专利名称：固体电解质型燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种固体电解质型燃料电池，尤其涉及一种使燃料气体和空气进行反 应来发电的固体电解质型燃料电池。
背景技术：
固体电解质型燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell 以下也称为“SOFC”)是将氧化 物离子导电性固体电解质用作电解质，在其两侧安装电极，在一侧供给燃料气体，在另一侧 供给氧化剂(空气、氧等)，并在较高的温度下进行动作的燃料电池。在该SOFC中，利用经过氧化物离子导电性固体电解质的氧离子和燃料的反应生 成水蒸气或二氧化碳，产生电能及热能。向SOFC外部取出电能，使用于各种电气用途。另 一方面，热能传递给燃料、SOFC及氧化剂等，使用于使它们的温度上升。在现有的SOFC中，在燃料电池模块内的密闭空间的下方部分配置有发电室，在该 发电室内配置有具备多个燃料电池单电池的燃料电池单电池集合体。而且，在这些燃料电 池单电池集合体的上方形成有燃烧室，发电反应中未使用的剩余的燃料气体和剩余的氧化 剂气体(空气)在燃料电池单电池集合体的上部自身直接燃烧，在燃烧室内生成排放气体。而且，在燃烧室的上方配置有将燃料气体重整为氢的重整器，利用燃烧室内的燃 烧热量将重整器加热至可进行重整的温度。但是，在这种现有的SOFC中，除在燃料电池单电池集合体的上部自身直接使剩余 的燃料气体和剩余的氧化剂气体燃烧以外，未设置以下用途的燃烧器等加热部件，即另行 加热燃烧室或重整器，或者在与外气温度大致相同的温度状态或低于外气温度的温度状态 下使燃料电池模块起动的冷却起动时在燃料电池单电池集合体的上部对燃料气体点火，或 者对点火后的防止熄火进行支援。因此，在单电池自身结构的差异所引起的点火部分的形 状不良，或在与外气温度大致相同的温度状态或低于外气温度的温度状态下使燃料电池模 块冷却起动时，尤其因为燃烧室内的不稳定气流的影响等，极难无一例外地使超过100根 的多个燃料电池单电池全体切实地点火，即使已点火，也会仅仅因气流等稍微紊乱而造成 马上熄火等，进行稳定的点火或保持稳定的点火状态具有极高的困难性。因此，为了抑制这种点火不良，在现有的SOFC中，例如像专利文献1所述，提出了 在点火时通过减少有可能吹灭燃料电池单电池的火焰的空气供给量，来抑制气流所引起的 点火不良。专利文献1 日本国特开2008-135268号公报但是，在上述的专利文献1的SOFC中，作为用于抑制点火不良的对策，在点火时仅 降低供给到燃料电池单电池的空气量，则在多个单电池中的一部分单电池点火后存在难以 在单电池全体上切实地延烧，并且也容易熄火的问题。而且，在点火时及在此之后紧接着由燃料气体和空气的混合气体燃烧，但是伴随 该燃烧的温度上升，在重整器内开始发生重整反应，由此燃料气体的成分发生变化，氢成分 开始增加。但是，在重整器的温度处于低温区域期间，尤其是在重整器内部的重整反应不能均勻地发生，由于燃料气体的成分也随之而不稳定地变动，因此重整器在低温区域期间容 易熄火。而且，在这样的现有SOFC中，由于起因于燃烧气体燃烧的温度越是低温，则燃料 电池单电池集合体和燃料电池模块的蓄热量也越少，因此一方面在发生熄火时迅速发生温 度降低，另一方面，在燃烧温度比较高时，由于燃料电池单电池集合体和燃料电池模块的蓄 热量多，因此即使在发生熄火时，燃料电池模块内的温度也难以显著地降低，存在非常难以 判定熄火状态的问题。
发明内容
因此，本发明是为解决上述的现有技术的问题而进行的，目的在于提供一种固体 电解质型燃料电池(SOFC)，其在容易熄火的燃料电池单电池构造中，可以根据燃料电池单 电池集合体或燃料电池模块的温度状态(蓄热量)来正确且迅速地进行熄火判定。为了达成上述目的，本发明提供一种固体电解质型燃料电池，是使燃料气体和空 气进行反应来发电的固体电解质型燃料电池，其特征在于，具有燃料电池单电池集合体， 配置于燃料电池模块内的发电室，具备多个固体电解质型燃料电池单电池；重整器，对燃 料气体进行水蒸气重整并供给到上述燃料电池单电池集合体；燃料气体供给部件，向上述 重整器供给燃料气体；供水部件，成纯水并供给到上述重整器；重整用空气供给部件，向上 述重整器供给重整用空气；发电用空气供给部件，向上述燃料电池单电池集合体供给发电 用空气；点火装置，对从上述重整器到燃料电池单电池集合体上部的燃料气体点火从而使 其燃烧；温度检测部件，检测起因于燃烧气体燃烧的温度；及控制部件，以在固体电解质型 燃料电池起动时通过上述点火装置使上述燃料气体点火并进行使上述燃料气体和上述重 整用空气燃烧的燃烧运行，之后，向重整器内供给燃料气体和重整用空气从而进行部分氧 化重整反应(POX)运行，之后，向重整器内供给燃料气体、空气、水从而进行自热重整反应 (ATR)运行，之后，向重整器内供给燃料和水从而进行水蒸气重整反应(SR)运行的形式，控 制上述燃料气体供给部件、上述供水部件、上述重整用空气供给部件、上述发电用空气供给 部件、上述点火装置、上述温度检测部件从而使固体电解质型燃料电池起动，上述控制部件 在上述温度检测部件检测到的起因于上述燃烧气体燃烧的温度在规定时间内的降低量为 事先设定的规定温度降低量的临界值以上时判定为熄火，同时将上述规定温度降低量的临 界值根据起因于上述燃烧气体燃烧的温度带区域设定成多个，并设定为起因于上述燃烧气 体燃烧的温度越是低温，则上述温度降低量的临界值越是大值。在如此构成的本发明中，由于起因于燃烧气体燃烧的温度(例如，由排气温度传 感器、点火温度传感器检测到的温度等)越是低温，则燃料电池单电池集合体和燃料电池 模块的蓄热量也越少，所以在发生熄火时迅速发生温度降低，另一方面，在起因于燃烧气体 燃烧的温度比较高时，由于燃料电池单电池集合体和燃料电池模块的蓄热多，所以温度降 低难以发生，着眼于这一点，根据起因于燃烧气体燃烧的温度带区域设定有多个用于熄火 判定的温度降低量的临界值，并设定为起因于燃烧气体燃烧的温度越是低温则越是大值。 其结果，根据本发明，可以根据燃料电池单电池集合体和燃料电池模块的温度状态，换言之 可以根据蓄热量来进行正确、迅速的熄火判定，可以迅速从熄火状态得到恢复。在本发明中，优选上述控制部件在起因于上述燃烧气体燃烧的温度为规定温度以
5下时，判定为熄火。在如此构成的本发明中，由于燃料气体燃烧热的不稳定也会发生温度降低，有可 能因此而错误判定熄火，所以，有必要延长用于熄火判定的时间，通过将起因于除熄火之外 别无考虑的燃烧气体燃烧的温度作为用于熄火判定的温度临界值，可以确实地判定熄火。在本发明中，优选上述控制部件在起因于上述燃烧气体燃烧的温度降低到上述事 先设定的规定温度降低量的临界值以上的状态持续规定时间时，判定为熄火。在如此构成的本发明中，由于在起因于燃烧气体燃烧的温度降低到规定温度降低 量的临界值以上的状态持续规定时间时判定为熄火，所以可以进行确实、迅速的熄火判定， 可以确实地防止错误判断。在本发明中，优选上述温度检测部件将燃料气体燃烧而生成的排放气体的温度作 为起因于上述燃烧气体燃烧的温度来检测。在如此构成的本发明中，由于温度检测部件将燃料气体燃烧而生成的排放气体的 温度作为起因于燃烧气体燃烧的温度来检测，所以不受燃料电池单电池集合体的热容量和 蓄热量的影响，可以迅速、正确地判定熄火。 在本发明中，优选上述温度检测部件将上述燃料电池单电池集合体上端点火后的 燃烧状态的温度作为起因于上述燃烧气体燃烧的温度来直接检测。在如此构成的本发明中，由于温度检测部件将燃料电池单电池集合体上端点火后 的燃烧状态的温度作为起因于燃烧气体燃烧的温度来直接检测，所以可以确实地判定熄 火。在本发明中，优选上述控制部件在上述温度检测部件检测到的温度为规定温度以 下的状态持续规定时间以上时判定为熄火，用于判定为该熄火的在上述规定温度以下的状 态持续的规定时间被设定为比用于判定为熄火的降低到上述规定温度降低量的临界值以 上的状态持续的规定时间短。