JP5105701B2 - Power generator - Google Patents

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Description

本発明は、発電装置に関し、特に有害成分である一酸化炭素、水素などの可燃性、毒性のガスを外気に排出することなく燃料電池を作動することができる発電効率の高い発電装置に関するものである。   The present invention relates to a power generation device, and more particularly to a power generation device with high power generation efficiency capable of operating a fuel cell without discharging flammable and toxic gases such as carbon monoxide and hydrogen, which are harmful components, to the outside air. is there.

次世代エネルギーとして、近年、燃料電池セルのスタックをハウジング内に収容した燃料電池が種々提案されている。   In recent years, various fuel cells in which a stack of fuel cells is housed in a housing have been proposed as next-generation energy.

従来の高分子型の燃料電池においては、都市ガスやプロパンガスなどの炭化水素燃料を改質器により改質し、改質された燃料ガス中に含まれる高分子型の燃料電池の被毒成分である一酸化炭素を除去するために、一酸化炭素の変成器、選択酸化器などの一酸化炭素除去器を経由して燃料電池に燃料を供給している。燃料電池に供給された余剰の燃料ガス、酸素含有ガスは浄化装置を経由して外気へ排出される(例えば特許文献1参照)。   In conventional polymer fuel cells, hydrocarbon fuels such as city gas and propane gas are reformed by a reformer, and poisoning components of polymer fuel cells contained in the reformed fuel gas In order to remove carbon monoxide, fuel is supplied to the fuel cell via a carbon monoxide remover such as a carbon monoxide transformer or a selective oxidizer. Excess fuel gas and oxygen-containing gas supplied to the fuel cell are discharged to the outside air via the purification device (see, for example, Patent Document 1).

炭化水素燃料の改質は吸熱反応であることが多く、改質器における熱源として、燃料電池セルで利用されなかった余剰の燃料ガスを浄化装置にて燃焼させ、その発熱エネルギーを用いることがなされている。その場合、余剰ガスのみでは熱源としては不十分であり、別途加熱源を設置、例えば炭化水素燃料を燃焼させ、改質反応を進めるとともに排気ガスを浄化することができる(例えば特許文献2参照)。
特開2002−79058号公報 特表2004−513487号公報
The reforming of hydrocarbon fuels is often an endothermic reaction, and as a heat source in the reformer, surplus fuel gas that has not been used in the fuel cells is burned in a purifier and the exothermic energy is used. ing. In that case, the surplus gas alone is insufficient as a heat source, and a separate heat source can be installed, for example, hydrocarbon fuel can be burned to advance the reforming reaction and purify the exhaust gas (see, for example, Patent Document 2). .
JP 2002-79058 A JP-T-2004-513487

固体酸化物燃料電池における燃料は、都市ガスやプロパンガスなどの炭化水素燃料を改質器により改質するが、高分子燃料電池とは異なり改質ガス中に含まれる一酸化炭素をも水素ガスと同様に燃料として利用できるため、一酸化炭素除去器は不要となる。これらの改質された燃料を用いて800℃から1000℃の温度で運転するため、燃料電池セルより排出される余剰の燃料ガス等は燃焼され、例えば一酸化炭素は二酸化炭素に、水素は水になるため、固体酸化物燃料電池には浄化装置は不要であると考えられていた。
Fuel in the solid oxide fuel cell is reformed by the reformer hydrocarbon fuels such as city gas and propane gas, also the carbon monoxide contained in the reformed gas unlike polymer fuel cell Since it can be used as a fuel like hydrogen gas, a carbon monoxide remover is not required. Since these reformed fuels are used to operate at a temperature of 800 ° C. to 1000 ° C., surplus fuel gas discharged from the fuel cells is burned, for example, carbon monoxide is carbon dioxide and hydrogen is water. to become a purification apparatus for solid oxide fuel cells has been considered to be unnecessary.

しかしながら、固体酸化物燃料電池においては、特に燃料利用率の高い状態での運転、また空気利用率を高めた状態での運転により、高分子燃料電池を上回る高い総合効率を達成することができるが、このような場合においては、発電に利用されない燃料ガス量は極端に減少し、また空気中の酸素濃度は低下する。このような状態においては、例え発電温度が800から1000℃と高い状態においても排出されるガスの燃焼は不完全なものとなり、また失火する懸念もある。これにより、一酸化炭素などを始めとする有害成分を外部に放出してしまう危険性があった。
However, in the solid oxide fuel cell, in particular the operation of a high state of the fuel utilization rate, and by operating in a state of increased air utilization, to achieve a high overall efficiency in excess of polymer fuel cell In such a case, the amount of fuel gas that is not used for power generation is extremely reduced, and the oxygen concentration in the air is reduced. In such a state, even when the power generation temperature is as high as 800 to 1000 ° C., the combustion of the exhausted gas becomes incomplete and there is a fear of misfire. As a result, there is a risk of releasing harmful components such as carbon monoxide to the outside.

本発明は、固体酸化物燃料電池を高効率で運転した場合においても、外部に排出されるガスを無害化できる発電装置を提供することを目的とする。
The present invention, in a case of operating a solid oxide fuel cell with high efficiency, and to provide a power generator capable of detoxifying the gas is discharged to the outside.

本発明の発電装置は、ハウジング内に、発電に用いられなかった余剰の燃料ガスを燃焼させる構成の固体酸化物形燃料電池セルの複数個と、該固体酸化物形燃料電池セルの上方に配置され、該固体酸化物形燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質器と、該改質器の上方に配置され、前記余剰の燃料ガスの燃焼により生じた燃焼排ガスを浄化する浄化装置と、を収納してなることを特徴とする。The power generation device of the present invention includes a plurality of solid oxide fuel cells configured to burn excess fuel gas not used for power generation in a housing, and disposed above the solid oxide fuel cells. And a reformer for generating fuel gas to be supplied to the solid oxide fuel cell, and disposed above the reformer to purify combustion exhaust gas generated by combustion of the surplus fuel gas And a purification device.

