JP2008243597A - Fuel cell device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池装置に関し、特に収納容器内に固体酸化物形燃料電池、改質触媒部を収納するとともに、改質触媒部に原燃料を供給するための原燃料供給手段とを具備する燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell device, and in particular, includes a solid oxide fuel cell and a reforming catalyst part in a storage container, and a raw fuel supply means for supplying raw fuel to the reforming catalyst part. The present invention relates to a fuel cell device.
次世代エネルギーとして、近年、固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形及び固体酸化物形等の燃料電池が提案されている。特に、固体酸化物形燃料電池は、作動温度が高いが、発電効率が高い、排熱利用が可能である等の利点を有しており、研究開発が推し進められている。 In recent years, fuel cells of solid polymer type, phosphoric acid type, molten carbonate type and solid oxide type have been proposed as next-generation energy. In particular, solid oxide fuel cells have advantages such as high operating temperature, high power generation efficiency, and use of exhaust heat, and research and development are being promoted.
従来の燃料電池装置では、収納容器内に、固体酸化物形燃料電池、改質器を収納し、燃料電池に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、改質器に原燃料を供給するための原燃料供給手段、空気を供給するための空気供給手段、水を供給するための水供給手段を具備し、起動工程中に、酸素含有ガス供給手段により酸素含有ガスを燃料電池に供給し、一方で、原燃料供給手段により原燃料を改質器を介して燃料電池に供給し、発電に用いられなかったガスを燃焼させ、この燃焼ガスにより改質器を加熱するとともに、モジュール内部加熱することが行われていた(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、従来の燃料電池装置では、起動処理工程の初期において、改質器を介して原燃料を燃料電池に供給していたため、改質器の改質触媒部での圧損が高く、このため、大量の原燃料を供給することが困難であった。 However, in the conventional fuel cell device, since the raw fuel is supplied to the fuel cell through the reformer at the initial stage of the start-up process, the pressure loss at the reforming catalyst portion of the reformer is high. It was difficult to supply a large amount of raw fuel.
即ち、改質器の改質触媒部を原燃料が通過するのに大きな圧力が必要であり、このため、供給圧力を高くしようとすると高価なポンプが必要となり、一方、安価なポンプを使用すると、改質器を通過する原燃料が少なくなり、モジュール温度を高め、かつ改質器温度を十分に短時間に高めるためは、原燃料の供給量が少ないという問題があった。 That is, a large pressure is required for the raw fuel to pass through the reforming catalyst portion of the reformer. For this reason, if an attempt is made to increase the supply pressure, an expensive pump is required, whereas if an inexpensive pump is used. In order to reduce the raw fuel passing through the reformer, increase the module temperature, and sufficiently increase the reformer temperature in a sufficiently short time, there is a problem that the supply amount of the raw fuel is small.
本発明は、原燃料を燃料電池に十分に供給できる燃料電池装置を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the fuel cell apparatus which can fully supply raw fuel to a fuel cell.
本発明の燃料電池装置は、収納容器と、該収納容器内に収納された固体酸化物形燃料電池と、前記収納容器内に収納され前記固体酸化物形燃料電池に燃料ガスを供給すべく原燃料を改質する改質触媒部と、該改質触媒部に原燃料を供給するための原燃料供給手段と、前記改質触媒部に水を供給するための水供給手段とを具備してなり、前記改質触媒部を通過し発電に使用されなかったガスを燃焼させる燃料電池装置であって、前記固体酸化物形燃料電池に原燃料を直接供給するための原燃料直接供給手段と、該原燃料直接供給手段、前記原燃料供給手段及び前記水供給手段を制御する制御部とを具備することを特徴とする。 The fuel cell device of the present invention includes a storage container, a solid oxide fuel cell stored in the storage container, and a raw material for supplying fuel gas to the solid oxide fuel cell stored in the storage container. A reforming catalyst unit for reforming the fuel; a raw fuel supply unit for supplying the raw fuel to the reforming catalyst unit; and a water supply unit for supplying water to the reforming catalyst unit. A fuel cell device for combusting a gas that has passed through the reforming catalyst part and has not been used for power generation, and a raw fuel direct supply means for directly supplying raw fuel to the solid oxide fuel cell; And a controller for controlling the raw fuel direct supply means, the raw fuel supply means, and the water supply means.
