JP2003086225A - Solid oxide type fuel cell and its operating method - Google Patents

Solid oxide type fuel cell and its operating method

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JP2003086225A
JP2003086225A JP2001276017A JP2001276017A JP2003086225A JP 2003086225 A JP2003086225 A JP 2003086225A JP 2001276017 A JP2001276017 A JP 2001276017A JP 2001276017 A JP2001276017 A JP 2001276017A JP 2003086225 A JP2003086225 A JP 2003086225A
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fuel cell
solid oxide
carbonaceous
steam
hydrocarbon
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JP2001276017A
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Japanese (ja)
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Yoshitaka Tabata
嘉隆 田畑
Himeko Orui
姫子 大類
Kimitaka Watabe
仁貴 渡部
Masayasu Arakawa
正泰 荒川
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell with a long term stability wherein a precipitation of a carbonaceous matter to the battery constituting material and its peripheral member is suppressed when a power generation is carried out by using a hydrocarbon fuel, even in case a solid oxide type fuel cell is made to be large-sized or operated for a long period. SOLUTION: In the solid oxide type fuel cell in which the hydrocarbon fuel is directly used, and the partial oxidation reaction of the hydrocarbon fuel is made to be a prior power generation reaction, this has a steam feeder 5 which is a means to supply a steam so that the steam/carbon ratio (S/C) in the fuel gas becomes 0.5 or less and larger than 0, an adaptive control part 6, a carbon deposition forecasting/detecting part 8, and other fuel cells 9.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、都市ガスや天然ガ
スなどの炭化水素系燃料を直接用い、この炭化水素系燃
料の部分酸化反応を優先的に発電反応とする固体酸化物
形燃料電池およびその運転方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid oxide fuel cell in which a hydrocarbon fuel such as city gas or natural gas is directly used, and a partial oxidation reaction of this hydrocarbon fuel is preferentially used as a power generation reaction. Regarding the driving method.

【0002】[0002]

【従来の技術】炭化水素系燃料を用いる固体酸化物形燃
料電池においては、炭化水素系燃料の分解による炭素質
の析出を避けるため、その炭化水素系燃料を水蒸気ある
いは二酸化炭素を主成分とするガスと加熱反応させ、水
素と一酸化炭素に改質した後、固体酸化物形燃料電池の
燃料として用いる方法が一般的である(特開平9−12
9256号公報参照)。
2. Description of the Related Art In a solid oxide fuel cell using a hydrocarbon-based fuel, the hydrocarbon-based fuel is mainly composed of water vapor or carbon dioxide in order to avoid carbonaceous deposition due to decomposition of the hydrocarbon-based fuel. A method is generally used in which it is heated and reacted with a gas, reformed into hydrogen and carbon monoxide, and then used as a fuel for a solid oxide fuel cell (Japanese Patent Laid-Open No. 9-12.
9256).

【0003】ところが、この種の改質過程を含む燃料電
池では、改質反応は発電に寄与しない上に、反応に熱を
必要とする吸熱反応であるため、発熱部位である発電部
分からの熱移動の際に損失があり、効率的に熱を取り入
れる必要がある。
However, in a fuel cell including this type of reforming process, the reforming reaction does not contribute to power generation and is an endothermic reaction that requires heat for the reaction. There is a loss in movement and it is necessary to take in heat efficiently.

【0004】この問題を解決する手段として、天然ガス
の主成分であるメタンを燃料とする固体酸化物形燃料電
池において、電解質材料に高イオン伝導性物質を用い、
水蒸気を添加することなく、改質反応として式1に示す
部分酸化反応を優先して起こすことにより、炭素質の析
出がなく、改質および発電を行うことができる方法が見
出されている(石原らによる第8回SOFC研究発表会
要旨集、P.93、1999年)。
As a means for solving this problem, in a solid oxide fuel cell using methane as a main component of natural gas as a fuel, a high ion conductive substance is used as an electrolyte material,
By preferentially causing the partial oxidation reaction shown in Formula 1 as the reforming reaction without adding steam, a method has been found which can perform reforming and power generation without deposition of carbonaceous matter ( 8th SOFC Research Presentation Abstracts by Ishihara et al., P. 93, 1999).