固体酸化物形燃料電池セルの燃焼排ガス中には、未燃の燃料ガスや、特に高効率発電時、即ち高い燃料利用率時、高い空気利用率時における不完全燃焼、失火により、一酸化炭素などを始めとする有害成分を含有するが、本発明では、固体酸化物形燃料電池セルから排出される燃料排ガスを浄化する浄化装置を有するため、燃焼排ガスを無害化することができ、クリーンな排ガスとして排出することができる。In the combustion exhaust gas of solid oxide fuel cells, carbon monoxide is caused by unburned fuel gas, incomplete combustion or misfire especially at high efficiency power generation, that is, at high fuel utilization rate, high air utilization rate. In the present invention, the present invention has a purification device that purifies the fuel exhaust gas discharged from the solid oxide fuel cell, so that the combustion exhaust gas can be made harmless and clean. It can be discharged as exhaust gas.

さらに、本発明の発電装置は、ハウジング内に熱交換器を有しており、燃焼排ガスが前記熱交換器内に進入する前に浄化装置に進入することを特徴とする。このような発電装置では、浄化装置が、燃料電池セルの近傍に存在することになり、燃料電池セルの反応熱や高温の燃焼排ガスによる熱を、浄化装置の熱源として利用できるとともに、一旦浄化装置に進入し、熱交換器を経て外部へ排出されるため、全ての燃焼排ガスを逃すことなく、効率よく浄化することができる。Furthermore, the power generator of the present invention has a heat exchanger in the housing, and the combustion exhaust gas enters the purification device before entering the heat exchanger. In such a power generation device, the purification device is present in the vicinity of the fuel cell, so that the reaction heat of the fuel cell and the heat from the high-temperature combustion exhaust gas can be used as a heat source of the purification device, and once the purification device. , And is discharged to the outside through the heat exchanger, so that it can be efficiently purified without losing all the combustion exhaust gas.

また、本発明の発電装置は、前記浄化装置内で燃焼排ガスを燃焼させて浄化することを特徴とする。このような発電装置では、特別な触媒を利用することなく、燃料電池の発電による熱源や燃料電池セルからのガスが燃焼する際の熱源を有効に利用した浄化が可能となる。Moreover, the power generator of the present invention is characterized in that combustion exhaust gas is burned and purified in the purification device. In such a power generation device, purification using the heat source generated by the power generation of the fuel cell and the heat source when the gas from the fuel cell burns can be effectively performed without using a special catalyst.

さらに、本発明の発電装置は、前記浄化装置内で燃焼排ガスを酸化触媒で燃焼させて浄化することを特徴とする。これにより、発電後の低酸素濃度の環境下においても効率よく燃焼排ガスを浄化でき、さらにはNOxやSOxといった微量成分の発生を抑制することが可能となる。Furthermore, the power generation device of the present invention is characterized in that combustion exhaust gas is burned with an oxidation catalyst in the purification device and purified. As a result, it is possible to efficiently purify the combustion exhaust gas even in a low oxygen concentration environment after power generation, and to suppress the generation of trace components such as NOx and SOx.

また、本発明の発電装置は、前記浄化装置に酸素含有ガスが導入されることを特徴とする。発電で酸素を消費するため発電後の燃焼排ガスでは酸素濃度が低下し、燃焼反応においては酸素が欠乏し不完全燃焼を起こす可能性があるため、酸素含有ガス、例えば外気を浄化装置内に導入することにより、燃焼反応を促進することができ、浄化機能を高めることができる。Further, the power generation device of the present invention is characterized in that an oxygen-containing gas is introduced into the purification device. Since oxygen is consumed in power generation, the oxygen concentration in the combustion exhaust gas after power generation decreases, and in the combustion reaction, oxygen may be deficient and incomplete combustion may occur, so oxygen-containing gas such as outside air is introduced into the purification device. By doing so, the combustion reaction can be promoted and the purification function can be enhanced.

さらに、本発明の発電装置は、前記浄化装置の上流側に有害成分の分離濃縮器が設けられていることを特徴とする。このような発電装置では、有害成分を分離濃縮し、この濃縮された有害成分を効率的に浄化でき、例えば酸化触媒や吸着等の触媒を利用する場合においては、有害成分と触媒との接触を高めることができ、効果的な浄化が可能となり、また必要最小限の触媒使用量とすることができる。Furthermore, the power generation device of the present invention is characterized in that a harmful component separation concentrator is provided upstream of the purification device. In such a power generator, harmful components can be separated and concentrated, and the concentrated harmful components can be purified efficiently. For example, when using an oxidation catalyst or a catalyst such as adsorption, contact between the harmful component and the catalyst is prevented. Therefore, effective purification can be achieved, and the required minimum amount of catalyst can be obtained.


さらに、本発明の発電装置は、浄化装置から排出される燃焼排ガスの有害成分の濃度を検出する有害成分濃度検出器を有することを特徴とする。また、本発明の発電装置は、有害成分濃度検出器で所定量以上の有害成分が検出された場合に、再度浄化装置に燃焼排ガス循環さることを特徴とする。さらに、本発明の発電装置は、再度浄化装置に燃焼排ガス循環さる際には、有害成分を分離濃縮して前記浄化装置へ循環することを特徴とする。
Furthermore, the power generator of the present invention is characterized by having a harmful component concentration detector for detecting the concentration of harmful components in the combustion exhaust gas discharged from the purification device. Further, the power generation device of the present invention, when a predetermined amount or more harmful components is detected in harmful component concentration detector, characterized Rukoto by circulating flue gas into purifying apparatus again. Further, the power generation device of the present invention, when Ru is circulated flue gas to purifying apparatus again, characterized by circulating to the cleaning device by separating and concentrating the harmful components.

このような発電装置では、外気に排出される有害成分の濃度を検知し、必要に応じて再浄化をするか否かの判断をすることができる。即ち、有害成分が所定量以下に低減できるまで、確実に無害化することができる。さらに、循環される燃焼排ガス中の有害成分の濃度を高めることができ、すなわち可燃性ガスである一酸化炭素や水素などの濃度を高めることができ、例えば酸化触媒や吸着等の触媒を利用する場合においても、有害成分と触媒との接触を高めることができ効果的な浄化が可能となる。   In such a power generation device, it is possible to detect the concentration of harmful components discharged into the outside air and determine whether to repurify as necessary. That is, it can be surely rendered harmless until harmful components can be reduced below a predetermined amount. Further, the concentration of harmful components in the circulated combustion exhaust gas can be increased, that is, the concentration of combustible gas such as carbon monoxide and hydrogen can be increased. For example, an oxidation catalyst or a catalyst such as adsorption is used. Even in this case, the contact between the harmful component and the catalyst can be increased, and effective purification becomes possible.

