料電池セル１７ｂ乃至１７ｅにおける発電量を増加させる必要がないので、省エネルギー化に大きく寄与する。加えて、本実施形態では、発熱状態制御部が燃料電池セルの発熱量を制御するにあたって、別途特別な制御装置を用いること無く、既存の制御装置を用いて燃料電池セルに対する発電量制御を個別に行うだけでよいので、専用部品数の増加による装置故障の可能性を低減しつつ、局所的な吸熱状態を効率的に且つ簡便に緩和することができる。   However, in the solid oxide fuel cell apparatus AP1 according to the present embodiment, the heat generation state of the fuel cell 17a disposed at the position closest to the external reformer 1 across the module wall 4a and other fuel cells. A heat generation state control unit CU that individually controls the heat generation states of the cells 17b to 17e is provided. In particular, the heat generation state control unit CU according to the present embodiment is power generation state control means for controlling the power generation state in each fuel cell 7. Here, each fuel cell 7 of the solid oxide fuel cell module AP1a has a property that its temperature (heat generation amount) increases as the power generation amount increases. That is, increasing the power generation amount of the fuel battery cell 17a including the local heat absorption part LA increases the heat generation amount of the fuel battery cell 17a, and as a result, the fuel battery cells 17b to 17e connected in series in FIG. The temperature difference with the fuel cell 17a can be reduced. Thus, the low temperature state of the fuel battery cell 7a including the local heat absorption part LA is alleviated, so that the temperature unevenness in the module container 4 of the solid oxide fuel cell module AP1a as described above can be eliminated. The durability of the solid oxide fuel cell device AP1 is improved. Furthermore, the increase in the temperature of the fuel battery cell 7a including the local endothermic portion LA also improves the local endothermic demand from the external reformer 1, so that the steam reforming reaction SR in the external reformer 1 is further increased. It also has an excellent effect of promoting. Further, in order to alleviate the local endothermic state of the solid oxide fuel cell device according to the present embodiment, the fuel cells 17b to 17b other than the fuel cell 17a disposed at a position facing the external reformer. Since it is not necessary to increase the amount of power generation in 17e, it greatly contributes to energy saving. In addition, in this embodiment, when the heat generation state control unit controls the heat generation amount of the fuel battery cell, the power generation amount control for the fuel battery cell is individually performed using the existing control device without using a separate special control device. Therefore, the local endothermic state can be relaxed efficiently and easily while reducing the possibility of device failure due to an increase in the number of dedicated parts.

図５に示すのは、本発明の第２実施形態に係る発熱状態制御部の動作原理を示す簡略図である。図３に示す第３実施形態との相違点は、本実施形態に係る発熱状態制御部が、発電状態を制御するのではなく、各セルに対して供給する酸化剤ガスのＯＧの供給量を制御していることであり、第１実施形態と重複する部分についての説明は割愛する。   FIG. 5 is a simplified diagram showing the operation principle of the heat generation state control unit according to the second embodiment of the present invention. The difference from the third embodiment shown in FIG. 3 is that the heat generation state control unit according to this embodiment does not control the power generation state, but the supply amount of OG of oxidant gas supplied to each cell. It is controlling, and the description about the part which overlaps with 1st Embodiment is omitted.

先に述べたように、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａは、燃料電池セル７に向けて酸化剤ガスＯＧを供給する酸化剤ガス供給源ＯＳへと接続されており、本実施形態に係る発熱状態制御部ＣＵは、モジュール容器４の内部上方に設けた空気ヘッダを通る酸化剤ガスＯＧの流量を適切に制御している。ここで、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａの各燃料電池セル７は、酸化剤ガスＯＧの流量が過多状態となると温度が低下し、酸化剤ガスＯＧの流量が欠乏状態となると温度が上昇するという性質を有している。よって、局所吸熱部ＬＡを包含する燃料電池セル１７ａへの酸化剤ガスＯＧの流量をその他の燃料電池セル１７ｂ乃至１７ｅへの酸化剤ガスＯＧの流量と比して少なくすると、燃料電池セル１７ａにおける発熱量のみを上昇させることが可能であり、局所吸熱部ＬＡに起因する、燃料電池セル１７ｂ乃至１７ｅと燃料電池セル１７ａとの間の温度差を緩和することができる。   As described above, the solid oxide fuel cell module AP1a is connected to the oxidant gas supply source OS that supplies the oxidant gas OG toward the fuel cell 7 and generates heat according to the present embodiment. The state control unit CU appropriately controls the flow rate of the oxidant gas OG that passes through the air header provided in the upper part of the module container 4. Here, the temperature of each fuel cell 7 of the solid oxide fuel cell module AP1a decreases when the flow rate of the oxidant gas OG becomes excessive, and increases when the flow rate of the oxidant gas OG becomes deficient. It has the property. Therefore, if the flow rate of the oxidant gas OG to the fuel battery cell 17a including the local heat absorption part LA is reduced as compared with the flow rates of the oxidant gas OG to the other fuel battery cells 17b to 17e, the fuel cell 17a Only the calorific value can be increased, and the temperature difference between the fuel battery cells 17b to 17e and the fuel battery cell 17a due to the local heat absorption part LA can be reduced.