在如此构成的本发明中，在温度检测部件检测到的温度为规定温度以下的状态持 续规定时间以上而判定为熄火时，即使持续时间比较短也可以进行熄火判定，可以迅速地 进行熄火判定。另一方面，在起因于燃烧气体燃烧的温度降低到事先设定的规定温度降低 量的临界值以上的状态持续规定时间而判定为熄火时，通过较长的持续时间可以正确地进 行熄火判定。即，在有效利用起因于燃烧气体燃烧的温度的临界值和温度降低量的临界值 所分别具有的用于进行确实的熄火判定的优秀的持续时间区域的同时，互相担保不太优秀 的区域，从而可以进一步防止错误判定和进行迅速、正确的熄火判定。在本发明中，优选上述控制部件在将上述排放气体的温度作为起因于上述燃烧气 体燃烧的温度来进行熄火判定的情况下，在上述燃料电池模块内的发电室温度为事先设定 的规定温度以上时，以与上述发电室温度低于规定温度时相比使上述温度降低量的临界值 变大的形式补正上述温度降低量的临界值。在如此构成的本发明中，由于在将排放气体的温度作为起因于燃烧气体燃烧的温 度来进行熄火判定的情况下，在燃料电池模块内的发电室温度为事先设定的规定温度以上 时，以与发电室温度低于规定温度时相比使温度降低量的临界值变大的形式补正温度降低 量的临界值，所以可以更加正确地判定熄火。在本发明中，优选上述控制部件在将上述排放气体的温度作为起因于上述燃烧气体燃烧的温度来进行熄火判定的情况下，在起因于上述燃烧气体燃烧的温度降低到上述事 先设定的规定温度降低量的临界值以上的状态持续规定时间时，判定为熄火，用于判定为 该熄火的上述规定时间，以与上述发电室温度低于上述事先设定的规定温度时相比，上述 发电室温度为上述事先设定的规定温度以上时的时间更长的形式被补正。在如此构成的本发明中，由于在将排放气体的温度作为起因于燃烧气体燃烧的温 度来进行熄火判定的情况下，起因于燃烧气体燃烧的温度降低到事先设定的规定温度降低 量的临界值以上的状态持续规定时间时判定为熄火，用于判定为该熄火的规定时间，以与 发电室温度低于事先设定的规定温度时相比，发电室温度为事先设定的规定温度以上时的 时间更长的形式被补正，所以可以更加正确地判定熄火。在本发明中，优选上述控制部件在判定为熄火时，增量供给燃料气体，此时，在上 述温度检测部没检测到起因于上述燃烧气体燃烧的温度上升时，最终判断为熄火，在判断 为该最终熄火时，则通过上述点火装置进行再次点火。在如此构成的本发明中，即使在燃料电池单电池的个数非常多，熄火判定非常困 难的情况下，也通过增量供给燃料气体来确认起因于燃烧气体燃烧的温度不上升，从而可 以确实地进行最终的熄火判定。在本发明中，优选上述控制部件还具备检测重整器温度的重整器温度检测部件， 将由上述排气温度检测部件检测到的排放气体温度作为起因于燃烧气体燃烧的温度进行 熄火判定，根据由上述重整器温度检测部件检测到的重整器温度来判定点火。在如此构成的本发明中，熄火和点火都可以确实地进行判定。根据本发明的固体电解质型燃料电池(SOFC)，在容易熄火的燃料电池单电池构造 中，可以根据燃料电池单电池集合体或燃料电池模块的温度状态来正确且迅速地进行熄火 判定。
图1是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的整体结构图。图2是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的燃料电池模 块的正面剖视图。图3是沿图2的III-III线的剖视图。图4是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的燃料电池单 电池单元的局部剖视图。图5是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的燃料电池电 堆的立体图。图6是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的框图。图7是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)起动时的动作 的时间图。图8是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)运行停止时的 动作的时间图。图9是表示在本发明的一个实施方式中，固体电解质型燃料电池的起动处理步骤 的一个例子的动作图表。
图10是表示在本发明的一个实施方式中，固体电解质型燃料电池的起动处理时 的熄火点火判定控制顺序的一个例子的流程图。图11是表示在本发明的一个实施方式中，固体电解质型燃料电池的起动处理时 的熄火点火判定控制中使用的关于熄火判定临界值的图(排气温度和温度降低量的关系) 的一个例子。图12是表示在本发明的一个实施方式中，固体电解质型燃料电池的起动处理时 的熄火点火判定控制中使用的关于熄火判定临界值的图(点火传感器温度和温度降低量 的关系)的一个例子。图13是表示在本发明的一个实施方式中，固体电解质型燃料电池的起动处理时 的熄火点火判定控制中使用的关于熄火判定临界值的图(点火传感器温度和绝对温度的 关系)的一个例子。图14是表示在本发明的一个实施方式中，固体电解质型燃料电池的起动处理时 的熄火点火判定控制中使用的关于点火判定临界值的图(重整器温度传感器温度和温度 降低量的关系)的一个例子。符号说明1-固体电解质型燃料电池；2-燃料电池模块；4-辅助设备单元；8-密封空间； 10-发电室；12-燃料电池单电池集合体；14-燃料电池电堆；16-燃料电池单电池单元； 18-燃烧室；20-重整器；22-空气用换热器；24-供水源；26-纯水箱；28-水流量调节单元； 30-燃料供给源38_燃料流量调节单元；40-空气供给源；44-重整用空气流量调节单元； 45-发电用空气流量调节单元；50-温水制造装置；52-控制箱；54-逆变器；83-点火装置； 84-燃料电池单电池；110-控制部；112-操作装置；114-显示装置；116-警报装置；126-电 力状态检测传感器；142-发电室温度传感器；150-外气温度传感器；152-点火传感器。
具体实施例方式下面，参照
本发明实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)。图1是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的整体结构图。 如该图1所示，本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)I具备燃料电池模块 2和辅助设备单元4。燃料电池模块2具备壳体6，在该壳体6的内部隔着绝热材料(未图示，但是绝热 材料不是必需的结构，没有也是可以的)形成有密封空间8。另外，也可以不设置绝热材料。 在该密封空间8的下方部分即发电室10配置有利用燃料气体和氧化剂(空气)进行发电 反应的燃料电池单电池集合体12。该燃料电池单电池集合体12具备10个燃料电池电堆 14 (参照图5)，该燃料电池电堆14由16根燃料电池单电池单元16 (参照图4)构成。如 此，燃料电池单电池集合体12具有160根燃料电池单电池单元16，这些燃料电池单电池单 元16全部串联连接。在燃料电池模块2的密封空间8的上述发电室10的上方形成有燃烧室18，发电反 应中未使用的剩余的燃料气体和剩余的氧化剂(空气)在该燃烧室18内燃烧，生成排放气 体。而且，在该燃烧室18的上方配置有对燃料气体进行重整的重整器20，利用前述剩余气体的燃烧热量将重整器20加热至可进行重整反应的温度。而且，在该重整器20的上方配置有用于接收燃烧热量以加热空气的空气用换热