本発明の発電装置では、固体酸化物燃料電池セルの発電後の燃焼排ガス中に含まれる未燃焼の水素、一酸化炭素等を、ハウジング内部での高温の熱源を利用した燃焼、触媒燃焼、また、ハウジング外部への通路、廃熱回収部内部での数100℃以下の中温の熱源を利用した触媒燃焼、また外気に放出される直前の低温の燃焼排ガス中の有害成分の吸着除去等を利用することにより、別途加熱源を必要とすることなく、また発電効率の低下を招くことなく外気に排出される燃焼排ガスを無害化することができる。
In the power generation apparatus of the present invention, unburned hydrogen contained in the combustion exhaust gas after power generation of the solid oxide fuel cell, the carbon monoxide, using a high temperature heat source within the housing combustion, catalytic combustion, Also, the passage to the outside of the housing, catalytic combustion using a medium temperature heat source of several hundred degrees C or less inside the waste heat recovery section, adsorption removal of harmful components in the low temperature combustion exhaust gas just before being released to the outside air, etc. By using it, the combustion exhaust gas discharged to the outside air can be rendered harmless without requiring a separate heating source and without causing a decrease in power generation efficiency.

図1は、発電装置の一例を示すもので、符号1は断熱構造を有するハウジングを示している。このハウジング1の内部には、複数の固体酸化物形燃料電池セル2が縦列配列して集合した複数のセルスタック3と、セルスタック3の上方に存在する燃焼領域4と、この燃焼領域4を挿通し、セルスタック3間に配設された酸素含有ガス供給管5と、燃焼領域4の上方に設けられた改質器6と、この改質器6の上方に設けられた改質器上部領域20と熱交換器7とを有して構成されている。またハウジング1の上方には廃熱回収部22が排ガス通路21を介して接続され、最終の排出ガスは排出口23を通り外気に放出されている。尚、酸素含有ガス供給管5は、理解を容易にするため破線で記載した。
Figure 1 shows an example of a power generation apparatus, reference numeral 1 indicates a housing having a heat insulating structure. Inside the housing 1, a plurality of cell stacks 3 in which a plurality of solid oxide fuel cells 2 are arranged in a tandem arrangement, a combustion region 4 existing above the cell stack 3, and the combustion region 4 are provided. An oxygen-containing gas supply pipe 5 disposed between the cell stacks 3, a reformer 6 provided above the combustion region 4, and an upper part of the reformer provided above the reformer 6 It has the area | region 20 and the heat exchanger 7, and is comprised. A waste heat recovery unit 22 is connected to the upper portion of the housing 1 through an exhaust gas passage 21, and the final exhaust gas is discharged to the outside air through the exhaust port 23. The oxygen-containing gas supply pipe 5 is indicated by a broken line for easy understanding.

ハウジング1は、耐熱性金属からなる枠体1aと、枠体1a内面に設けられた断熱材1bとから構成されている。   The housing 1 includes a frame body 1a made of a heat-resistant metal and a heat insulating material 1b provided on the inner surface of the frame body 1a.

セルスタック3は、例えば、図2に示すように、複数の燃料電池セル2を整列して構成され、3つのセルスタック3は3列に整列され、隣設した2列のセルスタック3最外部の燃料電池セル2同士が導電部材42で接続され、これにより3列に整列した複数の燃料電池セル2が電気的に直列に接続している。セルスタック3はそれぞれ燃料ガスタンク11を有している。   For example, as shown in FIG. 2, the cell stack 3 is configured by arranging a plurality of fuel cells 2, and the three cell stacks 3 are arranged in three rows, and the two outermost cell stacks 3 arranged adjacent to each other. The fuel cells 2 are connected to each other by a conductive member 42, whereby a plurality of fuel cells 2 arranged in three rows are electrically connected in series. Each cell stack 3 has a fuel gas tank 11.

具体的に説明すると、燃料電池セル2は扁平状であり、その内部には複数の燃料ガス通過孔8が軸長方向に貫通して形成されている。この燃料電池セル2は、楕円柱状(扁平状)の電極支持体2aの外面に、燃料側電極(内側電極)2b、緻密質な固体電解質2c、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極2dを順次積層し、酸素側電極2dと反対側の電極支持体2aの外面にインターコネクタ2eを形成して構成されている。   More specifically, the fuel cell 2 has a flat shape, and a plurality of fuel gas passage holes 8 are formed through the fuel cell 2 in the axial direction. This fuel battery cell 2 has an oxygen-side electrode 2d made of a fuel-side electrode (inner electrode) 2b, a dense solid electrolyte 2c, and porous conductive ceramics on the outer surface of an elliptical columnar (flat) electrode support 2a. Are sequentially laminated, and an interconnector 2e is formed on the outer surface of the electrode support 2a opposite to the oxygen side electrode 2d.

一方の燃料電池セル2と他方の燃料電池セル2との間には集電部材9を介在させ、一方の燃料電池セル2の電極支持体2aを、該電極支持体2aに設けられたインターコネクタ2e、集電部材9を介して他方の燃料電池セル2の酸素側電極2dに電気的に接続して、セルスタック3が構成されている。集電部材9は、金属及び/又は導電性の無機材質からなる板状及び/又はフェルト状とされている。   A current collecting member 9 is interposed between one fuel battery cell 2 and the other fuel battery cell 2, and an electrode support 2a of one fuel battery cell 2 is connected to the electrode connector 2a. The cell stack 3 is configured by being electrically connected to the oxygen side electrode 2d of the other fuel cell 2 through the current collecting member 9e. The current collecting member 9 has a plate shape and / or a felt shape made of a metal and / or a conductive inorganic material.