具体的には、図５に示すように、燃料電池セル１７ｂ乃至１７ｅ各々への酸化剤ガスの流量を１００Ｌ／ｍｉｎに維持したまま、一方で燃料電池セル１７ａへの酸化剤ガスＯＧの流量を９０Ｌ／ｍｉｎへと減じると、外部改質器１に生じた局所的な吸熱状態により略８５０℃程度まで低下した局所吸熱部ＬＡを含む燃料電池セル１７ａの温度が上昇して８６０℃へと近づく。このように、当該局所吸熱部ＬＡを含む燃料電池セル７ａの低温状態が緩和されることは、先に述べた実施形態と同様に、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａのモジュール容器４内の温度ムラの解消に繋がり、固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１の耐久性を向上させる。さらに、局所吸熱部ＬＡを含む燃料電池セル７ａの温度が上昇することは、外部改質器１よりの局所的な吸熱要求も改善するので、外部改質器１における水蒸気改質反応ＳＲをより促進させるという効果も有している。また、本実施形態では、燃料電池セル７自体の発電量は一定に保ったままで、酸化剤ガスの流量のみを制御すればいいので、局所的な吸熱状態が効率的且つ簡便に緩和可能である。   Specifically, as shown in FIG. 5, while maintaining the flow rate of the oxidant gas to each of the fuel cells 17b to 17e at 100 L / min, the flow rate of the oxidant gas OG to the fuel cell 17a is changed. When the pressure is reduced to 90 L / min, the temperature of the fuel cell 17 a including the local endothermic portion LA that has decreased to about 850 ° C. due to the local endothermic state generated in the external reformer 1 rises and approaches 860 ° C. . As described above, the low-temperature state of the fuel battery cell 7a including the local heat absorption part LA is alleviated, as in the embodiment described above, in the temperature of the module container 4 of the solid oxide fuel cell module AP1a. This leads to elimination of unevenness and improves the durability of the solid oxide fuel cell apparatus AP1. Furthermore, the increase in the temperature of the fuel battery cell 7a including the local endothermic portion LA also improves the local endothermic demand from the external reformer 1, so that the steam reforming reaction SR in the external reformer 1 is further increased. It also has the effect of promoting. Further, in this embodiment, it is only necessary to control the flow rate of the oxidant gas while keeping the power generation amount of the fuel battery cell 7 itself constant, so that the local endothermic state can be relaxed efficiently and simply. .

図６に示すのは、本発明の第３実施形態に係る発熱状態制御部の動作原理を示す簡略図である。図５に示す第４実施形態との相違点は、本実施形態に係る発熱状態制御部が、各セルに対して供給する酸化剤ガスのＯＧの供給量を増加させていることであり、第１実施形態及び第２実施形態と重複する部分についての説明は割愛する。   FIG. 6 is a simplified diagram showing the operation principle of the heat generation state control unit according to the third embodiment of the present invention. The difference from the fourth embodiment shown in FIG. 5 is that the heat generation state control unit according to this embodiment increases the supply amount of the oxidant gas OG supplied to each cell. A description of the same parts as those in the first embodiment and the second embodiment is omitted.

ここで、図４を再度参照すると、右側（ｂ）に示された被改質ガスの流入量が多い状態の外部改質器１は左側（ａ）に示された被改質ガスの流入量が少ない状態の外部改質器１と比して吸熱量が高い状態にある。このことは、外部改質器１の動作が被改質ガスの流入量が多い（ｂ）の状態から被改質ガスの流入量が少ない（ａ）の状態へと戻る場合に、局所的な発熱状態が生じ得ることを示唆するものである。   Here, referring to FIG. 4 again, the external reformer 1 in the state where the amount of reformed gas inflow shown in the right side (b) is large is the amount of inflow of reformed gas shown in the left side (a). As compared with the external reformer 1 in a state where the amount of heat is small, the endothermic amount is high. This is because when the operation of the external reformer 1 returns from the state (b) in which the inflow amount of the reformed gas is large to the state (a) in which the amount of inflow of the reformed gas is small. This suggests that an exothermic condition may occur.