^^ 22 ο接下来，辅助设备4具备纯水箱26，贮存来自水管等供水源24的水并通过过滤 器使其成为纯水；及水流量调节单元28 (由电动机驱动的“水泵”等)，调节从该贮水箱供 给的水的流量。而且，辅助设备4具备气体截止阀32，截断从城市煤气等的燃料供给源30 供给的燃料气体；脱硫器36，用于从燃料气体除去硫磺；及燃料流量调节单元38 (由电动机 驱动的“燃料泵”等)，调节燃料气体的流量。辅助设备4还具备截断从空气供给源40供给 的氧化剂即空气的电磁阀42和调节空气流量的重整用空气流量调节单元44及发电用空气 流量调节单元45 (由电动机驱动的“空气鼓风机”等)。另外，在本实施方式的SOFC中，未设置用于对向重整器20供给的重整用空气或向 发电室10供给的发电用空气进行加热以有效地进行起动时的升温的加热器等加热部件或 另行加热重整器20的加热部件。接下来，在燃料电池模块2上连接有温水制造装置50，向其供给排放气体。向该温 水制造装置50供给来自供水源24的自来水，该自来水利用排放气体的热量成为温水，以供 给未图示的外部供热水器的贮热水箱。而且，在燃料电池模块2上安装有控制箱52，其用于控制燃料气体的供给量等。而且，在燃料电池模块2上连接有电力取出部(电力转换部)即逆变器54，其用于 向外部供给由燃料电池模块发出的电力。接下来，根据图2及图3，说明本发明实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC) 的燃料电池模块的内部结构。图2是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池 (SOFC)的燃料电池模块的正面剖视图，图3是沿图2的III-III线的剖视图。如图2及图3所示，在燃料电池模块2的壳体6的密封空间8内，如上所述，从下 方依次配置有燃料电池单电池集合体12、重整器20、空气用换热器22。重整器20安装有用于向其上游端侧导入纯水的纯水导入管60和用于导入将要重 整的燃料气体和重整用空气的被重整气体导入管62，而且，在重整器20的内部从上游侧依 次形成有蒸发部20a和重整部20b，在重整部20b填充有重整催化剂。导入该重整器20的 混合有水蒸气(纯水)的燃料气体及空气通过填充在重整器20内的重整催化剂而被重整。 作为重整催化剂适合使用在氧化铝的球体表面赋予镍的物质，或在氧化铝的球体表面赋予 钌的物质。在该重整器20的下游端侧连接有燃料气体供给管64，该燃料气体供给管64向下 方延伸，进而在形成于燃料电池单电池集合体12下方的分流器66内水平延伸。在燃料气 体供给管64的水平部64a的下方面形成有多个燃料供给孔64b，从该燃料供给孔64b向分 流器66内供给重整后的燃料气体。在该分流器66的上方安装有用于支撑上述燃料电池电堆14的具备贯穿孔的下支 撑板68，分流器66内的燃料气体被供给到燃料电池单电池单元16内。接下来，在重整器20的上方设置有空气用换热器22。该空气用换热器22在上游 侧具备空气汇集室70，在下游侧具备2个空气分配室72，这些空气汇集室70和空气分配 室72通过6个空气流路管74连接。在此，如图3所示，3个空气流路管74成为一组(74a、7仙、74(、74(1、7如、740，空气汇集室70内的空气从各组空气流路管74流入各自的空气分 配室72。在空气用换热器22的6个空气流路管74内流动的空气利用在燃烧室18燃烧而 上升的排放气体进行预热。在各个空气分配室72上连接有空气导入管76，该空气导入管76向下方延伸，其下 端侧与发电室10的下方空间连通，向发电室10导入预热后的空气。接下来，在分流器66的下方形成有排放气体室78。而且，如图3所示，在沿壳体6 长度方向的面即前面6a和后面6b的内侧，形成有在上下方向上延伸的排放气体通路80，该 排放气体通路80的上端侧与配置有空气用换热器22的空间连通，下端侧与排放气体室78 连通。而且，在排放气体室78的下面大致中央连接有排放气体排出管82，该排放气体排 出管82的下游端连接于图1所示的上述温水制造装置50。如图2所示，用于使燃料气体和空气开始燃烧的点火装置83设置于燃烧室18。而 且，燃烧室18未设置另行加热燃烧室18或燃料电池单电池单元16以对起动时的点火或防 止熄火进行支援的燃烧器等加热部件。下面，根据图4对燃料电池单电池单元16进行说明。图4是表示本发明一个实施 方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的燃料电池单电池单元的局部剖视图。如图4所示，燃料电池单电池单元16具备燃料电池单电池84和分别连接于该燃 料电池单电池84的上下方向端部的内侧电极端子86。燃料电池单电池84是在上下方向上延伸的管状结构体，具备在内部形成燃料气 体流路88的圆筒形内侧电极层90、圆筒形外侧电极层92、位于内侧电极层90和外侧电极 层92之间的电解质层94。该内侧电极层90是燃料气体经过的燃料极，为(-)极，另一方 面，外侧电极层92是与空气接触的空气极，为(+)极。由于安装在燃料电池单电池单元16的上端侧和下端侧的内侧电极端子86为相同 结构，所以在此具体地说明安装于上端侧的内侧电极端子86。内侧电极层90的上部90a具 备相对于电解质层94和外侧电极层92露出的外周面90b和上端面90c。内侧电极端子86 隔着导电性密封材料96与内侧电极层90的外周面90b连接，而且，通过与内侧电极层90 的上端面90c直接接触而与内侧电极层90电连接。在内侧电极端子86的中心部形成有与 内侧电极层90的燃料气体流路88连通的燃料气体流路98。内侧电极层90例如由Ni和掺杂有从Ca或Y、Sc等稀土类元素中选择的至少一种 元素的氧化锆的混合体、Ni和掺杂有从稀土类元素中选择的至少一种元素的二氧化铈的混 合体、Ni和掺杂有从Sr、Mg、Co、Fe、Cu中选择的至少一种元素的镓酸镧的混合体中的至少 一种形成。电解质层94例如由掺杂有从Y、Sc等稀土类元素中选择的至少一种元素的氧化 锆、掺杂有从稀土类元素中选择的至少一种元素的二氧化铈、掺杂有从Sr、Mg中选择的至 少一种元素的镓酸镧中的至少一种形成。外侧电极层92例如由掺杂有从Sr、Ca中选择的至少一种元素的锰酸镧、掺杂有从 Sr、Co、Ni、Cu中选择的至少一种元素的铁酸镧、掺杂有从Sr、Fe、Ni、Cu中选择的至少一种 元素的钴酸镧、银等中的至少一种形成。
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下面，根据图5对燃料电池电堆14进行说明。图5是表示本发明一个实施方式的 固体电解质型燃料电池(SOFC)的燃料电池电堆的立体图。如图5所示，燃料电池电堆14具备16根燃料电池单电池单元16，这些燃料电池单 电池单元16的下端侧及上端侧分别被陶瓷制下支撑板68及上支撑板100支撑。在这些下 支撑板68及上支撑板100上分别形成有内侧电极端子86可贯穿的贯穿孔68a及100a。而且，在燃料电池单电池单元16上安装有集电体102及外部端子104。该集电体 102由与安装于燃料极即内侧电极层90的内侧电极端子86电连接的燃料极用连接部102a 和与空气极即外侧电极层92的外周面整体电连接的空气极用连接部102b —体地形成。空 气极用连接部102b由在外侧电极层92的表面沿上下方向延伸的铅垂部102c和从该铅垂 部102c沿外侧电极层92的表面在水平方向上延伸的很多水平部102d形成。而且，燃料极 用连接部102a从空气极用连接部102b的铅垂部102c朝向燃料电池单电池单元16的位于 上下方向的内侧电极端子86，向斜上方或斜下方直线延伸。而且，在位于燃料电池电堆14 一端(图5中左端的里侧及跟前侧)的2个燃料电 池单电池单元16的上侧端及下侧端的内侧电极端子86上分别连接有外部端子104。这些 外部端子104与位于邻接的燃料电池电堆14 一端的燃料电池单电池单元16的外部端子 104(未图示)连接，如上所述，160根燃料电池单电池单元16全部串联连接。下面，根据图6对安装于本实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的传感器类 等进行说明。图6是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)的框图。