燃料電池セル2をさらに詳細に説明すると、電極支持体2aは上下方向に細長く延びる板状片であり、平坦な両面と半円形状の両側面を有する。電極支持体2aにはこれを鉛直方向に貫通する複数個(図2では6個)の燃料ガス通過孔8が形成されている。   The fuel cell 2 will be described in more detail. The electrode support 2a is a plate-like piece that is elongated in the vertical direction, and has both flat surfaces and both sides of a semicircular shape. A plurality of (six in FIG. 2) fuel gas passage holes 8 are formed in the electrode support 2a so as to penetrate the electrode support 2a in the vertical direction.

インターコネクタ2eは電極支持体2aの片面上に配設されている。燃料側電極2bは電極支持体2aの他面及び両側面に配設されており、その両端はインターコネクタ2eの両端に接合せしめられている。固体電解質2cは燃料側電極2bの全体を覆うように配設され、その両端はインターコネクタ2eの両端に接合せしめられている。酸素側電極2dは、固体電解質2cの主部上、即ち電極支持体2aの他面を覆う部分上に配置され、電極支持体2aを挟んでインターコネクタ2eに対向して位置せしめられている。   The interconnector 2e is disposed on one surface of the electrode support 2a. The fuel side electrode 2b is disposed on the other surface and both side surfaces of the electrode support 2a, and both ends thereof are joined to both ends of the interconnector 2e. The solid electrolyte 2c is disposed so as to cover the entire fuel side electrode 2b, and both ends thereof are joined to both ends of the interconnector 2e. The oxygen-side electrode 2d is disposed on the main part of the solid electrolyte 2c, that is, on the portion covering the other surface of the electrode support 2a, and is positioned to face the interconnector 2e with the electrode support 2a interposed therebetween.

セルスタック3における隣接するセル2間には集電部材9が配設されており、一方のセル2のインターコネクタ2eと他方のセル2の酸素側電極2dとを接続している。セルスタック3の両端、即ち図2において上端及び下端に位置するセル2の片面及び他面にも集電部材42が配設されている。セルスタック3の両端に位置する集電部材42には電力取出手段(図示していない)が接続されている。   A current collecting member 9 is disposed between adjacent cells 2 in the cell stack 3 to connect the interconnector 2e of one cell 2 and the oxygen side electrode 2d of the other cell 2. Current collecting members 42 are also arranged at both ends of the cell stack 3, that is, one side and the other side of the cell 2 located at the upper end and the lower end in FIG. Electric power extraction means (not shown) is connected to the current collecting members 42 located at both ends of the cell stack 3.

セル2について更に詳述すると、電極支持体2aは燃料ガスを燃料側電極2bまで透過させるためにガス透過性であること、そしてまたインターコネクタ2eを介して集電するために導電性であることが要求され、かかる要求を満足する多孔質の導電性セラミック(若しくはサーメット)から形成することができる。   More specifically about the cell 2, the electrode support 2a is gas permeable to allow the fuel gas to permeate to the fuel side electrode 2b, and is also conductive to collect current via the interconnector 2e. Can be formed from a porous conductive ceramic (or cermet) that satisfies such requirements.

燃料側電極2b及び/又は固体電解質2cとの同時焼成により電極支持体2aを製造するためには、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから電極支持体2aを形成することが好ましい。所要ガス透過性を備えるために開気孔率が30%以上、特に35乃至50%の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は300S/cm以上、特に440C/cm以上であるのが好ましい。   In order to produce the electrode support 2a by co-firing with the fuel side electrode 2b and / or the solid electrolyte 2c, it is preferable to form the electrode support 2a from an iron group metal component and a specific rare earth oxide. In order to provide the required gas permeability, it is preferable that the open porosity is in the range of 30% or more, in particular 35 to 50%, and the conductivity is also 300 S / cm or more, in particular 440 C / cm or more. Is preferred.

特に電極支持体2aは、Y、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm及びPrから選ばれた1種以上からなる希土類元素酸化物と、Ni及び/又はNiOとを主成分とすることが望ましい。このような組成とすることにより、固体電解質の熱膨張係数に近づけることができる。   In particular, the electrode support 2a is composed mainly of a rare earth element oxide composed of one or more selected from Y, Lu, Yb, Tm, Er, Ho, Dy, Gd, Sm and Pr, and Ni and / or NiO. Is desirable. By setting it as such a composition, it can approximate the thermal expansion coefficient of a solid electrolyte.

燃料側電極2bは多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているZrO(安定化ジルコニアを称されている)とNi及び/又はNiOとから形成することができる。 The fuel side electrode 2b can be formed of a porous conductive ceramic, for example, ZrO 2 (referred to as stabilized zirconia) in which a rare earth element is dissolved and Ni and / or NiO.

固体電解質2cは、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、3〜15モル%の希土類元素が固溶したZrOから形成されている。 The solid electrolyte 2c has a function as an electrolyte for bridging electrons between electrodes, and at the same time needs to have a gas barrier property in order to prevent leakage between the fuel gas and the oxygen-containing gas. Usually, it is formed from ZrO 2 in which 3 to 15 mol% of a rare earth element is dissolved.

酸素側電極2dは所謂ABO型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックから形成することができる。酸素側電極2dはガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が20%以上、特に30〜50%の範囲にあることが好ましい。 The oxygen side electrode 2d can be formed of a conductive ceramic made of a so-called ABO 3 type perovskite oxide. The oxygen side electrode 2d is required to have gas permeability, and the open porosity is preferably 20% or more, particularly preferably in the range of 30 to 50%.

インターコネクタ2eは導電性セラミックから形成することができるが、水素ガスでよい燃料ガス及び空気でよい酸素含有ガスと接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有する
ことが必要であり、このためにランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO系酸化物)が好適に使用される。インターコネク2eは電極支持体2aに形成された燃料ガス通過孔8を通る燃料ガス及び電極支持体2aの外側を流動する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質でなければならず、93%以上、特に95%以上の相対密度を有していることが望まれる。
Although the interconnector 2e can be formed from a conductive ceramic, it needs to have reduction resistance and oxidation resistance because it comes in contact with a fuel gas that may be hydrogen gas and an oxygen-containing gas that may be air. In addition, a lanthanum chromite perovskite oxide (LaCrO 3 oxide) is preferably used. Interconnect motor 2e must be dense to prevent leakage of the oxygen-containing gas flowing outside of the fuel gas and the electrode support 2a through the fuel gas passage holes 8 formed in the electrode support 2a, It is desired to have a relative density of 93% or more, particularly 95% or more.