例えば、上記第２実施形態において、燃料電池セル１７ａにおける局所吸熱部ＬＡを緩和するために発熱状態制御部ＣＯが燃料電池セル１７ａへの酸化剤ガスＯＧの流量を減じている時に、利用者より固体高分子形燃料電池装置ＡＰ２にて使用する電力量を低減させるという要求が送られると、固体高分子形燃料電池モジュールＡＰ２ａによって外部改質器１に要求される水素量が減り、外部改質器１における局所的吸熱反応の進行が抑えられる。しかしながら、このような場合に、発熱状態制御部ＣＯが燃料電池セル１７ａへの酸化剤ガスＯＧの流量を減じたままでは、燃料電池セル１７ａの温度が過剰に昇温してしまい、結果的に固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａのモジュール容器４内にて温度ムラを生じさせてしまう。   For example, in the second embodiment, when the heat generation state control unit CO reduces the flow rate of the oxidant gas OG to the fuel cell 17a in order to relax the local heat absorption unit LA in the fuel cell 17a, the user When a request to reduce the amount of power used in the polymer electrolyte fuel cell device AP2 is sent, the amount of hydrogen required for the external reformer 1 by the polymer electrolyte fuel cell module AP2a decreases, and external reforming occurs. The progress of the local endothermic reaction in the vessel 1 is suppressed. However, in such a case, if the heat generation state control unit CO keeps reducing the flow rate of the oxidant gas OG to the fuel cell 17a, the temperature of the fuel cell 17a excessively rises, and as a result. This causes temperature unevenness in the module container 4 of the solid oxide fuel cell module AP1a.

しかしながら、このような局所的な発熱状態が生じる場合であっても、本実施形態に係る発熱状態制御部ＣＯは、モジュール容器４の内部上方に設けた空気ヘッダを通る酸化剤ガスＯＧの流量を適切に制御し、局所吸熱部ＬＡを包含する燃料電池セル１７ａへの酸化剤ガスＯＧの流量をその他の燃料電池セル１７ｂ乃至１７ｅへの酸化剤ガスＯＧの流量と比して多くして、燃料電池セル１７ａにおける発熱量のみを減少させることが可能である（例えば、燃料電池セル１７ｂ乃至１７ｅ各々への酸化剤ガスの流量を１００Ｌ／ｍｉｎに維持したまま、一方で燃料電池セル１７ａへの酸化剤ガスＯＧの流量を１１０Ｌ／ｍｉｎへと増加させる）。従って、当該局所吸熱部ＬＡを含む燃料電池セル７ａの高温状態が緩和されることは、先に述べた実施形態と同様に、固体酸化物形燃料電池モジュールＡＰ１ａのモジュール容器４内の温度ムラの解消に繋がり、固体酸化物形燃料電池装置ＡＰ１の耐久性を向上させ得る。   However, even when such a local heat generation state occurs, the heat generation state control unit CO according to the present embodiment controls the flow rate of the oxidant gas OG passing through the air header provided in the upper part of the module container 4. By appropriately controlling and increasing the flow rate of the oxidant gas OG to the fuel battery cell 17a including the local heat absorption part LA as compared with the flow rates of the oxidant gas OG to the other fuel battery cells 17b to 17e, Only the amount of heat generated in the battery cell 17a can be reduced (for example, while the flow rate of the oxidant gas to each of the fuel battery cells 17b to 17e is maintained at 100 L / min, while the oxidation to the fuel battery cell 17a is performed. The flow rate of the agent gas OG is increased to 110 L / min). Therefore, the high-temperature state of the fuel cell 7a including the local heat absorption part LA is alleviated, as in the above-described embodiment, due to temperature unevenness in the module container 4 of the solid oxide fuel cell module AP1a. This leads to elimination, and the durability of the solid oxide fuel cell device AP1 can be improved.

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. In other words, those specific examples that have been appropriately modified by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention as long as they have the characteristics of the present invention. For example, the elements included in each of the specific examples described above and their arrangement, materials, conditions, shapes, sizes, and the like are not limited to those illustrated, but can be changed as appropriate. Moreover, each element with which each embodiment mentioned above is provided can be combined as long as technically possible, and the combination of these is also included in the scope of the present invention as long as it includes the features of the present invention.