このような燃料電池装置では、原燃料直接供給手段により、改質触媒部を介さずに原燃料を燃料電池に供給できるため、供給圧の低い安価なポンプからなる原燃料直接供給手段を使用しても、原燃料を燃料電池に十分に供給でき、この原燃料を燃焼させ、これにより、モジュール(燃料電池)温度及び改質触媒部温度を十分にかつ短時間に高めることができ、燃料電池装置の起動を早めることができる。 In such a fuel cell apparatus, since the raw fuel can be supplied to the fuel cell by the raw fuel direct supply means without going through the reforming catalyst unit, the raw fuel direct supply means including an inexpensive pump having a low supply pressure is used. However, the raw fuel can be sufficiently supplied to the fuel cell, and this raw fuel can be burned, whereby the module (fuel cell) temperature and the reforming catalyst temperature can be sufficiently increased in a short time. The start-up of the device can be accelerated.
また、本発明の燃料電池装置は、前記固体酸化物形燃料電池は内部改質型であることを特徴とする。このような燃料電池装置では、改質触媒部にて改質しきれなかった原燃料を、固体酸化物形燃料電池にて改質することができる。 In the fuel cell device of the present invention, the solid oxide fuel cell is an internal reforming type. In such a fuel cell device, the raw fuel that could not be completely reformed by the reforming catalyst unit can be reformed by the solid oxide fuel cell.
さらに、本発明の燃料電池装置は、前記固体酸化物形燃料電池に酸素含有ガスを直接供給する酸素含有ガス直接供給手段を具備する。このような燃料電池装置では、原燃料とともに酸素含有ガスを燃料電池に供給することにより、原燃料が燃焼し、燃料電池の燃焼ガス近傍が加熱され、この固体酸化物形燃料電池の加熱された部分で内部改質が行われ始め、これとともに炭素が析出し始めるが、酸素含有ガスが供給されるため、炭素が酸化され二酸化炭素として放出され、炭素の析出を防止することができる。さらに、内部改質型の固体酸化物形燃料電池を用いる場合には、部分酸化反応が改質触媒ではなく、固体酸化物形燃料電池で発生するため、発熱による改質触媒の劣化を防止することができる。 Furthermore, the fuel cell device of the present invention comprises an oxygen-containing gas direct supply means for directly supplying an oxygen-containing gas to the solid oxide fuel cell. In such a fuel cell device, by supplying an oxygen-containing gas to the fuel cell together with the raw fuel, the raw fuel is combusted, the vicinity of the combustion gas of the fuel cell is heated, and the solid oxide fuel cell is heated. Internal reforming begins to be performed in part, and carbon begins to precipitate together with this, but since the oxygen-containing gas is supplied, the carbon is oxidized and released as carbon dioxide, thereby preventing carbon deposition. Further, when an internal reforming type solid oxide fuel cell is used, the partial oxidation reaction occurs not in the reforming catalyst but in the solid oxide fuel cell, thus preventing deterioration of the reforming catalyst due to heat generation. be able to.
また、本発明の燃料電池装置では、前記制御部は、起動処理工程の初期に前記原燃料直接供給手段により前記固体酸化物形燃料電池に原燃料を直接供給するように制御することを特徴とする。このような燃料電池装置では、起動処理工程の初期に原燃料を燃焼させることにより、燃料電池を加熱するとともに、改質触媒部を加熱することができ、燃料電池の起動を早め、また、改質器での改質を早めることができる。 In the fuel cell device of the present invention, the control unit controls the raw fuel directly to the solid oxide fuel cell by the raw fuel direct supply means at the initial stage of the startup processing step. To do. In such a fuel cell device, by burning the raw fuel at the initial stage of the start-up process step, the fuel cell can be heated and the reforming catalyst section can be heated, so that the start-up of the fuel cell can be accelerated and modified. It is possible to accelerate the reforming in the quality device.
さらに、本発明の燃料電池装置では、前記制御部は、前記改質触媒部の温度が水蒸気改質可能な所定温度となるまで、前記原燃料直接供給手段により前記固体酸化物形燃料電池に原燃料を直接供給するように制御するとともに、前記改質触媒部の温度が水蒸気改質可能な所定温度となると、前記原燃料供給手段により原燃料を、前記水供給手段により水を前記改質触媒部に供給するように制御することを特徴とする。 Furthermore, in the fuel cell device of the present invention, the control unit supplies the raw material to the solid oxide fuel cell by the raw fuel direct supply means until the temperature of the reforming catalyst unit reaches a predetermined temperature at which steam reforming is possible. Control is performed so that fuel is directly supplied, and when the temperature of the reforming catalyst section reaches a predetermined temperature at which steam reforming is possible, the raw fuel is supplied by the raw fuel supply means, and water is supplied by the water supply means. It controls to supply to a part.