【0005】 CH+1/2O=CO+2H …式1 この反応はそれ自身が発電反応として機能するだけでな
く、燃料電池の燃料として用いることのできる一酸化炭
素、水素を生成するので、生成した燃料を他の燃料電池
で用いて発電することにより、高い効率での発電を可能
とするものである。ただし、上記の方法は、小型かつ短
期間の試験においてのみ検討されているにすぎない。
CH 4 + 1 / 2O 2 = CO + 2H 2 Equation 1 This reaction not only functions as a power generation reaction itself, but also produces carbon monoxide and hydrogen that can be used as a fuel for a fuel cell. By using the fuel thus produced in another fuel cell to generate electricity, it is possible to generate electricity with high efficiency. However, the above method has only been considered in small, short-term trials.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】上記の部分酸化反応を
優先して発電反応とする固体酸化物形燃料電池において
は、長期の運転の際、もしくは電池およびその周辺構造
が大型化し、高温領域が大きくなり、そこに燃料が長く
存在する場合、電池構成材およびその周辺部材に、式2
に示すメタンの直接分解に代表されるように、炭素質が
析出する。
In the solid oxide fuel cell in which the above partial oxidation reaction is preferentially used as the power generation reaction, the solid oxide fuel cell has a high temperature range during long-term operation or the cell and its surrounding structure become large. If the fuel cell becomes large and the fuel is present there for a long time, the
Carbonaceous matter is deposited as typified by the direct decomposition of methane shown in.

【0007】CH→C+2H …式2 炭素質が電池構成材上に析出した場合、触媒の能力が低
下し、また、電池周辺部材、例えば燃料流通配管中に析
出した易合、配管を閉塞するという不具合を生じてい
た。
CH 4 → C + 2H 2 ( Formula 2) When carbonaceous matter is deposited on the cell constituent materials, the catalyst performance is lowered, and if it is deposited on the cell peripheral members such as the fuel flow pipe, the pipe is blocked. There was a problem of doing.

【0008】本発明は、上記のような課題を鑑みてなさ
れたものであり、炭化水素系燃料を用いて発電を行う際
に、固体酸化物形燃料電池を大型化、あるいは長期運転
する場合でも、電池構成材およびその周辺部材への炭素
質の析出を抑制し、長期安定性を有する燃料電池を実現
する固体酸化物形燃料形電池およびその運転方法を提供
することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above problems, and even when a solid oxide fuel cell is upsized or is operated for a long period of time when power is generated using a hydrocarbon fuel. It is an object of the present invention to provide a solid oxide fuel cell and a method for operating the same, which suppresses the deposition of carbonaceous materials on the cell constituent members and their peripheral members and realizes a fuel cell having long-term stability.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の請求項1記載の固体酸化物形燃料電池は、
炭化水素系燃料を直接用い、上記炭化水素系燃料の部分
酸化反応を優先的に発電反応とする固体酸化物形燃料電
池において、燃料ガスにおけるスチーム/カーボン比
が、0より大きく0.5以下となるように水蒸気を供給
する手段を有することを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the solid oxide fuel cell according to claim 1 of the present invention comprises:
In a solid oxide fuel cell in which a hydrocarbon-based fuel is directly used and a partial oxidation reaction of the hydrocarbon-based fuel is preferentially used as a power generation reaction, a steam / carbon ratio in a fuel gas is greater than 0 and 0.5 or less. It is characterized by having a means for supplying water vapor so that