１：外部改質器
２：ガス入口
３：ガス出口
４：モジュール容器
４ａ-４ｄ：モジュール壁
５：集電ロッド
７,１７：燃料電池セル
８：燃料電池セルスタック
９：追加伝熱板
１１：吸熱緩和手段
ＡＰ１：固体酸化物形燃料電池装置
ＡＰ１ａ：固体酸化物形燃料電池モジュール
ＡＰ２：固体高分子形燃料電池装置
ＡＰ２ａ：固体高分子形燃料電池モジュール
ＡＰ１ｖ,ＡＰ２ｖ：インバータ
ＦＧ：燃料ガス
ＦＳ：燃料ガス供給源
ＯＧ：酸化剤ガス
ＯＳ：酸化剤ガス供給源
ＡＧ：被改質ガス
ＡＳ：被改質ガス供給源
ＨＡ：高温部
ＨＢ：水素精製貯蔵部
ＬＡ：局所吸熱部 1: External reformer 2: Gas inlet 3: Gas outlet 4: Module container 4a-4d: Module wall 5: Current collecting rod 7, 17: Fuel cell 8: Fuel cell stack 9: Additional heat transfer plate 11: Endothermic relaxation means AP1: Solid oxide fuel cell device AP1a: Solid oxide fuel cell module AP2: Solid polymer fuel cell device AP2a: Solid polymer fuel cell modules AP1v, AP2v: Inverter FG: Fuel gas FS: Fuel gas supply source OG: Oxidant gas OS: Oxidant gas supply source AG: Reformed gas AS: Reformed gas supply source HA: High-temperature part HB: Hydrogen purification storage part LA: Local heat absorption part

Claims (5)

固体酸化物形燃料電池装置であって、
燃料ガスと酸化剤ガスとによって発電を行う複数のセルと、
前記複数のセルを収容するモジュール容器と、
前記モジュール容器の外壁における外面の一部に配置され、前記複数のセルにて発電時に生じる熱を用いて、吸熱反応によって、被改質ガスを別系統の改質ガス利用機器で利用するための水素を含む改質ガスへと改質する外部改質器とを備え、
前記複数のセルのうち、前記外壁を挟んで前記外部改質器と対向する位置に配置された一部のセルに生じ得る局所的な吸熱状態を、前記外部改質器の吸熱量に応じて前記一部のセルの発熱量を制御することで緩和する発熱状態制御部を有する、固体酸化物形燃料電池装置。 A solid oxide fuel cell device comprising:
A plurality of cells that generate power using fuel gas and oxidant gas;
A module container containing the plurality of cells;
It is arranged on a part of the outer surface of the outer wall of the module container and uses the heat generated at the time of power generation in the plurality of cells to use the gas to be reformed in a reformed gas utilization device of another system by an endothermic reaction. An external reformer that reforms into reformed gas containing hydrogen ,
Of the plurality of cells, a local endothermic state that may occur in some of the cells arranged at positions facing the external reformer across the outer wall is determined according to the endothermic amount of the external reformer. A solid oxide fuel cell device having a heat generation state control unit that relaxes by controlling the heat generation amount of the partial cell. 前記発熱状態制御部は、前記外部改質器における前記水素の生成効率が低下すると、前記外壁を挟んで前記外部改質器と対向する位置に配置された前記一部のセルの前記発熱量を低下させる、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池装置。 When the hydrogen generation efficiency in the external reformer decreases, the heat generation state control unit adjusts the heat generation amount of the partial cells arranged at positions facing the external reformer across the outer wall. lowering, the solid oxide fuel cell device according to claim 1. 前記発熱状態制御部は、前記外壁を挟んで前記外部改質器と対向する位置に配置された前記一部のセルの前記発熱量を制御する、請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池装置。 3. The solid oxide fuel cell according to claim 2 , wherein the heat generation state control unit controls the heat generation amount of the partial cell disposed at a position facing the external reformer across the outer wall. apparatus. 前記発熱状態制御部は、前記一部のセルの発電量を変更することで前記一部のセルの発熱量を制御する発電状態制御手段である、請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池装置。 The heating state control unit is a power generating state control means for controlling the heating value of the portion of the cell by changing the power generation amount of said some cells, solid oxide fuel cell according to claim 3 apparatus. 前記発熱状態制御部は、前記一部のセルの冷却状態を変更することで前記一部のセルの発熱量を制御する冷却状態制御手段である、請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池装置。 The heating state control unit is configured as a cooling state control means for controlling the heating value of the portion of the cell by changing the cooling state of some cells, solid oxide fuel cell according to claim 2 apparatus.
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