集電部材9は、弾性を有する金属又は合金若しくは導電性セラミックから形成された適宜の形状の部材、或いは金属繊維又は合金繊維から成るフェルトに、所要表面処理を加えた部材から構成することができる。   The current collecting member 9 can be composed of a member having an appropriate shape formed from an elastic metal, alloy, or conductive ceramic, or a member obtained by adding a required surface treatment to a felt composed of metal fiber or alloy fiber. .

そして、複数の燃料電池セル2の下端部は、図1に示すように燃料ガスタンク11に固定されている。この燃料ガスタンク11には、燃料電池セル2内部に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管17が接続され、この燃料ガス供給管17は改質器6に接続され、この改質器6には、被改質ガスを供給するための被改質ガス供給管19が接続されており、外部から被改質ガス供給管19を介して被改質ガスが改質器6に供給され、この改質器6で改質され、燃料ガスが燃料ガス供給管17を介して燃料ガスタンク11に供給される。   And the lower end part of the some fuel cell 2 is being fixed to the fuel gas tank 11 as shown in FIG. The fuel gas tank 11 is connected to a fuel gas supply pipe 17 for supplying fuel gas into the fuel battery cell 2, and the fuel gas supply pipe 17 is connected to the reformer 6. The to-be-reformed gas supply pipe 19 for supplying the to-be-reformed gas is connected, and the to-be-reformed gas is supplied to the reformer 6 from the outside through the to-be-reformed gas supply pipe 19. The fuel gas is reformed by the reformer 6, and the fuel gas is supplied to the fuel gas tank 11 through the fuel gas supply pipe 17.

また、図1に示したように、燃焼領域4を挿通する酸素含有ガス供給管5は、その先端部が発電領域の下部であってセルスタック3間に位置している。発電で用いられなかった余剰の酸素含有ガスは、燃焼領域4内に自然流動するように構成されている。   Further, as shown in FIG. 1, the oxygen-containing gas supply pipe 5 inserted through the combustion region 4 has a tip portion located below the power generation region and located between the cell stacks 3. Excess oxygen-containing gas that has not been used for power generation is configured to naturally flow into the combustion region 4.

熱交換器7は、燃料電池セル2上方で燃焼された燃焼排ガスを導出する排ガス通路と、この排ガス通路に沿って設けられた酸素含有ガス通路とから構成され、お互いが対向する形で配置され、この部分で熱交換されている。   The heat exchanger 7 is composed of an exhaust gas passage for deriving the combustion exhaust gas burned above the fuel battery cell 2 and an oxygen-containing gas passage provided along the exhaust gas passage, and is disposed so as to face each other. , Heat is exchanged in this part.

このように構成された燃料電池では、外部からの酸素含有ガス(例えば空気)を熱交換器7の酸素含有ガス通路を経由して、酸素含有ガス供給管5を介して発電室のセルスタック3間に噴出させ、燃料電池セル2間に供給するとともに、被改質ガスを被改質ガス供給管19を介して改質器6内に供給し、この改質器6にて改質して、燃料ガス(例えば水素)を燃料ガス供給管17、燃料ガスタンク11を介して燃料電池セル2の燃料ガス通過孔8内に供給し、発電領域のセル2において発電させる。   In the fuel cell configured as described above, the oxygen-containing gas (for example, air) from the outside passes through the oxygen-containing gas passage of the heat exchanger 7 and passes through the oxygen-containing gas supply pipe 5 to the cell stack 3 of the power generation chamber. The gas to be reformed is supplied into the reformer 6 through the gas to be reformed gas supply pipe 19 and is reformed by the reformer 6. Then, a fuel gas (for example, hydrogen) is supplied into the fuel gas passage hole 8 of the fuel cell 2 through the fuel gas supply pipe 17 and the fuel gas tank 11 to generate power in the cell 2 in the power generation region.

発電に用いられなかった余剰の燃料ガスは燃料ガス通過孔8の上端から燃焼領域4内に噴出し、発電に用いられなかった余剰の酸素含有ガスは、燃焼領域4内に導かれ、余剰の燃料ガスを燃焼させ、燃焼排ガスを発生させ、この燃焼排ガスが燃焼排ガス導入口24を介して熱交換器7の排ガス通路に導出され、熱交換器7の上端から排出される。   Excess fuel gas that has not been used for power generation is ejected into the combustion region 4 from the upper end of the fuel gas passage hole 8, and excess oxygen-containing gas that has not been used for power generation is introduced into the combustion region 4, The fuel gas is burned to generate combustion exhaust gas. This combustion exhaust gas is led out to the exhaust gas passage of the heat exchanger 7 through the combustion exhaust gas inlet 24 and is discharged from the upper end of the heat exchanger 7.

さらに、ハウジング1より排出される燃焼排ガスは排ガス通路21を通過して、後段の廃熱回収器22に導入され、例えば、温水の作製、デシカント方式の廃熱回収などに利用され、最終の排ガスとして排ガス通路21の排出口23より外気に放出される。   Further, the combustion exhaust gas discharged from the housing 1 passes through the exhaust gas passage 21 and is introduced into the waste heat recovery unit 22 at the subsequent stage, and is used for, for example, production of hot water, desiccant type waste heat recovery, and the like. Is discharged from the discharge port 23 of the exhaust gas passage 21 to the outside air.