如图6所示，固体电解质型燃料电池1具备控制部110，该控制部110连接有操 作装置112，具备用于使用者操作的“开”、“关”等操作按钮；显示装置114，用于显示发电输 出值(瓦特数)等的各种数据；及警报装置116，在异常状态时等发出警报(warning)。另外，该警报装置116也可以是与位于远距离地点的管理中心连接，向该管理中 心通知异常状态的形式。接下来，向控制部110输入来自以下说明的各种传感器的信号。首先，可燃气体检测传感器120是用于检测气体泄漏的元件，安装于燃料电池模 块2及辅助设备单元4。CO检测传感器122是用于检测原本经过排放气体通路80等向外部排出的排放气 体中的CO是否泄漏在覆盖燃料电池模块2及辅助设备单元4的外部壳体(未图示)中的 元件。热水贮存状态检测传感器124是用于检测未图示的供热水器的热水温度、水量等 的元件。电力状态检测传感器126是用于检测逆变器54及配电板(未图示)的电流及电 压等的元件。发电用空气流量检测传感器128是用于检测向发电室10供给的发电用空气的流 量的元件。重整用空气流量传感器130是用于检测向重整器20供给的重整用空气的流量的 元件。燃料流量传感器132是用于检测向重整器20供给的燃料气体的流量的元件。水流量传感器134是用于检测向重整器20供给的纯水(水蒸气)的流量的元件。
水位传感器136是用于检测纯水箱26的水位的元件。压力传感器138是用于检测重整器20的外部上游侧的压力的元件。排气温度传感器140是用于检测流入温水制造装置50的排放气体的温度的元件。如图3所示，发电室温度传感器142设置在燃料电池单电池集合体12附近的前面 侧和背面侧，是用于检测燃料电池电堆14附近的温度，从而推断燃料电池电堆14(即燃料 电池单电池84自身)的温度的元件。另外，设置在燃料电池单电池集合体12附近的前面 侧和背面侧的发电室温度传感器142可以是一个，但是为了提高正确性，优选设置多个。燃烧室温度传感器144是用于检测燃烧室18的温度的元件。排放气体室温度传感器146是用于检测排放气体室78的排放气体的温度的元件。重整器温度传感器148是用于检测重整器20的温度的元件，根据重整器20的入 口温度和出口温度计算出重整器20的温度。外气温度传感器150是当固体电解质型燃料电池(SOFC)配置在室外时用于检测 外气温度的元件。而且，也可以设置测定外气湿度等的传感器。如图3所示，点火传感器152设置在燃料电池单电池集合体12的上端部附近的多 个位置，是检测使点火装置83点火时的燃料电池单电池集合体12的上端部附近的温度，并 根据该温度判定点火状态的元件。另外，点火传感器152可以是一个，但是为了提高正确 性，优选设置多个。来自这些传感器类的信号发送至控制部110，控制部110根据基于这些信号的数 据，向水流量调节单元28、燃料流量调节单元38、重整用空气流量调节单元44、发电用空气 流量调节单元45发送控制信号，以控制这些单元的各流量。而且，控制单元部110向逆变器54发送控制信号，以控制电力供给量。下面，根据图7说明本实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)起动时的动作。 图7是表示本发明一个实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)起动时的动作的时间图。最初，为了加热燃料电池模块2，在无负荷状态，即，使包括燃料电池模块2的电路 在开路状态下开始运行。此时，由于电路中未流动电流，所以燃料电池模块2不进行发电。首先，从重整用空气流量调节单元44向燃料电池模块2的重整器20供给重整用 空气。而且，与此同时从发电用空气流量调节单元45向燃料电池模块2的空气用换热器22 供给发电用空气，该发电用空气到达发电室10及燃烧室18。随后，还从燃料流量调节单元38供给燃料气体，混合有重整用空气的燃料气体经 过重整器20及燃料电池电堆14、燃料电池单电池单元16，到达燃烧室18。之后，通过点火装置83点火，使存在于燃烧室18的燃料气体和空气(重整用空气 及发电用空气)燃烧。通过该燃料气体和空气的燃烧生成排放气体，利用该排放气体加热 发电室10，而且，排放气体在燃料电池模块2的密封空间8内上升时，在加热重整器20内的 包含重整用空气的燃料气体的同时，还加热空气换热器22内的发电用空气。此时，由于通过燃料流量调节单元38及重整用空气流量调节单元44向重整器20 供给混合有重整用空气的燃料气体，所以在重整器20中，进行式(1)所示的部分氧化重整 反应Ρ0Χ。由于该部分氧化重整反应POX是发热反应，所以起动性良好。而且，该升温后的 燃料气体通过燃料气体供给管64向燃料电池电堆14的下方供给，由此，燃料电池电堆14 从下方被加热，而且，由于燃烧室18也通过燃料气体和空气的燃烧而升温，所以燃料电池电堆14还从上方被加热，结果燃料电池电堆14可以大致均等地在上下方向上升温。即使进 行该部分氧化重整反应Ρ0Χ，在燃烧室18中也仍然持续保持燃料气体和空气的燃烧反应。CmHn+x02 — aC02+bC0+cH2 (1)部分氧化重整反应POX开始后，当通过重整器温度传感器148检测出重整器20变 为规定温度(例如600°C)时，通过水流量调节单元28、燃料流量调节单元38及重整用空气 流量调节单元44向重整器20供给预先混合有燃料气体、重整用空气及水蒸气的气体。此 时，在重整器20中，进行并用有上述的部分氧化重整反应POX和后述的水蒸气重整反应SR 的自热重整反应ATR。由于该自热重整反应ATR可取得热量内部平衡，所以在重整器20内 以热量自足的状态进行反应。即，当氧(空气)较多时，基于部分氧化重整反应POX的发热 占支配地位，当水蒸气较多时，基于水蒸气重整反应SR的吸热反应占支配地位。由于在该 阶段中，已经过起动的初期阶段，发电室10内已升温至一定程度的温度，所以即使吸热反 应占支配地位也不会引起大幅度的温度降低。而且，在自热重整反应ATR进行中，在燃烧室 18中也仍然持续进行燃烧反应。式⑵所示的自热重整反应ATR开始后，当通过重整器温度传感器146检测出重 整器20变为规定温度(例如700°C)时，在停止基于重整用空气流量调节单元44的重整用 空气的供给的同时，增加基于水流量调节单元28的水蒸气的供给。由此，向重整器20供给 不含空气而仅包含燃料气体和水蒸气的气体，在重整器20中，进行式(3)的水蒸气重整反 应SR。CmHn+x02+yH20 — aC02+bC0+cH2 (2)CmHn+xH20 — aC02+bC0+cH2 (3)由于该水蒸气重整反应SR是吸热反应，所以与来自燃烧室18的燃烧热量取得热 平衡并进行反应。由于该阶段是燃料电池模块2起动的最终阶段，所以发电室10内升温至 足够高的温度，因此，即使进行吸热反应，也不会导致发电室10大幅度的温度降低。而且， 即使进行水蒸气重整反应SR，在燃烧室18中也仍然持续进行燃烧反应。如此，燃料电池模块2通过点火装置83点火后，通过依次进行部分氧化重整反应 Ρ0Χ、自热重整反应ATR、水蒸气重整反应SR，使发电室10内的温度逐渐上升。之后，当发电 室10内及燃料电池单电池84的温度达到比使燃料电池模块2稳定地工作的额定温度低的 规定的发电温度后，使包括燃料电池模块2的电路闭路，开始基于燃料电池模块2的发电， 由此，在电路中流过电流。通过燃料电池模块2的发电，燃料电池单电池84自身也发热，燃 料电池单电池84的温度也上升。结果使燃料电池模块2工作的额定温度达到例如600°C至 800 "C。此后，为了保持额定温度，供给比燃料电池单电池84中消耗的燃料气体及空气的 量多的燃料气体及空气，使燃烧室18中的燃烧持续。另外，在发电中以重整效率高的水蒸 气重整反应SR进行发电。下面，根据图8说明本实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)运行停止时的动 作。图8是通过本实施方式表示固体电解质型燃料电池(SOFC)运行停止时的动作的时间 图。如图8所示，进行燃料电池模块2的运行停止时，首先，操作燃料流量调节单元38 及水流量调节单元28，减少燃料气体及水蒸气对重整器20的供给量。