このような燃料電池装置では、起動処理工程では、燃料電池に原燃料直接供給手段を用いて原燃料を供給し、燃焼させることにより、モジュール内部の温度を高くするとともに、改質触媒部の温度を高くするが、改質触媒部の温度が水蒸気改質可能な所定温度となるまで原燃料直接供給手段により原燃料を供給し、改質触媒部の温度が水蒸気改質可能な所定温度となると、原燃料供給手段及び水供給手段により、原燃料及び水を改質触媒部に供給し、吸熱反応である水蒸気改質を行うことができ、最も改質効率の高い水蒸気改質を行うまでの時間を短縮できる。 In such a fuel cell device, in the start-up process step, the raw fuel is supplied to the fuel cell using the raw fuel direct supply means and burned, thereby increasing the temperature inside the module and the temperature of the reforming catalyst section. However, when the raw fuel is supplied by the raw fuel direct supply means until the temperature of the reforming catalyst section reaches a predetermined temperature at which steam reforming can be performed, and the temperature of the reforming catalyst section reaches a predetermined temperature at which steam reforming can be performed. The raw fuel supply means and the water supply means can supply the raw fuel and water to the reforming catalyst unit to perform steam reforming, which is an endothermic reaction, until the steam reforming with the highest reforming efficiency is performed. You can save time.
また、本発明の燃料電池装置は、前記改質触媒部に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段を具備しており、前記制御部は、前記改質触媒部の温度が部分酸化改質可能な所定温度となるまで、前記原燃料直接供給手段により前記固体酸化物形燃料電池に原燃料を直接供給するように制御するとともに、前記改質触媒部の温度が部分酸化改質可能な所定温度となると、前記原燃料供給手段により原燃料を、前記酸素含有ガス供給手段により酸素含有ガスを前記改質触媒部に供給するように制御することを特徴とする。 Further, the fuel cell device of the present invention includes an oxygen-containing gas supply means for supplying an oxygen-containing gas to the reforming catalyst unit, and the control unit is configured such that the temperature of the reforming catalyst unit is partially oxidized. Control is performed so that the raw fuel is directly supplied to the solid oxide fuel cell by the raw fuel direct supply means until the reformable temperature reaches a predetermined temperature, and the temperature of the reforming catalyst can be partially oxidized and reformed. When the temperature reaches a predetermined temperature, the raw fuel is supplied by the raw fuel supply means and the oxygen-containing gas is supplied by the oxygen-containing gas supply means to the reforming catalyst unit.
このような燃料電池装置では、起動処理工程では、燃料電池に原燃料直接供給手段を用いて原燃料を供給し、燃焼させることにより、モジュール内部の温度を高くするとともに、改質触媒部の温度を高くするが、改質触媒部の温度が部分酸化改質可能な所定温度となるまで原燃料直接供給手段により原燃料を直接供給し、改質触媒部の温度が部分酸化改質可能な所定温度となると、原燃料供給手段及び酸素含有ガス供給手段により、原燃料及び酸素含有ガスを改質触媒部に供給し、発熱反応である部分酸化改質を行うことができ、改質を行うまでの時間を短縮できる。そして、この後、改質触媒部の温度が水蒸気改質可能な所定温度となると、酸素含有ガスの改質触媒部への供給を停止し、一方で水の改質触媒部への供給を開始し、最も改質効率の高い水蒸気改質を行うことができる。 In such a fuel cell device, in the start-up process step, the raw fuel is supplied to the fuel cell using the raw fuel direct supply means and burned, thereby increasing the temperature inside the module and the temperature of the reforming catalyst section. However, the raw fuel is directly supplied by the raw fuel direct supply means until the temperature of the reforming catalyst part reaches a predetermined temperature at which partial oxidation reforming is possible. When the temperature reaches, the raw fuel supply means and the oxygen-containing gas supply means can supply the raw fuel and the oxygen-containing gas to the reforming catalyst section, and can perform partial oxidation reforming which is an exothermic reaction until the reforming is performed. Can be shortened. After that, when the temperature of the reforming catalyst part reaches a predetermined temperature at which steam reforming is possible, the supply of oxygen-containing gas to the reforming catalyst part is stopped, while the supply of water to the reforming catalyst part is started. In addition, steam reforming with the highest reforming efficiency can be performed.