【0010】本発明の固体酸化物形燃料電池の運転方法
は、上記水蒸気供給量を炭素質の析出予測および検知に
よって制御するもので、請求項1記載の固体酸化物形燃
料電池の運転方法において、出力電力の変動を検知する
ことによって負荷変動があるか否かを判断する第1のス
テップと、上記負荷変動が無い場合は、燃料ガスに混合
している水蒸気量を維持する第1のモードで運転を行う
第2のステップと、上記負荷変動がある場合は、適応制
御により炭素質の析出が予測されるか否かを判断する第
3のステップと、上記炭素質の析出が予測されない場合
は、上記第1のモードで運転を行う第4のステップと、
上記炭素質の析出が予測された場合は、水蒸気量を増加
する第5のステップと、上記第5のステップの後、炭素
質析出検知しきい値を超えたか否かを判断する第6のス
テップと、上記炭素質析出検知しきい値を超えた場合
は、出力変動に適した水蒸気供給量によらず、過剰の水
蒸気を供給し、析出炭素質との反応を促す第2のモード
で運転を行うとともに、上記第6のステップに戻す第7
のステップとを有し、上記第6のステップにおいて、上
記炭素質析出検知しきい値を超えない場合は、上記第3
のステップに戻すことを特徴とする。
In the method for operating a solid oxide fuel cell according to the present invention, the amount of water vapor supplied is controlled by predicting and detecting the deposition of carbonaceous matter. , A first step of determining whether or not there is a load change by detecting a change in output power, and a first mode of maintaining the amount of water vapor mixed in the fuel gas when there is no load change. In the case of the above load fluctuation, the third step of determining whether or not the carbonaceous deposits are predicted by the adaptive control, and the above-mentioned carbonaceous deposits are not predicted. Is a fourth step of operating in the first mode,
If the precipitation of carbonaceous matter is predicted, a fifth step of increasing the amount of water vapor and a sixth step of judging whether or not the carbonaceous matter precipitation detection threshold value is exceeded after the fifth step When the carbonaceous deposition detection threshold value is exceeded, the operation is performed in the second mode in which excessive steam is supplied regardless of the steam supply amount suitable for the output fluctuation and the reaction with the precipitated carbonaceous matter is promoted. Doing and returning to the 6th step 7th
And in the sixth step, if the carbonaceous precipitation detection threshold value is not exceeded, the third step is performed.
It is characterized by returning to the step of.

【0011】本発明の固体酸化物形燃料電池およびその
運転方法によれば、上記の構成により、固体酸化物形燃
料電池を大型化、あるいは長期運転する場合でも、電池
構成材およびその周辺部材への炭素質の析出を抑制する
ことができ、長期安定性を有する燃料電池を実現するこ
とができる。
According to the solid oxide fuel cell and the method of operating the same of the present invention, with the above configuration, even when the solid oxide fuel cell is upsized or is operated for a long period of time, the cell constituent material and its peripheral members are provided. It is possible to suppress the precipitation of the carbonaceous substance and realize a fuel cell having long-term stability.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する
図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その
繰り返しの説明は省略する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. In the drawings described below, components having the same function are designated by the same reference numeral, and repeated description thereof will be omitted.

【0013】図1(a)は、本発明の概念を示す図であ
って、図1(b)に示す従来型の部分酸化反応を優先的
に用いる固体酸化物形燃料電池との差異を示す図であ
る。
FIG. 1 (a) is a diagram showing the concept of the present invention and shows the difference from the conventional solid oxide fuel cell which preferentially uses the partial oxidation reaction shown in FIG. 1 (b). It is a figure.

【0014】図1において、1は炭化水素、2は水蒸
気、3は発電部、4は水素、一酸化炭素である。
In FIG. 1, 1 is a hydrocarbon, 2 is steam, 3 is a power generation section, 4 is hydrogen and carbon monoxide.

【0015】図1(b)に示すように、従来の炭化水素
1の部分酸化反応を優先的に用いる固体酸化物形燃料電
池においては、燃料である炭化水素1のみが直接発電部
3に供給される。これに対して、本発明による固体酸化
物形燃料電池では、供給燃料ガスにおけるスチーム/カ
ーボン比(S/C)が、0より大きく0.5以下となる
ように水蒸気を供給するものである(すなわち、0<S
/C≦0.5)。
As shown in FIG. 1B, in the conventional solid oxide fuel cell which preferentially uses the partial oxidation reaction of the hydrocarbon 1, only the hydrocarbon 1 as the fuel is directly supplied to the power generation section 3. To be done. On the other hand, in the solid oxide fuel cell according to the present invention, steam is supplied so that the steam / carbon ratio (S / C) in the supplied fuel gas is more than 0 and 0.5 or less ( That is, 0 <S
/C≦0.5).