而且，进行燃料电池模块2的运行停止时，在减少燃料气体及水蒸气对重整器20 的供给量的同时，增大基于发电用空气流量调节单元45的发电用空气对燃料电池模块2内 的供给量，利用空气冷却燃料电池单电池集合体12及重整器20，使它们的温度降低。其后， 当发电室的温度降低至规定温度例如400°C时，停止向重整器20供给燃料气体及水蒸气， 结束重整器20的水蒸气重整反应SR。该发电用空气的供给持续至重整器20的温度降低至 规定温度例如200°C，在变为该规定温度时，停止从发电用空气流量调节单元45供给发电 用空气。如此，在本实施方式中，由于进行燃料电池模块2的运行停止时，并用基于重整器 20的水蒸气重整反应SR和基于发电用空气的冷却，所以能够在较短的时间内使燃料电池 模块的运行停止。下面，与图9 一起再次参照图7，详细地说明本发明实施方式的固体电解质型燃料 电池1的起动处理。图9是表示固体电解质型燃料电池1的起动处理步骤的动作图表。在图7的时刻t0，使固体电解质型燃料电池1起动时，控制部110向重整用空气 供给部件即重整用空气流量调节单元44及发电用空气供给部件即发电用空气流量调节单 元45发送信号使它们起动，向燃料电池模块2供给重整用空气及发电用空气。另外，在本 实施方式中，在时刻t0开始供给的重整用空气的供给量设定为lOL/min，发电用空气的供 给量设定为lOOL/min。之后，在时刻tl，控制部110向燃料气体供给部件即燃料流量调节单元38发送信 号，开始向重整器20供给燃料。由此，送入重整器20的燃料气体及重整用空气经由重整器 20、燃料气体供给管64、分流器66被送入各燃料电池单电池单元16内。送入各燃料电池单 电池单元16内的燃料气体及重整用空气分别从各燃料电池单电池单元16的燃料气体流路 98上端流出。另外，在本实施方式中，在时刻tl开始供给的燃料气体的供给量设定为6L/ min(参照图9的“燃烧运行”)。而且，在时刻t2，控制部110向点火装置83发送信号，对从燃料电池单电池单元 16的燃料气体流路98上端流出的燃料气体点火。由此，在燃烧室18内使燃料气体燃烧，在 加热配置在其上方的重整器20的同时，燃烧室18、发电室10及配置在其中的燃料电池电堆 14的温度也上升(参照图7的时刻t2 t3及图9的“燃烧运行”状态)。通过加热重整器20，当重整器20的温度上升至300°C左右时，在重整器20内发生 部分氧化重整反应(POX)(图7的时刻t3)。由于部分氧化重整反应是发热反应，所以重整 器20由于部分氧化重整反应的发生还被该反应热量加热(参照图9的“P0X1”状态)。另外，在时刻t2，与所有的燃料电池单电池单元16是否完全点火无关，将点火装 置83进行点火的时刻视作暂时的“点火时刻”的时刻。因此，对于所有的燃料电池单电池单元16是否已完全点火，以及是否已熄火的实 质上的点火状态及熄火状态的判定，通过控制部110的规定的熄火点火判定控制(在后面 详细说明)来进行。而且，在POXl期间内，温度上升，重整器20的温度达到350°C时，控制部110向燃 料流量调节单元38及发电用空气流量调节单元45发送信号，在将燃料供给量及发电用空 气供给量保持为一定量的状态下，向重整用空气流量调节单元44发送信号，使重整用空气 供给量增加(参照图7的时刻t4)。
由此，燃料供给量保持于6L/min，发电用空气供给量保持于lOOL/min，重整用空 气供给量变更为18L/min(参照图9的“P0X2”状态)。这些供给量是用于稳定地发生部分 氧化重整反应(P0X2)的适当的供给量。而且，尤其对于燃料供给量，在从燃烧运行期间经过P0X1、P0X2及ATRl (在后面 详细说明)直至开始ATR2(在后面详细说明)的时刻t6的期间内不改变地保持于一定量 (6L/min)。而且，对于发电用空气供给量，在从燃烧运行期间经过P0X1、P0X2、ATRl (在后面 详细说明)、ATR2 (在后面详细说明)及SRl (在后面详细说明)直至开始SR2 (在后面详细 说明)的时刻t8的期间内保持于一定量(lOOL/min)。即，在燃烧运行期间及相当于开始发生暂时的部分氧化重整反应(POXl)的初期 的温度区域的POXl运行期间内，通过使燃料供给量为比ATR2多的一定量，同时使发电用空 气供给量为比SR2多的一定的大风量，使重整用空气供给量为比P0X2少的一定量，来形成 燃料气体切实点火的状态，使燃料电池单电池单元16的上端部的气流稳定。由此，产生稳 定的延烧，使点火稳定(参照图9的“P0X1 ”状态)。而且，对于发电用空气供给量，在从燃烧运行期间经过P0X1、P0X2、ATRl (在后面 详细说明)、ATR2 (在后面详细说明)及SRl (在后面详细说明)直至开始SR2 (在后面详细 说明)的时刻t8的期间内保持于一定的大风量(lOOL/min)，尤其是在包括点火时刻的燃烧 运行期间内使延烧性提高，即使处于在燃料电池电堆14中的一部分燃料电池单电池单元 16的燃料气体流路98上端点火的状态下，也能够相对于燃料电池电堆14全体发生延烧以 进行完全点火。而且，虽然在刚开始增加发电用空气的风量时(图7的时刻t0 tl)，燃料电池单 电池单元16上端部的气流存在紊乱的倾向，但是通过在等待气流稳定的期间后进行点火 (图7的时刻t2)，来确保切实的点火。而且，在燃烧运行期间及进行暂时的部分氧化重整(P0X1)的POXl期间内，通过将 重整用空气及发电用空气的供给量一起不改变地保持为一定，来实现燃料电池单电池单元 16上端部的气流的稳定化。而且，燃烧运行期间和POXl期间内的重整用空气的供给量保持于比发电用空气 的供给量少且比稳定的部分氧化重整(P0X2)所使用的重整用空气的量少的量，提高了延 烧性。而且，在包括点火时刻的燃烧运行期间和POXl期间内，通过在与ATR2相比使燃料 气体增加的状态下与P0X2相比减少重整用空气而使燃料气体变浓，从而在点火性不好的 燃料电池单电池单元16上端部保证切实的点火性。之后，在图7的时刻t5，当重整器20的温度达到600°C以上，且燃料电池单电池单 元16的温度达到250°C以上时，控制部110向重整用空气流量调节单元44发送信号，减少 重整用空气供给量，同时向供水部件即水流量调节单元28发送信号，开始供水。由此，重整 用空气供给量变更为8L/min，供水量变为2CC/min(参照图9的“ATR1”状态)。通过向重 整器20内导入水(水蒸气)，还在重整器20内发生水蒸气重整反应。S卩，在图9的“ATR1”状态下，发生混合有部分氧化重整反应和水蒸气重整反应的 自热重整(ATR)。
在本实施方式中，燃料电池单电池单元16的温度通过配置在发电室10内的温度 检测部件即发电室温度传感器142来测定。虽然发电室10内的温度和燃料电池单电池单 元的温度严格来说并不相同，但是由发电室温度传感器142检测出的温度反映了燃料电池 单电池单元16的温度，能够通过配置在发电室10内的发电室温度传感器142掌握燃料电 池单电池单元16的温度。另外，在本说明书中，所谓的燃料电池单电池单元的温度意味着 通过所指示的任意传感器而测定的反映了燃料电池单电池单元温度的值的温度。而且，在图7的时刻t6，当重整器20的温度达到600°C以上，且燃料电池单电池单 元16的温度达到400°C以上时，控制部110向燃料流量调节单元38发送信号，减少燃料供 给量。而且，控制部110向重整用空气流量调节单元44发送信号，减少重整用空气供给 量，同时向水流量调节单元28发送信号，增加供水量。由此，燃料气体供给量变更为4L/ min,重整用空气供给量变更为4L/min，供水量变为3CC/min (参照图9的“ATR2”状态)。通 过减少重整用空气供给量并增加供水量，在重整器20内，部分氧化重整反应的比率减少， 水蒸气重整反应的比率增加。