本発明の燃料電池装置では、原燃料直接供給手段により、改質触媒部を介さずに原燃料を燃料電池に供給できるため、供給圧の低い安価なポンプを使用しても、原燃料を燃料電池に十分に供給でき、この原燃料を燃焼させ、これにより、モジュール温度及び改質触媒部温度を十分にかつ短時間に高めることができ、燃料電池装置の起動を早めることができる。 In the fuel cell device of the present invention, the raw fuel can be supplied to the fuel cell by the raw fuel direct supply means without going through the reforming catalyst section. Therefore, even if an inexpensive pump with a low supply pressure is used, The battery can be sufficiently supplied and the raw fuel is burned, whereby the module temperature and the reforming catalyst temperature can be sufficiently increased in a short time, and the start-up of the fuel cell device can be accelerated.
以下、本発明の燃料電池装置の一形態について説明する。図1は燃料電池装置の概要を示す概略構成図である。 Hereinafter, an embodiment of the fuel cell device of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an outline of a fuel cell device.
燃料電池装置は、図1に示すように、収納容器1内に、改質器3及びセルスタック4が収容されて構成されている。改質器3内には、原燃料を改質する改質触媒部3aを具備している。改質触媒部3aの上流側には水気化部3bが、改質触媒部3aの下流側にはガス予熱部3cが形成されている。セルスタック4は、複数の燃料電池セル(燃料電池)4aをガスマニホールド4bに立設して構成されている。
As shown in FIG. 1, the fuel cell device is configured such that a reformer 3 and a
収納容器1の改質器3には、ガスポンプ2により外部から都市ガス、プロパンガス等の原燃料が供給可能とされ、また、水ポンプ7により水が供給可能とされ、さらに、空気ポンプ9により、空気等の酸素含有ガスが供給可能とされている。
The reformer 3 of the
改質器3は、原燃料、水、酸素含有ガスにより、部分酸化改質、水蒸気改質可能とされ、改質器3にて改質された燃料ガスがセルスタック4の燃料電池セル4aに供給されるように構成されている。ガスポンプ2、水ポンプ7、空気ポンプ9は、制御部10で制御可能とされている。尚、図1における破線は、制御装置10からの主な信号、又は制御部10への主な信号を示すものである。
The reformer 3 is capable of partial oxidation reforming and steam reforming using raw fuel, water, and oxygen-containing gas, and the fuel gas reformed by the reformer 3 is supplied to the fuel cell 4a of the
また、収納容器1内には、発電用としての空気(酸素含有ガス)が空気ブロワ11により空気導入管13を介して供給される。
In addition, air (oxygen-containing gas) for power generation is supplied into the
即ち、改質器3とガスマニホールド4bとの間は配管14により連結され、改質器3の改質触媒部3aにて改質された燃料ガスがガスマニホールド4bに供給されるようになっている。燃料電池セル4aは、内部に燃料ガスが流通するガス通路を有しており、燃料ガスは、マニホールド4b内から燃料電池セル4aのガス通路を流通して発電反応に用いられ、余剰の燃料ガスがガス通路を介して燃料電池セル4aの上方(燃焼領域F)に放出される。一方、空気は空気ブロワ11により空気導入管13より収納容器1内に供給され、発電反応に用いられなかった空気は、燃料電池セル4aの上方へ向かう。
That is, the reformer 3 and the
この形態では、燃料電池セル4aの上方(燃焼領域F)に放出された余剰の燃料ガスが、燃焼用燃料ガスとされている。 In this embodiment, the surplus fuel gas released above the fuel cell 4a (combustion region F) is used as the combustion fuel gas.