【0016】なお、スチーム/カーボン比(S/C)
は、供給する燃料ガス中の炭素と水蒸気のモル比のこと
である。例えば、メタン1モル/分と水蒸気0.5モル
/分を同時供給する場合、S/Cは0.5/1=0.5
となる。また、例えば、エタン1モル/分と水蒸気0.
5モル/分を同時供給する場合、エタンはCでエ
タン1モルに対して炭素は2モル含まれるため、S/C
は0.5/2=0.25となる。
The steam / carbon ratio (S / C)
Is the molar ratio of carbon to water vapor in the fuel gas supplied. For example, when simultaneously supplying 1 mol / min of methane and 0.5 mol / min of steam, the S / C is 0.5 / 1 = 0.5.
Becomes Also, for example, ethane 1 mol / min and water vapor 0.
When 5 mol / min is simultaneously supplied, ethane is C 2 H 6 and 2 mol of carbon is contained with respect to 1 mol of ethane.
Is 0.5 / 2 = 0.25.

【0017】本発明において、炭化水素系燃料として
は、水蒸気により改質反応が起こり、かつ、部分酸化反
応により一酸化炭素および水素を生成する炭化水素類で
あれば使用可能である。具体的には、メタン、エタン、
プロパン、ブタン等の単独もしくはこれらの混合物を用
いることが好ましく、中でもメタン、もしくはメタンを
主成分とする天然ガスがより好ましい。また、上記炭化
水素系燃料と水蒸気を一部反応させるため、例えば炭化
水素をメタンとして考えると、発電反応以前に式3に示
す水蒸気改質反応により、発電反応に関与可能な水素お
よび一酸化炭素が生成し、さらにこの水素および一酸化
炭素により、式4、5に示す発電反応および式6に示す
水性ガスシフト反応が起こり、部分酸化反応の生成物と
は異なる二酸化炭素、水が生成する。
In the present invention, any hydrocarbon can be used as the hydrocarbon-based fuel as long as it is a hydrocarbon that undergoes a reforming reaction with steam and produces carbon monoxide and hydrogen by a partial oxidation reaction. Specifically, methane, ethane,
It is preferable to use propane, butane or the like alone or a mixture thereof, and among them, methane or natural gas containing methane as a main component is more preferable. Further, in order to partially react the above hydrocarbon-based fuel with steam, for example, considering hydrocarbon as methane, hydrogen and carbon monoxide that can participate in the power generation reaction by the steam reforming reaction shown in Formula 3 before the power generation reaction. And the hydrogen and carbon monoxide cause the power generation reaction shown in Formulas 4 and 5 and the water gas shift reaction shown in Formula 6 to generate carbon dioxide and water different from the products of the partial oxidation reaction.

【0018】 CH+HO=CO+3H …式3 H+1/2O=HO …式4 CO+1/2O=CO …式5 CO+HO=CO+H …式6 しかし、二酸化炭素は、主成分であるメタンと式7の反
応を起こし、結果として水素および一酸化炭素を生成す
る。水は、式3に示すメタンの水蒸気改質反応に利用さ
れ、同様に水素および一酸化炭素を生成する。
CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2 Equation 3 H 2 + 1 / 2O 2 = H 2 O Equation 4 CO + 1 / 2O 2 = CO 2 Equation 5 CO + H 2 O = CO 2 + H 2 Equation 6 However, Carbon dioxide reacts with methane, which is the main component, according to Formula 7, resulting in the production of hydrogen and carbon monoxide. Water is utilized in the steam reforming reaction of methane shown in Formula 3, and similarly produces hydrogen and carbon monoxide.

【0019】 CH+CO=2CO+2H …式7 つまり、一部発電に寄与しない水蒸気改質反応などが起
こるが、生成ガスには燃料として利用可能な水素および
一酸化炭素が主成分となることが期待される。式3、
6、7の反応は、発電反応に直接寄与しない反応である
が、添加する水蒸気量が0<S/C≦0.5の範囲で炭
素質の析出を抑制する範囲でのみ供給するものなので、
これにより発電効率が著しく低下することはない。ま
た、仮に、式4、5、6の反応により二酸化炭素および
水が生成ガス中に残留した場合も、加える水蒸気が炭素
質の析出を抑制する範囲(0<S/C≦0.5)のみで
あり、排出される物質の燃料としての利用価値が著しく
低下することはない。
CH 4 + CO 2 = 2CO + 2H 2 Formula 7 In other words, although a steam reforming reaction that does not partially contribute to power generation occurs, hydrogen and carbon monoxide that can be used as fuel are the main components in the produced gas. There is expected. Equation 3,
Reactions 6 and 7 are reactions that do not directly contribute to the power generation reaction, but are supplied only in the range where the amount of water vapor added is in the range of 0 <S / C ≦ 0.5, and the precipitation of carbonaceous matter is suppressed,
This does not significantly reduce the power generation efficiency. Further, even if carbon dioxide and water remain in the produced gas due to the reactions of equations 4, 5, and 6, only the range (0 <S / C ≦ 0.5) in which the added steam suppresses the precipitation of carbonaceous matter. Therefore, the utility value of the discharged substance as a fuel will not be significantly reduced.