之后，在图7的时刻t7，当重整器20的温度达到650°C以上，且燃料电池单电池单 元16的温度达到600°C以上时，控制部110向重整用空气流量调节单元44发送信号，停止 供给重整用空气。而且，控制部110向燃料流量调节单元38发送信号，减少燃料气体供给量，同时向 水流量调节单元28发送信号，增加供水量。由此，燃料气体供给量变更为3L/min，供水量变 更为Scc/min (参照图9的“ SR1”状态)。通过停止供给重整用空气，在重整器20内，不再 发生部分氧化重整反应，开始仅发生水蒸气重整反应的SR。而且，在图7的时刻t8，当重整器20的温度达到650°C以上，且燃料电池单电池单 元16的温度达到700°C以上时，控制部110向燃料流量调节单元38发送信号，减少燃料气 体供给量，同时向水流量调节单元28发送信号，使供水量也减少。而且，控制部110向发电用空气流量调节单元45发送信号，使发电用空气的供给 量也减少。由此，燃料气体供给量变更为发电待机燃料气体供给量的2. 3L/min，供水量变更 为5. Scc/min，发电用空气供给量变更为80L/min(参照图9的“SR2”状态)。控制部110在将这些供给量保持规定的发电转入时间以上后，从燃料电池模块2 向逆变器54输出电力，开始发电(参照图7的时刻t9)。下面，参照图10 图14，详细地说明上述本实施方式的固体电解质型燃料电池1 的起动处理时的熄火点火控制的内容。图10是表示本实施方式的固体电解质型燃料电池的起动处理时的熄火点火判定 控制顺序的一个例子的流程图。而且，图11是表示本发明实施方式的固体电解质型燃料电池的起动处理时的熄 火判定控制中使用的关于熄火判定临界值的图(排气温度和温度降低量的关系)的一个例 子，图12是表示本发明实施方式的固体电解质型燃料电池的起动处理时的熄火点火判定 控制中使用的关于熄火判定临界值的图(点火传感器温度和温度降低量的关系)的一个例 子，图13是表示本发明实施方式的固体电解质型燃料电池的起动处理时的熄火点火判定 控制中使用的关于熄火判定临界值的图(点火传感器温度和绝对温度的关系)的一个例子。而且，图14是表示本发明实施方式的固体电解质型燃料电池的起动处理时的点 火判定控制中使用的关于点火判定临界值的图(重整器温度传感器温度和温度降低量的 关系)的一个例子。首先，在图10中，S表示各步骤。在Sl中，排气温度传感器140检测流入到温水 制造装置50的排放气体的温度(以下为“排气温度(Ta) ”)。而且，点火传感器152检测燃 料电池单电池集合体12上端部附近的温度(以下为“点火传感器温度(Tb) ”)。在此，排气 温度传感器140检测到的排气温度(Ta)及点火传感器152检测到的点火传感器温度(Tb) 双方意味着起因于燃烧气体燃烧的温度。而且，发电室温度传感器142检测燃料电池电堆14附近的温度，从而推断燃料电 池电堆14(即燃料电池单电池84自身)的温度(以下为“电堆温度(Tc)”)。而且，重整器 温度传感器148检测重整器20的温度(以下为“重整器温度(Td) ”)。之后，进入S2，并判定标志F是否为0，在S2中，在判定标志F为0时进入S3。在S3中，将在Sl中检测到的排气温度(Ta)套用于图11表示的关于熄火判定临 界值的图(排气温度和温度降低量的关系)，从而设定用于熄火判定的判断的温度降低量 (ΔΤ1)和判定该温度降低量(ΔΤ1)的判定时间(tl)。更加具体地进行说明，在排气温度(Ta)处于低于Tal的温度带区域时，在温度降 低量(ΔΤ1)被设定为100°C的同时，该判定时间(tl)被设定为3sec。而且，在排气温度 (Ta)处于Tal以上低于Ta2的温度带区域时，在温度降低量(ΔΤ1)被设定为70°C的同时， 该判定时间(tl)被设定为lmin。而且，在排气温度(Ta)处于Ta2以上的温度带区域时，在 温度降低量(ΔΤ1)被设定为30°C的同时，该判定时间(tl)被设定为3min。S卩，对于根据由排气温度传感器140检测到的排气温度(Ta)来设定的熄火判定的 临界值(ΔΤ1、tl)，以所检测到的排气温度(Ta)越是属于低温侧的温度带区域，则温度降 低量(ΔΤ1)就越大，所检测到的排气温度(Ta)越是属于高温侧的温度带区域，则判定温度 降低量(ΔΤ1)的判定时间(tl)就越长的形式进行设定。而且，在S3中，将在Sl中检测到的点火传感器温度(Tb)套用于图12表示的关于 熄火判定临界值的图(点火传感器温度和温度降低量的关系)，从而设定用于熄火判定的 判断的温度降低量(ΔΤ2)和判定该温度降低量(ΔΤ2)的判定时间(t2)。更加具体地进行说明，在点火传感器温度(Tb)处于低于Tbl的温度带区域时，在 温度降低量(ΔΤ2)被设定为100°C的同时，该判定时间(t2)被设定为5sec。而且，在点火 传感器温度(Tb)处于Tbl以上低于Tb2的温度带区域时，在温度降低量(ΔΤ2)被设定为 70°C的同时，该判定时间(t2)被设定为lmin。而且，在点火传感器温度(Tb)处于Tb2以上 的温度带区域时，在温度降低量(ΔΤ2)被设定为30°C的同时，该判定时间(t2)被设定为 3min。即，对于根据由点火传感器152检测到的点火传感器温度(Tb)来设定的熄火判定 的临界值(ΔΤ2、t2)，以所检测到的点火传感器温度(Tb)越是属于低温侧的温度带区域， 则温度降低量(ΔΤ2)就越大，所检测到的点火传感器温度(Tb)越是属于高温侧的温度带 区域，则判定温度降低量(ΔΤ2)的判定时间(t2)就越长的形式进行设定。而且，在图11的排气温度(Ta)处于低于Tal的温度带区域时，在温度降低量(ΔΤ1)被设定为100°C的同时，该判定时间(tl)被设定为3sec，与此相对，在图12的点火 传感器温度(Tb)处于低于Tbl的温度带区域时，在温度降低量(ΔΤ2)被设定为100°C的 同时，该判定时间(t2)被设定为5sec，通过设定为点火传感器温度(Tb)处于低温状态的 温度降低量(ΔΤ2)的判定时间(t2)长于排气温度(Ta)的温度降低量(ΔΤ1)的判定时间 (tl)，从而防止错误判断。而且，在S3中，将在Sl中检测到的点火传感器温度(Tb)套用于图13表示的关于 熄火判定临界值的图(点火传感器温度和绝对温度的关系)，从而设定用于熄火判定的判 断的绝对温度(T3)和判定该绝对温度(T3)的判定时间(t3)。更加具体地进行说明，在点火传感器温度(Tb)处于低于Tbl的温度带区域时，在 绝对温度(T3)被设定为100°C的同时，该判定时间(t3)被设定为lsec。而且，在点火传感 器温度(Tb)处于Tbl以上低于Tb2的温度带区域时，在绝对温度(T3)被设定为300°C的同 时，该判定时间(t3)被设定为20sec。而且，在点火传感器温度(Tb)处于Tb2以上的温度 带区域时，在绝对温度(T3)被设定为400°C的同时，该判定时间(t3)被设定为40sec。S卩，对于根据由点火传感器152检测到的点火传感器温度(Tb)来设定的熄火判定 的临界值(T3、t3)，以所检测到的点火传感器温度(Tb)越是属于高温侧的温度带区域，则 绝对温度(T3)就越高且其判定时间(t3)就越长的方式进行设定。另外，作为点火传感器温度(Tb)处于Tbl以上的温度区域的一个例子，在处于 100°C以上的中高温区域时，也可以省略根据熄火判定的临界值即绝对温度(T3)和判定时 间(t3)的熄火判定。而且，如图12及图13所示，如果比较在点火传感器温度(Tb)的相同温度带区域 的判定熄火判定临界值温度降低量(ΔΤ2)的判定时间t2与判定熄火判定临界值绝对温度 (T3)的判定时间t3，则t3比t2短。接着，从S3进入S4，在S 1中检测到的电堆温度(Tc)为500°C以上时，在图11所 示的关于排气温度(Ta)的熄火判定临界值的图的温度降低量(ΔΤ1)和判定时间(tl)上 分别乘以补正系数1.25，从而变更关于排气温度(Ta)的熄火判定临界值的图而进入S5。另一方面，在S4中，在S 1中检测到的电堆温度(Tc)低于500°C时，不对图11所 示的关于排气温度(Ta)的熄火判定临界值的图进行变更而进入S5。S卩，设定为燃料电池模块2内的电堆温度(Tc)越高，则排气温度(Ta)的熄火判定 临界值(ATl、tl)就越大。接着，在S5中，根据在规定时间间隔内排气温度传感器140检测到的排气温度 (Ta)来测定温度降低量，比较该温度降低量的测定值与在S4中设定的排气温度(Ta)的熄 火判定临界值的温度降低量(ΔΤ1)(参照图11)。同样，根据在规定时间间隔内点火传感器152检测到的点火传感器温度(Tb)来测 定温度降低量，比较该温度降低量的测定值与在S4中设定的点火传感器温度(Tb)的熄火 判定临界值的温度降低量(ΔΤ2)(参照图12)。而且，在关于排气温度(Ta)的温度降低量的测定值为S4中设定的排气温度(Ta) 的熄火判定临界值的温度降低量(ΔΤ1)以上时，或者，在关于点火传感器温度(Tb)的温 度降低量的测定值为S4中设定的点火传感器温度(Tb)的熄火判定临界值的温度降低量 (ΔΤ2)以上时，进入S6，并判定标志F为1。