つまり、この形態では、セルスタック4の上方に放出される余剰の燃料ガスが燃焼する燃焼領域F、言い換えれば、セルスタック4上方には、着火手段としての着火用ヒータ15、燃料ガスの燃焼状態を計測する温度センサ17が設けられており、燃焼領域Fの上方には、改質器3が設けられ、改質器3は、セルスタック4から放出された燃料ガスの燃焼により加熱されるように構成されている。燃料電池セル4aは、例えば、中空平板タイプの固体酸化物形燃料電池セル4aとされ、固体酸化物からなる電解質の内側にNiを主成分とする燃料極層、外側には空気極が形成され、燃料電池セル4aの内部を通過するガスが内部改質されるようになっている。
That is, in this embodiment, the combustion region F in which surplus fuel gas discharged above the
尚、起動初期では、改質器3の温度が低いため、改質器3にて改質が行われるまでは、原燃料が改質器3に供給されても改質されないため、原燃料がガスマニホールド4bを介して燃料電池セル4aに上方から放出され、燃焼することになる。
Since the temperature of the reformer 3 is low in the initial stage of the start-up, the raw fuel is not reformed even if it is supplied to the reformer 3 until the reformer 3 performs reforming. The fuel cell 4a is discharged from above through the
着火用ヒータ15は、その発熱を燃焼の着火源とするものであり、セラミックからなる着火用ヒータ15は1000℃程度の高温になり、着火源として十分機能する。従って、着火用ヒータ15は、耐久性という観点からセラミックヒータが望ましく、例えば、W、Mo等からなる発熱体を、アルミナ、炭化珪素、窒化珪素等のセラミックで被覆して構成されている。
The
温度センサ17としては、1000℃以上の温度を計測でき応答性も速く安価であるK種熱電対を用いることができる。又、温度センサ17は、着火用ヒータ15からの輻射熱をできるだけ検出しないように離して配置されている。従って、セルスタック4から吹き出した燃料ガスに着火用ヒータ15で着火し、燃料ガスを燃焼させて改質器3を昇温させ、原燃料の改質を行う構造としている。燃焼した排ガスは排気管19より収納容器1外部に放出される。温度センサ17からの信号は制御部10に送られ、着火用ヒータ15への通電は制御部10で制御可能とされている。
As the
そして、本発明の燃料電池装置では、改質触媒部3aよりも下流側の配管14には、改質器3に原燃料を供給する原燃料供給ラインL1とは別に、原燃料をガスマニホールド4bを介して燃料電池セル4aの上方に放出するための原燃料直接供給ラインL2、言い換えれば、原燃料を改質触媒部3aを通過させることなく、原燃料を直接燃料電池セル4aに供給する原燃料直接供給ラインL2が接続され、このラインL2に設けられたガスポンプ18は、制御部10により制御されるようなっている。
In the fuel cell device according to the present invention, the raw fuel is supplied to the
以上のように構成された燃料電池装置の起動方法について、図2に基づいて説明する。燃料電池装置の起動が開始されると、先ず発電準備である起動処理を行う。 A method for starting the fuel cell device configured as described above will be described with reference to FIG. When activation of the fuel cell device is started, first, activation processing that is preparation for power generation is performed.
先ず、S1において空気ブロワ11を起動し収納容器1内に空気を供給する。ここで、着火動作時は空気ブロワ11による供給量が多いと火炎を吹き消す恐れがある為、流量を少なく(例えば、40L/min)設定しておく。この空気ブロワ11による空気供給が、燃料電池セル4aの上方の燃焼領域Fに達し、燃料電池セル4aの火炎を吹き消すおそれがあるため、空気ブロワ11による空気供給量を減らすことで、燃焼領域Fへの空気供給量を減らすことができる。その後、S2で着火用ヒータ15に通電し、着火用ヒータ15を予熱する。
First, in S <b> 1, the
この後、S3で原燃料直接供給ラインL2のガスポンプ18を駆動し、原燃料を改質器3の改質触媒部3aよりも下流側の配管14に供給し、原燃料をガスマニホールド4bを介して燃料電池セル4a上方に放出し、空気ブロワ11による空気と原燃料との混合ガスに、着火用ヒータ15の発熱で着火し、燃焼させ、この燃焼ガスで、収納容器1内の温度が上昇し、かつ、改質器3が加熱される。
Thereafter, in S3, the
原燃料は、改質器3の改質触媒部3aを介することなく、改質触媒部3aよりも下流側の配管14から燃料電池セル4aの上方に放出されるため、原燃料の供給を妨げるものが何もなく、スムーズに燃料電池セル4aから上方に放出することができる。これにより、燃料電池セル4a、改質器3を加熱するための燃焼用のガスとして、原燃料を大量にかつ容易に低圧力で供給することができ、燃料電池セル4a、改質器3の加熱を迅速に行うことができる。
Since the raw fuel is discharged above the fuel cell 4a from the
この後、S4で部分酸化改質可能か否か判定する。部分酸化改質可能か否かは、例えば、モジュール温度が100℃以上であり、かつ改質器内部の温度が200℃以上となった場合に、可能と判断する。 Thereafter, it is determined whether or not partial oxidation reforming is possible in S4. Whether or not partial oxidation reforming is possible is determined, for example, when the module temperature is 100 ° C. or higher and the temperature inside the reformer is 200 ° C. or higher.