そして、図1に示す発電装置では、ハウジング1内の改質器上部領域20に浄化装置51が設けられている。これにより、排出口23より外気に放出される燃焼排ガスの有害成分を除去、浄化することができる。直接燃焼を利用する場合においては、燃焼に十分な温度は発電時の温度を考慮すると得られると考えられるが、前記浄化装置51としては、容器内に、ニクロム線、Ptヒーター、セラミックヒーター、イグナイターなどの着火源を具備して構成されており、余剰の燃料ガスと余剰の酸素含有ガスを反応させて再度燃焼させ、有毒な一酸化炭素や可燃性の水素などを燃焼、除去することができる。
In the power generation device shown in FIG. 1, a purification device 51 is provided in the reformer upper region 20 in the housing 1. Thereby, the harmful component of the combustion exhaust gas discharged from the discharge port 23 to the outside air can be removed and purified. In the case of using direct combustion, it is considered that a temperature sufficient for combustion can be obtained in consideration of the temperature at the time of power generation. The purification device 51 includes a nichrome wire, a Pt heater, a ceramic heater, an igniter in the container. Combustion and removal of toxic carbon monoxide, flammable hydrogen, etc. by reacting surplus fuel gas with surplus oxygen-containing gas and burning again it can.

設置位置としては、高温域であり、かつ吸熱反応である改質部に熱を授受可能な改質器近傍である前記燃焼領域4、または改質器上部領域20に設置することが好ましい。特には燃焼領域4に設置する場合には燃焼部に近いため高温になり、直接燃焼の場合に、より適した設置位置となると同時に、例えば、浄化装置51の着火源は起動時の着火源としての共用が可能となる。さらに改質部上部領域20においては着火源である浄化装置51が燃焼領域4と改質器6を介して離れているため、セル上部での燃焼による炎に曝されることが少ないため、耐久性が向上する。   The installation position is preferably in the combustion region 4 or the reformer upper region 20 in the vicinity of the reformer that is in the high temperature region and can transfer heat to the reforming unit that is endothermic. In particular, when installed in the combustion region 4, the temperature is high because it is close to the combustion section, and in the case of direct combustion, the installation position is more suitable. Sharing as a source is possible. Furthermore, since the purification device 51 as an ignition source is separated from the combustion region 4 and the reformer 6 in the reforming unit upper region 20, it is less likely to be exposed to the flame due to combustion in the upper part of the cell. Durability is improved.

また、セル上部での燃焼の炎や発電時の高温状態から浄化装置51を保護するという点から、浄化装置が中空状の容器で形成されていることが好ましい。容器内部には、排ガスの導入口、排出口と前記の直接燃焼するための着火源用のニクロム線、Ptヒーター、セラミックヒーターなどが設けられている。   Moreover, it is preferable that the purification device is formed of a hollow container from the viewpoint of protecting the purification device 51 from a combustion flame at the upper part of the cell and a high temperature state during power generation. Inside the container, there are provided an exhaust gas introduction port, an exhaust port, a nichrome wire for an ignition source for direct combustion, a Pt heater, a ceramic heater, and the like.

また、直接燃焼させる場合の着火源においては、常時着火源に通電されている状態でも構わないが、効率の点から少なくとも高効率の発電時である高燃料利用率時、高空気利用率時において通電されている状態にあることが好ましい。   In addition, the ignition source for direct combustion may be in a state where the ignition source is always energized, but from the viewpoint of efficiency, at least at the time of high fuel utilization rate during high-efficiency power generation, high air utilization rate It is preferable to be in a state of being energized at times.

一方、酸化触媒を利用した触媒燃焼では、容器内部に、ハニカム状、モノリス状に形成された酸化触媒設置したり、球状、ペレット形状などの形状の酸化触媒を充填して構成されており、余剰の燃料ガスと余剰の酸素含有ガスを触媒反応により再度燃焼させ、有毒な一酸化炭素や可燃性の水素などを燃焼、除去することができる。設置位置としては、高温域であり、かつ吸熱反応である改質器に熱を授受可能な改質器近傍である前記燃焼領域4、または改質器上部領域20に設置することが好ましい。特には燃焼領域4に設置する場合には燃焼領域に近いため、触媒反応開始時の熱源としての熱エネルギーを授受できる。
On the other hand, in catalytic combustion using an oxidation catalyst , an oxidation catalyst formed in the shape of a honeycomb or monolith is installed inside the container, or is filled with an oxidation catalyst in a shape such as a spherical shape or a pellet shape. Excess fuel gas and excess oxygen-containing gas can be burned again by a catalytic reaction to burn and remove toxic carbon monoxide, combustible hydrogen, and the like. The installation position is preferably in the combustion region 4 or the reformer upper region 20 in the vicinity of the reformer that is in the high temperature region and can transfer heat to the reformer that is endothermic. In particular, when it is installed in the combustion region 4, it is close to the combustion region, so that it can transfer thermal energy as a heat source at the start of the catalytic reaction.

さらに改質器上部領域20においては浄化装置51が燃焼領域と改質器を介して離れているため、セル上部での燃焼による炎に曝されることが少ないため、酸化触媒の耐久性が向上する。触媒そのものは、重金属酸化物の混合物を成型或いは担持した複合酸化物系触媒や、貴金属を担持した貴金属系触媒などが利用される。さらに、浄化装置51は、熱交換器7への燃焼排ガス導入口24に設けることもできる。   Further, in the reformer upper region 20, the purification device 51 is separated from the combustion region via the reformer, so that it is less exposed to the flame caused by the combustion in the upper portion of the cell, thereby improving the durability of the oxidation catalyst. To do. As the catalyst itself, a composite oxide catalyst in which a mixture of heavy metal oxides is molded or supported, a noble metal catalyst in which a noble metal is supported, or the like is used. Furthermore, the purification device 51 can also be provided at the combustion exhaust gas inlet 24 to the heat exchanger 7.

このようにハウジング1内に浄化装置51を設けることにより、燃料電池セル2の反応熱や高温の燃焼排ガスによる熱を、浄化装置51の熱源として利用できる。特に図1の場合や、燃焼排ガス導入口24に設けた場合には、一旦浄化装置51に進入し、熱交換器7を経て外部へ排出されるため、全ての燃焼排ガスを逃すことなく、効率よく浄化することができる。   By providing the purification device 51 in the housing 1 in this manner, the reaction heat of the fuel cell 2 and the heat from the high-temperature combustion exhaust gas can be used as a heat source for the purification device 51. In particular, in the case of FIG. 1 or when provided at the combustion exhaust gas inlet 24, since it once enters the purification device 51 and is discharged to the outside through the heat exchanger 7, the efficiency is improved without missing all the combustion exhaust gas. Can be well purified.