另一方面，在S5中，在关于排气温度(Ta)的温度降低量的测定值低于S4中设定 的排气温度(Ta)的熄火判定临界值的温度降低量(ΔΤ1)时，以及，在关于点火传感器温度 (Tb)的温度降低量的测定值低于S4中设定的点火传感器温度(Tb)的熄火判定临界值的温 度降低量(ΔΤ2)的温度降低时，进入S7。接着，在S7中，比较点火传感器152检测到的点火传感器温度(Tb)的测定值与在 S3中设定的点火传感器温度(Tb)的熄火判定临界值的绝对温度(T3)(参照图13)，在点火 传感器温度(Tb)的测定值为熄火判定临界值的绝对温度(Τ3)以下时，进入S6，并判定标志 F为1。接着，在S2中，在判定标志F不是0时，进入S8，并判定标志F是否为1。在S8中，在判定标志F为1时，进入S9，判定根据排气温度传感器140检测到的排 气温度(Ta)的温度降低量的测定值、以及点火传感器152检测到的点火传感器温度(Tb) 测定值与根据该点火传感器温度(Tb)测定值的温度降低量的测定值是否分别与S3及S4 中设定的各熄火判定临界值(ΔΤ1、ΔΤ2、Τ3)发生抵触，在判定为发生抵触时，判定是否已 经过熄火判定临界值的规定判定时间(tl、t2、t3)。而且，在S9中，在以与各熄火判定临界值(ΔΤ1、ΔΤ2、Τ3)发生抵触的状态下已经 过熄火判定临界值的规定判定时间(tl、t2、t3)时，进入S10。在SlO中，控制部110向燃料气体供给部件即燃料流量调节单元38发送信号，向 重整器20追加供给规定量的燃料气体，并进入S11，对排气温度传感器140及点火传感器 152分别检测到的排气温度(Ta)及点火传感器温度(Tb)是否上升了规定温度进行判定。接着，在Sll中，在排气温度传感器140及点火传感器152分别检测到的排气温度 (Ta)及点火传感器温度(Tb)尽管在S 10中追加供给了燃料气体却未上升规定温度时，进 入S12，并判定处于熄火状态，执行点火控制。然后，进入S13，并判定标志F为2。另一方面，在Sll中，在排气温度传感器140及点火传感器152分别检测到的排气 温度(Ta)及点火传感器温度(Tb)当中的至少一方在SlO中追加供给燃料气体之后上升了 规定温度时，进入S14，并判定标志F为0。接着，在S8中，在判定标志为2时，进入S15。在S15中，将在Sl中重整器温度传感器148检测到的重整器温度(Td)套用于图 14表示的关于点火判定临界值的图(重整器温度传感器温度和温度降低量的关系)，从而 设定用于点火判定的判断的温度上升量(ΔΤ4)和判定该温度上升量(ΔΤ4)的判定时间 (t4)。更加具体地进行说明，在重整器温度(Td)处于低于Tdl的温度带区域时，在温度 上升量(ΔΤ4)被设定为100°C的同时，该判定时间(t4)被设定为3sec。而且，在重整器温 度(Td)处于Tdl以上低于Td2的温度带区域时，在温度上升量(ΔΤ4)被设定为70°C的同 时，该判定时间(t4)被设定为6sec。而且，在重整器温度(Td)处于Td2以上的温度带区域 时，在温度上升量(ΔΤ4)被设定为30°C的同时，该判定时间(t4)被设定为lOsec。S卩，对于根据由重整器温度传感器148检测到的重整器温度(Td)来设定的点火判 定的临界值(ΔΤ4、t4)，以所检测到的重整器温度(Tb)越是属于高温侧的温度带区域，则 温度上升量(ΔΤ4)就越少且该判定时间(t4)就越长的形式进行设定。接着，在S16中，根据在规定时间间隔内重整器温度传感器148检测到的重整器温度(Td)来测定温度上升量，比较该温度上升量的测定值与在S15中设定的重整器温度(Td) 的点火判定临界值的温度上升量(ΔΤ4)(参照图14)。而且，在判定为重整器温度(Td)的温度上升量的测定值为S15中设定的重整器温 度(Td)的点火判定临界值的温度上升量(ΔΤ4)以上时，进入S17。接着，在S17中，判定根据重整器温度传感器148检测到的重整器温度(Td)的温 度上升量的测定值是否与S15中设定的点火判定临界值的温度上升量(ΔΤ4)发生抵触，在 判定为发生抵触时，判定是否已经过点火判定临界值的规定判定时间(t4)。而且，在S17中，在以与点火判定临界值的温度上升量(ΔΤ4)发生抵触的状态下 已经过点火判定临界值的规定判定时间(t4)时，进入S18，并判定处于点火状态，判定标志 F为0。另一方面，在S16中，在判定为重整器温度(Td)的温度上升量的测定值不是S15 中设定的重整器温度(Td)的点火判定临界值的温度上升量(ΔΤ4)以上时，进入S19，控制 部110向点火装置83发送信号，重新进行点火。另外，该重新点火进行5次为止，之后作为 点火异常来处理。根据上述的本发明实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)，伴随燃料气体燃烧 的燃烧温度越是低温，则燃料电池单电池集合体12和燃料电池模块2也越是低温，容易由 于熄火而迅速发生温度降低，而另一方面在燃烧温度为比较高温的状态下，由于燃料电池 单电池集合体12和燃料电池模块2的蓄热多，所以不容易发生温度降低，但是，由于使熄火 判定时使用的熄火判定临界值(ΔΤ1、ΔΤ2)构成为燃烧温度越是低温就越大，所以可以根 据燃料电池单电池集合体12和燃料电池模块2的温度状态来正确、迅速地进行熄火判定， 可以迅速地从熄火状态得到恢复。而且，根据本实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)，由于分别依靠各传感器 140、152、142检测到的排气温度(Ta)、点火传感器温度(Tb)及电堆温度(Tc)来设定用于 熄火判定的熄火判定临界值(ATl、tl、AT2、t2、T3、t3)，所以可以进一步确实、迅速地进 行熄火判定，可以进一步防止错误判断。而且，根据本实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)，在根据温度降低的熄火 判定中，由于燃烧热的不稳定也会发生温度降低，所以有可能错误判定，有必要延长判定时 间，但是通过对除熄火之外别无考虑的低于规定的熄火判定临界值的绝对温度(T3)的状 态进行判定并视为熄火，从而可以确实地进行判定。而且，根据本实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)，在比较低温的环境中，燃 料电池单电池集合体12、燃料电池模块2内的温度也低，也可以根据该低的绝对温度进行 熄火判定，但是在比较高温的环境中，由于难以通过绝对温度进行熄火判定，所以通过将熄 火判定的临界值作为温度降低量，从而在熄火时即使是很小的量也确实产生降低，所以可 以确实地进行判定。而且，根据本实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)，由于分别依靠各传感器 140、152、142检测到的排气温度(Ta)、点火传感器温度(Tb)及电堆温度(Tc)来设定熄火 判定的临界值(ATl、tl、AT2、t2、T3、t3)，由于可以在有效利用各熄火判定的临界值所具 有的优秀区域的同时，互相担保不太优秀的区域，所以可以进行确实的熄火判定。