部分酸化改質可能と判断された場合には、S5でガスポンプ2、空気ポンプ9を駆動し、改質器3に原燃料と空気を供給し、部分酸化改質を行う。この後、S6でガスポンプ18を停止する。改質器3の改質触媒部3aにて改質された燃料ガスは、マニホールド4bを介して燃料電池セル4aのガス通路を通過し、発電反応に用いられなかった余剰の燃料ガスが燃焼領域Fに放出され、燃焼し、燃料電池セル4a、改質器3が加熱される。
If it is determined that partial oxidation reforming is possible, the gas pump 2 and the
この後、S7でオートサーマル改質(ATR)可能か否か判定する。オートサーマル改質とは、部分酸化改質と水蒸気改質の併用運転であり、部分酸化改質から水蒸気改質に直接変更すると、ガス種、ガス量が急激に変化するため、部分酸化改質と水蒸気改質を併用する改質法であり、オートサーマル改質(ATR)可能か否かは、例えば、モジュール温度が200℃以上であり、かつ改質器内部の温度が650℃以上である場合に、可能と判断する。部分酸化改質は発熱反応であるが水蒸気改質は吸熱反応であるため、水蒸気改質に移行してもモジュール温度、改質器温度を維持できるよう、ある一定以上の温度となった場合にオートサーマル改質(ATR)可能と判断する。 Thereafter, it is determined in S7 whether autothermal reforming (ATR) is possible. Autothermal reforming is a combined operation of partial oxidation reforming and steam reforming. When changing directly from partial oxidation reforming to steam reforming, the gas type and amount of gas change abruptly. Whether or not autothermal reforming (ATR) is possible is, for example, the module temperature is 200 ° C. or higher and the temperature inside the reformer is 650 ° C. or higher. If possible, it is determined to be possible. Partial oxidation reforming is an exothermic reaction, but steam reforming is an endothermic reaction, so if the temperature rises above a certain level so that the module temperature and reformer temperature can be maintained even after shifting to steam reforming. Judge that autothermal reforming (ATR) is possible.
オートサーマル改質(ATR)可能と判断された場合には、S8で水ポンプ7を駆動し、改質器3に水(水蒸気となる)を供給し、一方で、空気ポンプ9による空気供給量を少なくし、改質器内でオートサーマル改質(ATR)を行う。
If it is determined that autothermal reforming (ATR) is possible, the
この後、S9で水蒸気改質可能か否か判定する。水蒸気改質は吸熱反応であるため、水蒸気改質可能か否かは、例えば、モジュール温度が400℃以上であり、かつ改質器内部の温度が550℃以上である場合に、可能と判断する。 Thereafter, it is determined whether or not steam reforming is possible in S9. Since steam reforming is an endothermic reaction, whether steam reforming is possible or not is determined as possible, for example, when the module temperature is 400 ° C. or higher and the temperature inside the reformer is 550 ° C. or higher. .