また、熱交換器7の内部の排ガス通路に浄化装置を設けることができる。この排ガス通路を全ての燃焼排ガスが通過することから、排ガス通路に浄化装置を設けることにより、効率よく燃焼排ガスの浄化ができるとともに、燃焼排ガスは比較的高温であることから、その顕熱を利用した直接燃焼や触媒による燃焼方式が可能となる。
Further, a purification device can be provided in the exhaust gas passage inside the heat exchanger 7. Since all the combustion exhaust gas passes through this exhaust gas passage, it is possible to efficiently purify the combustion exhaust gas by providing a purification device in the exhaust gas passage, and use the sensible heat because the combustion exhaust gas is relatively hot. Direct combustion and combustion using a catalyst are possible.

例えば、直接燃焼の場合には、排ガス通路の一部、もしくは複数箇所に着火源用のニクロム線、Ptヒーター、セラミックヒーターなどが設置されることで構成され、触媒による燃焼方式の場合には、通路内部に直接触媒成分を担持してもかまわないが、通路上に、例えば球状の触媒粒子を充填しても構わないし、圧力損失を低減する観点より、ハニカムやモノリス形状の触媒を設置しても良い。触媒そのものは、複合酸化物系の触媒や、貴金属を担持したものなどが利用される。   For example, in the case of direct combustion, it is configured by installing nichrome wires for ignition sources, Pt heaters, ceramic heaters, etc. in part or multiple places of the exhaust gas passage. The catalyst component may be supported directly inside the passage, but the passage may be filled with, for example, spherical catalyst particles. From the viewpoint of reducing pressure loss, a honeycomb or monolith-shaped catalyst is installed. May be. As the catalyst itself, a composite oxide catalyst or a catalyst supporting a noble metal is used.

さらに、熱交換器7にて熱交換された後の数百度以下の中温の燃焼排ガスを後段の廃熱回収部22に導入する際の燃焼排ガス通路21、もしくは廃熱回収部22に浄化装置を設けることができる。この部位での浄化においては、燃焼排ガスの全てが集約され(全ての燃焼排ガスが通過する)ていることに加え、数百度以下の中温度域の燃焼排ガスであることから、直接燃焼させることは困難であるが、触媒を利用した燃焼触媒方式が有効となる。燃焼触媒方式においては、通路内部に直接触媒成分を担持してもかまわないが、通路上に、例えば球状の触媒粒子を充填しても構わないし、圧力損失を低減する観点より、ハニカムやモノリス形状の触媒を設置しても良い。触媒そのものは、酸化物系の触媒や、貴金属を担持したものなどが利用される。
Further , a purification device is installed in the combustion exhaust gas passage 21 or the waste heat recovery unit 22 when introducing the medium-temperature combustion exhaust gas of several hundred degrees or less after heat exchange in the heat exchanger 7 to the waste heat recovery unit 22 in the subsequent stage. Can be provided. In the purification at this site, all the combustion exhaust gas is aggregated (all the combustion exhaust gas passes), and since it is a combustion exhaust gas in the middle temperature range of several hundred degrees or less, direct combustion is not possible Although difficult, a combustion catalyst system using a catalyst is effective. In the combustion catalyst system, the catalyst component may be directly supported inside the passage, but the passage may be filled with, for example, spherical catalyst particles. From the viewpoint of reducing the pressure loss, the honeycomb or monolith shape may be used. The catalyst may be installed. As the catalyst itself, an oxide-based catalyst or a catalyst supporting a noble metal is used.

また、廃熱回収部22の後段の排出口23に浄化装置を設けることができる。排出口23においては、廃熱も回収されており、その温度は十分に低下しているため、例えば吸着を利用した方式が有効となる。吸着に利用される触媒は活性炭、ゼオライトなどの物理吸着、化学吸着によるものなどが利用される。
Further, a purification device can be provided at the outlet 23 at the rear stage of the waste heat recovery unit 22. At the discharge port 23, waste heat is also collected, and the temperature thereof is sufficiently lowered. Therefore, for example, a method using adsorption is effective. As the catalyst used for the adsorption, a physical adsorption such as activated carbon or zeolite, a chemical adsorption, or the like is used.

また、直接燃焼させる方式、触媒燃焼方式、吸着方式のいずれか一つの利用で燃焼排ガスの浄化が可能であるが、より確実な浄化のためには3種の方式を種々組合わせて利用することが望ましい。例えば、ハウジング内に浄化装置を設け、かつハウジング外、例えば燃焼排ガス通路21に浄化装置を設けることが望ましい。
Furthermore, methods for direct combustion, catalytic combustion method, it is possible to clean of any one of the combustion exhaust gas in the use of the adsorption method, utilized by various combination of three schemes for more reliable purification It is desirable. For example, it is desirable to provide a purification device in the housing and to provide a purification device outside the housing, for example, in the combustion exhaust gas passage 21.

さらに本発明においては、図3(a)に示すように浄化装置の上流側に有害成分を分離濃縮する分離濃縮器を設けることにより、有害成分の濃度を一旦増加したうえで浄化装置に送り込むことができ、効果的な浄化が可能となると同時に、有害成分濃度が非常に低い状態においても有害成分の濃度を高めてより燃焼しやすい状態にすることができ(有害成分は可燃性ガスであるため濃度が低い状態では燃焼しにくいため、濃度を高めて燃焼させたほうが良い)、必要な触媒や燃焼の着火源を必要最小限に低下できる。分離濃縮器としては、高分子や無機の分離膜やPSA(圧力変動吸着)法等の公知のものを使用できる。   Furthermore, in the present invention, as shown in FIG. 3 (a), by providing a separation concentrator for separating and concentrating harmful components upstream of the purification device, the concentration of harmful components is once increased and then sent to the purification device. Can be effectively purified, and at the same time, even when the concentration of harmful components is very low, the concentration of harmful components can be increased to make it more combustible (because harmful components are flammable gases). Since it is difficult to burn in a low concentration state, it is better to burn it at a higher concentration), and the necessary catalyst and ignition source of combustion can be reduced to the minimum necessary. As the separation concentrator, a known one such as a polymer or inorganic separation membrane or a PSA (pressure fluctuation adsorption) method can be used.