【0020】図2は、S/Cと炭素質の析出量(μmo
l/s)との関係を示す図である。
FIG. 2 shows S / C and the amount of carbonaceous deposits (μmo
It is a figure which shows the relationship with 1 / s).

【0021】本発明による固体酸化物形燃料電池では、
図2に示すように、S/C=0においては急激に炭素質
の析出が起こるものの、0<S/C≦0.5の範囲では
炭素質の析出がない。
In the solid oxide fuel cell according to the present invention,
As shown in FIG. 2, when S / C = 0, the precipitation of carbonaceous material occurs rapidly, but within the range of 0 <S / C ≦ 0.5, there is no precipitation of carbonaceous material.

【0022】なお、S/Cが0〜0.1の間は、炭素質
の析出量は20μmol/sから急激に低減するが、炭
素質が析出した。したがって、S/Cは、0.1<S/
C≦0.5の範囲がより好ましい。
When the S / C is from 0 to 0.1, the amount of carbonaceous matter is drastically reduced from 20 μmol / s, but carbonaceous matter is precipitated. Therefore, S / C is 0.1 <S /
The range of C ≦ 0.5 is more preferable.

【0023】また、0.5<S/Cの範囲では、炭素質
の析出は起こらないものの、主たる発電反応が、式3に
示した水蒸気改質反応により生じた水素による発電反応
(式4、式5)へと移行するため、生成する物賃が二酸
化炭素、水となり、本発明における部分酸化反応を優先
的に用い、一酸化炭素、水素を生成する機能を失うこと
となる。
Further, in the range of 0.5 <S / C, although the precipitation of carbonaceous matter does not occur, the main power generation reaction is the power generation reaction by hydrogen generated by the steam reforming reaction shown in Formula 3 (Formula 4, Since the formula (5) is used, the production costs are carbon dioxide and water, and the partial oxidation reaction in the present invention is preferentially used, and the function of producing carbon monoxide and hydrogen is lost.

【0024】図3(a)、(b)は、それぞれ本発明に
用いられる水蒸気の供給手段の例を示す概略図である。
FIGS. 3 (a) and 3 (b) are schematic views showing examples of water vapor supply means used in the present invention.

【0025】図3(a)において、5は水蒸気供給装
置、6は適応制御部、7は水、8は炭素析出予測・検知
部であり、図3(b)において、9は他の燃料電池、1
0は二酸化炭素である。
In FIG. 3A, 5 is a steam supply device, 6 is an adaptive control unit, 7 is water, 8 is a carbon deposition prediction / detection unit, and in FIG. 3B, 9 is another fuel cell. 1
0 is carbon dioxide.

【0026】本発明における水蒸気の供給手段は、図3
(a)に示すように、単独の水蒸気供給設備であっても
良い。
The means for supplying water vapor in the present invention is shown in FIG.
As shown in (a), a single steam supply facility may be used.

【0027】あるいは、図3(b)に示すように、部分
酸化反応を優先的に用いる固体酸化物形燃料電池から生
成される物質が、燃料電池の燃料として利用できるため
に、他の燃料電池9と組み合わせ、この後段の他の燃料
電池9から発生する水蒸気2を必要量に応じて一部もし
くは全て利用することも可能である。
Alternatively, as shown in FIG. 3 (b), since the substance produced from the solid oxide fuel cell which preferentially uses the partial oxidation reaction can be used as the fuel of the fuel cell, another fuel cell can be used. It is also possible to use part or all of the steam 2 generated from the other fuel cell 9 in the subsequent stage in combination with 9, depending on the required amount.