水蒸気改質可能と判断された場合には、S10で空気ポンプ9の駆動を停止し、空気ポンプ9による空気供給を停止する。一方で、水ポンプ7による水供給量を増加し、水蒸気改質を行う。
If it is determined that steam reforming is possible, the drive of the
そして、空気ポンプ9の停止後、一定時間経過後に、着火用ヒータ15への通電を停止する。一定時間とは、モジュール温度が十分に高くなっており、自然発火する温度とされている。
Then, after the
以上のような燃料電池装置では、ガスポンプ18により、改質触媒部3aを介さずに原燃料を燃料電池セル4aに供給できるため、供給圧の低い安価なガスポンプ18を使用しても、原燃料を燃料電池セル4aに十分に供給でき、この原燃料を燃焼させ、これにより、燃料電池セル4aの温度を高め、かつ改質器3温度を十分に短時間に高めることができ、燃料電池装置の起動を早めることができる。
In the fuel cell device as described above, since the raw fuel can be supplied to the fuel cell 4a by the
また、制御部10は、起動工程中に着火用ヒータ15に通電し、発電反応に用いられなかったガスに着火して燃焼させるが、制御部10は起動工程中継続して着火用ヒータ15に通電するため、簡単な制御で、かつ、起動工程中における着火信頼性を向上できる。
In addition, the
即ち、原燃料の部分酸化改質は、例えば、空気と原燃料とを改質器3に所定量供給して行われ、また水蒸気改質は、例えば水と原燃料とを改質器に所定量供給して行われ、それぞれの改質で用いられるガス種、ガス量が異なるため、例えば、部分酸化改質時には着火用ヒータにて一旦着火した場合であっても、オートサーマル改質(ATR)段階や、水蒸気改質段階で失火する虞があるが、本発明では、起動工程中継続して着火用ヒータ15に通電するため、ガス種、ガス量が変化し、失火したとしてもすぐに再着火し、着火信頼性を向上できる。
That is, the partial oxidation reforming of the raw fuel is performed, for example, by supplying a predetermined amount of air and raw fuel to the reformer 3, and the steam reforming is performed, for example, by supplying water and raw fuel to the reformer. Since the gas type and the amount of gas used in each reforming are different, the autothermal reforming (ATR) is performed even if the ignition heater is ignited once during partial oxidation reforming. ) Or in the steam reforming stage, but in the present invention, the
図3は本発明の他の形態を示すもので、この形態では、配管14に原燃料を供給する原燃料直接供給ラインL2が接続されるとともに、改質触媒部3aよりも下流側に、燃料電池セル4aに酸素含有ガスを直接供給するための酸素含有ガス直接供給手段、言い換えれば、改質触媒部3aよりも下流側の配管14に酸素含有ガスを燃料電池セル4aに直接供給するための酸素含有ガス直接供給ラインL3が接続され、酸素含有ガス直接供給ラインに設けられた空気ポンプ25は、制御部10により制御されるようなっている。
FIG. 3 shows another embodiment of the present invention. In this embodiment, a raw fuel direct supply line L2 for supplying raw fuel is connected to the
このような燃料電池装置では、図4に示すように、先ず、S1において空気ブロワ11を起動し収納容器1内に空気を供給する。その後、S2で着火用ヒータ15に通電し、着火用ヒータ15を予熱する。
In such a fuel cell apparatus, as shown in FIG. 4, first, in S <b> 1, the
この後、S3でガスポンプ18、空気ポンプ25を駆動し、原燃料、空気を改質器3の改質触媒部3aよりも下流側の配管14に供給し、原燃料、空気をガスマニホールド4bを介して燃料電池セル4a上方に放出し、空気と原燃料との混合ガスに、着火用ヒータ15の発熱で着火し、燃焼させ、この燃焼ガスで、収納容器1内の温度が上昇し、かつ、改質器3が加熱される。
Thereafter, in S3, the
原燃料は、改質器3の改質触媒部3aを介することなく、改質触媒部3aよりも下流側の配管14から燃料電池セル4aの上方に放出されるため、原燃料の供給を妨げるものが何もなく、スムーズに燃料電池セル4aから上方に放出することができる。これにより、燃料電池セル4a、改質器3を加熱するための燃焼用のガスとして、原燃料を大量にかつ容易に供給することができ、燃料電池セル4a、改質器3の加熱を迅速に行うことができる。
Since the raw fuel is discharged above the fuel cell 4a from the
また、空気が改質器3の改質触媒部3aを介することなく、改質触媒部3aよりも下流側の配管14から燃料電池セル4a内を通過して放出されるため、空気の供給を妨げるものが何もなく、スムーズに大量の空気を燃料電池セル4aから上方に放出することができる。従って、原燃料とともに空気を燃料電池に供給することにより、原燃料が燃焼し、燃料電池の燃焼ガス近傍が加熱され、この固体酸化物形燃料電池の加熱された部分で内部改質が行われ始め、これに伴い炭素が析出する虞があるが、同時に空気が供給されるため、炭素が酸化され二酸化炭素として放出され、燃料電池セル4aの燃料極における炭素の析出を抑制することができる。
Further, since air is discharged through the fuel cell 4a from the
図5は本発明のさらに他の形態を示すもので、この形態では、ガスマニホールド4bに原燃料を供給する原燃料直接供給ラインL2が接続されるとともに、ガスマニホールド4bに酸素含有ガス直接供給ラインL3が接続されている。このような燃料電池装置でも、上記形態とほぼ同様の効果を得ることができるが、この形態では、さらに、原燃料直接供給ラインL2、酸素含有ガス直接供給ラインL3が接続される部分が、配管よりも広い空間(断面積が大きい)であるガスマニホールド4bに接続されるため、ガスがさらに供給されやすくなり、供給圧の低いポンプを用いることができる。
FIG. 5 shows still another embodiment of the present invention. In this embodiment, a raw fuel direct supply line L2 for supplying raw fuel is connected to the
尚、上記した形態では、原燃料直接供給ラインL2、酸素含有ガス直接供給ラインL3を配管14や、ガスマニホールド4bに接続した形態について説明したが、本発明では、改質触媒部3aよりも下流側であれば、例えば、改質器であっても良い。
In the above embodiment, the raw fuel direct supply line L2 and the oxygen-containing gas direct supply line L3 are connected to the
以上、添付図面を参照して本発明の好適実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能であることは多言するまでもない。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to such embodiments, and various modifications and corrections can be made without departing from the scope of the present invention. It goes without saying that this is possible.