た、図3(b)に示すように高い空気利用率もしくは高い燃料利用率での作動においては、燃焼させようにも酸素や燃料が不足する状態が存在するため、不完全な燃焼を起こしやすい状況が存在しうる。そのため浄化装置の上流側に、例えば空気などの酸素を含有する酸素含有ガス導入配管を設置することにより、全体的な総合効率を向上することができる。
Also, in the operation at a high air utilization or high fuel utilization rate, as shown in FIG. 3 (b), since the state of lack of oxygen and fuel in such burned there, cause incomplete combustion There can be easy situations. Therefore, overall efficiency can be improved by installing an oxygen-containing gas introduction pipe containing oxygen such as air on the upstream side of the purification device.

また本発明においては、図3(c)に示すように、浄化装置の下流側に有害成分の濃度を検出するガス検出器を設けることができ、更には図3(d)に示すように、有害成分が所定量以上に検出される場合には再度浄化装置の上流側に燃焼排ガスを循環する機構を備えることで外気に放出されるガスの浄化を確実に行うことができる。   Further, in the present invention, as shown in FIG. 3 (c), a gas detector for detecting the concentration of harmful components can be provided on the downstream side of the purification device. Further, as shown in FIG. 3 (d), When harmful components are detected in a predetermined amount or more, it is possible to reliably purify the gas released into the outside air by providing a mechanism for circulating the combustion exhaust gas again upstream of the purification device.

また本発明においては、図3(e)に示すように、燃焼排ガスを循環する際には、有害成分を分離濃縮することにより、浄化装置の負荷を低減するとともに、有害成分の濃度を高めた状態での浄化が可能となる。   In the present invention, as shown in FIG. 3 (e), when circulating exhaust gas, the harmful components are separated and concentrated to reduce the load on the purification device and increase the concentration of the harmful components. Purification in the state becomes possible.

電装置の実施形態の一例を示す断面図。Cross-sectional view showing an example of the implementation form of power generation equipment. 図1のセルスタックを示す平面図。The top view which shows the cell stack of FIG. ハウジング外に浄化装置を設けた場合の種々の形態を示す図。The figure which shows the various forms at the time of providing the purification apparatus outside a housing.

符号の説明Explanation of symbols

1:ハウジング
2:燃料電池セル
6:改質器
7:熱交換器
21:燃焼排ガス通路
22:廃熱回収部
51・・・浄化装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Housing 2: Fuel cell 6: Reformer 7: Heat exchanger 21: Combustion exhaust gas passage 22: Waste heat recovery part 51 ... Purification device

Claims (9)

ハウジング内に、発電に用いられなかった余剰の燃料ガスを燃焼させる構成の固体酸化物形燃料電池セルの複数個と、該固体酸化物形燃料電池セルの上方に配置され、該固体酸化物形燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質器と、該改質器の上方に配置され、前記余剰の燃料ガスの燃焼により生じた燃焼排ガスを浄化する浄化装置と、を収納してなることを特徴とする発電装置。 A plurality of solid oxide fuel cells configured to burn surplus fuel gas that has not been used for power generation is disposed in the housing, and the solid oxide fuel cells are disposed above the solid oxide fuel cells. a reformer for generating a fuel gas supplied to the fuel cell is disposed above the reformer, accommodating, and apparatus for removing the combustion exhaust gas produced by combustion of the excess fuel gas Rukoto a Te power generator according to claim. 前記ハウジング内に熱交換器を有しており、燃焼排ガスが前記熱交換器内に進入する前に前記浄化装置に進入することを特徴とする請求項1に記載の発電装置。 Has a heat exchanger in said housing, power generating apparatus according to claim 1, combustion exhaust gas, characterized that you enters the purifier before entering into the heat exchanger. 前記浄化装置内で燃焼排ガスを燃焼させて浄化することを特徴とする請求項1または2に記載の発電装置。The power generation apparatus according to claim 1 or 2, wherein the exhaust gas is purified by burning the combustion exhaust gas in the purification apparatus. 前記浄化装置内で燃焼排ガスを酸化触媒で燃焼させて浄化することを特徴とする請求項3に記載の発電装置。The power generation apparatus according to claim 3, wherein combustion exhaust gas is burned with an oxidation catalyst in the purification apparatus and purified. 前記浄化装置に酸素含有ガスが導入されることを特徴とする請求項3または4に記載の発電装置。The power generation device according to claim 3 or 4, wherein an oxygen-containing gas is introduced into the purification device. 前記浄化装置の上流側に有害成分の分離濃縮器が設けられていることを特徴とする請求項1乃至5のうちいずれかに記載の発電装置。 The power generator according to any one of claims 1 to 5, wherein a separation and concentrator for harmful components is provided upstream of the purification device. 前記浄化装置から排出される燃焼排ガスの有害成分の濃度を検出する有害成分濃度検出器を有することを特徴とする請求項1乃至6のうちいずれかに記載の発電装置。 The power generator according to any one of claims 1 to 6, further comprising a harmful component concentration detector for detecting a concentration of harmful components in the combustion exhaust gas discharged from the purification device. 前記有害成分濃度検出器で所定量以上の有害成分が検出された場合に、再度前記浄化装置に燃焼排ガスを循環させることを特徴とする請求項記載の発電装置。 The power generator according to claim 7, wherein when the harmful component concentration detector detects a harmful component of a predetermined amount or more, the flue gas is circulated through the purification device again. 再度前記浄化装置に燃焼排ガスを循環させる際には、有害成分を分離濃縮して前記浄化装置へ循環することを特徴とする請求項記載の発電装置。 9. The power generator according to claim 8, wherein when exhaust gas is circulated through the purification device again, harmful components are separated and concentrated and circulated to the purification device.
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