而且，通 过分别优化判定时间(tl、t2、t3)，可以进一步防止错误判定，可以进行迅速、正确的熄火判定。而且，根据本实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)，通过检测排放气体温度 (Ta)，可以迅速地进行判定，在电堆温度(Tc)为500°C以上时，在图11所示的关于排气温 度(Ta)的熄火判定临界值的图的温度降低量(ΔΤ1)和判定时间(tl)上分别乘以补正系 数1.25，由于可以变更关于排气温度(Ta)的熄火判定临界值的图，所以可以进一步正确地 判定熄火。而且，根据本实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)，对于根据由排气温度传 感器140检测到的排气温度(Ta)来设定的熄火判定的临界值(ΔΤ1、 1)，由于设定为所检 测到的排气温度(Ta)越是属于低温侧的温度带区域，则温度降低量(ΔΤ1)就越大，所检测 到的排气温度(Ta)越是属于高温侧的温度带区域，则判定温度降低量(ΔΤ1)的判定时间 (tl)就越长，并设定为所检测到的点火传感器温度(Tb)越是属于低温侧的温度带区域，则 温度降低量(ΔΤ2)就越大，所检测到的点火传感器温度(Tb)越是属于高温侧的温度带区 域，则判定温度降低量(ΔΤ2)的判定时间(t2)就越长，所以可以进一步正确地判定熄火。而且，根据本实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)，在排气温度传感器140 及点火传感器152分别检测到的排气温度(Ta)及点火传感器温度(Tb)尽管追加供给了燃 料也未上升规定温度时，判定为处于熄火状态，实施点火控制。其结果，即使在燃料电池单 电池84的个数非常多，点火传感器152的安装数量也有限，且熄火判定非常困难的情况下， 也可以通过确认增加燃料气体后燃烧温度不上升，从而确实地判定熄火。 而且，根据本实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)，由于控制部110通过排 气温度传感器140及点火传感器152来判定熄火，通过重整器温度传感器148来判定点火， 所以可以确实地进行熄火和点火判定。 另外，在上述的本实施方式的固体电解质型燃料电池(SOFC)中，虽然作为一个例 子说明了根据通过排气温度传感器140及点火传感器152分别检测的排气温度(Ta)及点 火传感器温度(Tb)来设定熄火判定临界值并进行熄火判定这样的方式，但是也可以通过 排气温度传感器140或点火传感器152当中的任意一方来进行熄火判定。
权利要求
一种固体电解质型燃料电池，是使燃料气体和空气进行反应来发电的固体电解质型燃料电池，其特征在于，具有燃料电池单电池集合体，配置于燃料电池模块内的发电室，具备多个固体电解质型燃料电池单电池；重整器，对燃料气体进行水蒸气重整并供给到上述燃料电池单电池集合体；燃料气体供给部件，向上述重整器供给燃料气体；供水部件，生成纯水并供给到上述重整器；重整用空气供给部件，向上述重整器供给重整用空气；发电用空气供给部件，向上述燃料电池单电池集合体供给发电用空气；点火装置，对从上述重整器到燃料电池单电池集合体上部的燃料气体点火从而使其燃烧；温度检测部件，检测起因于燃烧气体燃烧的温度；及控制部件，以在固体电解质型燃料电池起动时通过上述点火装置使上述燃料气体点火并进行使上述燃料气体和上述重整用空气燃烧的燃烧运行，之后，向重整器内供给燃料气体和重整用空气从而进行部分氧化重整反应(POX)运行，之后，向重整器内供给燃料气体、空气、水从而进行自热重整反应(ATR)运行，之后，向重整器内供给燃料和水从而进行水蒸气重整反应(SR)运行的形式，控制上述燃料气体供给部件、上述供水部件、上述重整用空气供给部件、上述发电用空气供给部件、上述点火装置、上述温度检测部件从而使固体电解质型燃料电池起动，上述控制部件在上述温度检测部件检测到的起因于上述燃烧气体燃烧的温度在规定时间内的降低量为事先设定的规定温度降低量的临界值以上时判定为熄火，同时将上述规定温度降低量的临界值根据起因于上述燃烧气体燃烧的温度带区域设定成多个，并设定为起因于上述燃烧气体燃烧的温度越是低温，则上述温度降低量的临界值越是大值。
2.根据权利要求1所述的固体电解质型燃料电池，其为，上述控制部件在起因于上述燃烧气体燃烧的温度为规定温度以下时，判定为熄火。
3.根据权利要求1所述的固体电解质型燃料电池，其为，上述控制部件在起因于上述燃烧气体燃烧的温度降低到上述事先设定的规定温度降 低量的临界值以上的状态持续规定时间时，判定为熄火。
4.根据权利要求1所述的固体电解质型燃料电池，其为，上述温度检测部件将燃料气体燃烧而生成的排放气体的温度作为起因于上述燃烧气 体燃烧的温度来检测。
5.根据权利要求2所述的固体电解质型燃料电池，其为，上述温度检测部件将上述燃料电池单电池集合体上端点火后的燃烧状态的温度作为 起因于上述燃烧气体燃烧的温度来直接检测。
6.根据权利要求3所述的固体电解质型燃料电池，其为，上述控制部件在上述温度检测部件检测到的温度为规定温度以下的状态持续规定时 间以上时判定为熄火，用于判定为该熄火的在上述规定温度以下的状态持续的规定时间被 设定为比用于判定为熄火的降低到上述规定温度降低量的临界值以上的状态持续的规定 时间短。
7.根据权利要求4所述的固体电解质型燃料电池，其为，上述控制部件在将上述排放气体的温度作为起因于上述燃烧气体燃烧的温度来进行 熄火判定的情况下，在上述燃料电池模块内的发电室温度为事先设定的规定温度以上时， 以与上述发电室温度低于规定温度时相比使上述温度降低量的临界值变大的形式补正上 述温度降低量的临界值。
8.根据权利要求7所述的固体电解质型燃料电池，其为，上述控制部件在将上述排放气体的温度作为起因于上述燃烧气体燃烧的温度来进行 熄火判定的情况下，在起因于上述燃烧气体燃烧的温度降低到上述事先设定的规定温度降 低量的临界值以上的状态持续规定时间时，判定为熄火，用于判定为该熄火的上述规定时 间，以与上述发电室温度低于上述事先设定的规定温度时相比，上述发电室温度为上述事 先设定的规定温度以上时的时间更长的形式被补正。
9.根据权利要求1所述的固体电解质型燃料电池，其为，上述控制部件在判定为熄火时，增量供给燃料气体，此时，在上述温度检测部没检测到 起因于上述燃烧气体燃烧的温度上升时，最终判断为熄火，在判断为该最终熄火时，则通过 上述点火装置进行再次点火。
10.根据权利要求4所述的固体电解质型燃料电池，其为，上述控制部件还具备检测重整器温度的重整器温度检测部件，将由上述排气温度检测 部件检测到的排放气体温度作为起因于燃烧气体燃烧的温度进行熄火判定，根据由上述重 整器温度检测部件检测到的重整器温度来判定点火。
全文摘要
本发明提供一种固体电解质型燃料电池，其在容易熄火的燃料电池单电池构造中可根据燃料电池单电池集合体等的温度状态正确且迅速地进行熄火判定。具体为，本发明具有燃料电池单电池集合体；重整器；燃料气体供给部件；重整用空气供给部件；发电用空气供给部件；点火装置；温度检测部件，检测起因于燃烧气体燃烧的燃烧温度；及控制部，在起动时进行通过点火装置点火并利用发电用空气使燃料气体燃烧的燃烧运行，并依次进行POX、ATR、SR运行，控制部在上述燃烧温度在规定时间内的降低量达到事先设定的临界值以上时判定为熄火，同时将上述临界值根据上述燃烧温度带区域设定成多个，并设定为上述燃烧温度越是低温，则上述临界值越是大值。
文档编号H01M8/12GK101901927SQ20101018860
公开日2010年12月1日 申请日期2010年5月28日 优先权日2009年5月28日
发明者中野清隆, 土屋胜久, 大江俊春, 川村昌之, 重住司 申请人:Toto株式会社