例えば、上記形態では、原燃料を圧送するための2つのガスポンプ2、18を、即ち原燃料供給ラインL1のガスポンプ2と原燃料直接供給ラインL2のガスポンプ18を用いた形態について説明したが、一つのガスポンプにて、原燃料を改質器3又は配管14に供給するように切り替えスイッチ等を設けても良い。このような燃料電池装置では、ガスポンプが一つであるため、安価とできるとともに、大量に原燃料を供給する必要がある時には、改質触媒部を介さずに供給するため、ガスポンプに高い供給能力が要求されず、安価なガスポンプを用いることができる。
For example, in the above embodiment, the two
また、図3、5の形態では、空気を圧送するための2つの空気ポンプ9、25を用いた形態について説明したが、一つの空気ポンプにて、空気を改質器3又は配管14に供給するように切り替えスイッチ等を設けても良い。このような燃料電池装置では、空気ポンプが一つであるため、安価とできるとともに、大量に空気を供給する必要がある時には、改質触媒部を介さずに供給するため、空気ポンプに高い供給能力が要求されず、安価な空気ポンプを用いることができる。
3 and 5, the two
また、上記形態では、セルスタックの上方に特定の改質器を備えた燃料電池装置について説明したが、改質器はセルスタックの上方以外に設けた場合でも、本発明を適用することができる。 In the above embodiment, the fuel cell device provided with a specific reformer above the cell stack has been described. However, the present invention can be applied even when the reformer is provided outside the cell stack. .
さらに、上記形態では、燃料電池セルの外面に空気を、内部に燃料ガスを供給する場合について説明したが、本発明は、燃料電池セルの内部に空気を、外部に燃料ガスを供給する場合であっても適用できる。尚、この場合、燃料電池セルの内側には空気極が、外側には燃料極が形成されることは言うまでもない。 Further, in the above embodiment, the case where air is supplied to the outer surface of the fuel cell and the fuel gas is supplied to the inside is described. However, the present invention is a case where air is supplied to the inside of the fuel cell and fuel gas is supplied to the outside. It can be applied even if it exists. In this case, it goes without saying that an air electrode is formed inside the fuel cell and a fuel electrode is formed outside.
また、上記形態では、部分酸化改質を行った後水蒸気改質を行う場合に、本発明を適用したが、本発明では、部分酸化改質を行うことなく、水蒸気改質を行う場合にも適用できる。この場合には、最も改質効率の高い水蒸気改質を行うまでの時間を短縮できる。また、部分酸化反応が改質触媒ではなく、固体酸化物形燃料電池で発生するため、発熱による改質触媒の劣化を防止することができる。 In the above embodiment, the present invention is applied when steam reforming is performed after partial oxidation reforming. However, the present invention also applies when steam reforming is performed without performing partial oxidation reforming. Applicable. In this case, the time until the steam reforming with the highest reforming efficiency can be shortened. Moreover, since the partial oxidation reaction occurs not in the reforming catalyst but in the solid oxide fuel cell, it is possible to prevent the reforming catalyst from being deteriorated due to heat generation.
1・・・収納容器
2、18・・・ガスポンプ
3・・・改質器
3a・・・改質触媒部
4・・・セルスタック
4a・・・燃料電池セル(燃料電池)
7・・・水ポンプ
9、25・・・空気ポンプ
10・・・制御部
15・・・着火用ヒータ
F・・・燃焼領域
DESCRIPTION OF
7 ...
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