【0028】その際、(a)の単独設備、(b)の他の
燃料電池9からの水蒸気利用のいずれにしても、部分酸
化反応を優先的に用いる固体酸化物形燃料電池の出力変
動等の運転状況変化に伴う炭素質の析出を予測、検知
し、適切な水蒸気量を供給することを可能とする適応制
御が必要となる。この適応制御は、例えばロバスト、ニ
ューロ、ファジーなどの制御手段を用いることが望まれ
るが、その他、出力変動による炭素質の析出を予測、検
知し、適切な制御を行うことができる制御手段であれば
利用可能である。
At this time, in either case of the independent equipment of (a) or the use of water vapor from the other fuel cell 9 of (b), the output fluctuation of the solid oxide fuel cell which preferentially uses the partial oxidation reaction, etc. Adaptive control is required to predict and detect the precipitation of carbonaceous substances due to changes in the operating conditions of, and to supply an appropriate amount of water vapor. For this adaptive control, it is desirable to use control means such as robust, neuro, fuzzy, etc., but in addition, any control means capable of predicting and detecting precipitation of carbonaceous matter due to output fluctuation and performing appropriate control may be used. Available.

【0029】上記のように、本実施の形態の固体酸化物
形燃料電池は、炭化水素系燃料を直接用い、該炭化水素
系燃料の部分酸化反応を優先的に発電反応とする固体酸
化物形燃料電池において、燃料ガスにおけるスチーム/
カーボン比(S/C)が、0より大きく0.5以下とな
るように水蒸気を供給する手段(図3(a)では、水蒸
気供給装置5、適応制御部6、炭素析出予測・検知部
8、図3(b)では、水蒸気供給装置5、適応制御部
6、炭素析出予測・検知部8、他の燃料電池9)を有す
るものである。
As described above, the solid oxide fuel cell of the present embodiment uses a hydrocarbon-based fuel directly and preferentially uses the partial oxidation reaction of the hydrocarbon-based fuel as a power generation reaction. In fuel cells, steam in fuel gas /
A means for supplying water vapor so that the carbon ratio (S / C) becomes greater than 0 and equal to or less than 0.5 (in FIG. 3A, the water vapor supply device 5, the adaptive control unit 6, the carbon deposition prediction / detection unit 8). 3 (b), it has a steam supply device 5, an adaptive control unit 6, a carbon deposition prediction / detection unit 8, and another fuel cell 9).

【0030】図4は、本発明の固体酸化物形燃料電池の
運転方法の一例を示す流れ図である。
FIG. 4 is a flow chart showing an example of the operating method of the solid oxide fuel cell of the present invention.

【0031】図4に示すように、出力電力の変動を検知
することによって負荷変動があるか否かを判断する(図
4のS1)。
As shown in FIG. 4, it is determined whether or not there is a load change by detecting a change in output power (S1 in FIG. 4).

【0032】負荷変動が無い場合は、燃料ガスに混合し
ている水蒸気量を維持する第1のモード、つまりモード
1で運転を行う(S2)。
If there is no load fluctuation, operation is performed in the first mode for maintaining the amount of water vapor mixed in the fuel gas, that is, mode 1 (S2).

【0033】負荷変動がある場合は、上記適応制御によ
り炭素質の析出が予測されるか否かを判断する(S
3)。
If there is a load change, it is judged whether or not carbonaceous precipitation is predicted by the adaptive control (S).
3).

【0034】負荷変動がある場合でも、炭素質の析出が
予測されない場合は、燃料ガスに混合している水蒸気量
を維持するモード1で運転を行う(S4)。
Even if there is a load change, if the precipitation of carbonaceous matter is not predicted, the operation is performed in mode 1 in which the amount of water vapor mixed in the fuel gas is maintained (S4).

【0035】一方、上記適応制御により炭素質の析出が
予測された場合は、適切な水蒸気量を供給、すなわち、
水蒸気供給量を増加させる(S5)。それと同時に、炭
素質の析出を検知するフィードバック制御を設ける。
On the other hand, when carbonaceous precipitation is predicted by the above adaptive control, an appropriate amount of water vapor is supplied, that is,
The amount of steam supply is increased (S5). At the same time, feedback control is provided to detect the deposition of carbonaceous matter.

【0036】すなわち、炭素質析出検知しきい値を超え
たか否かを判断する(S6)。
That is, it is determined whether or not the carbonaceous deposition detection threshold is exceeded (S6).

【0037】炭素質析出検知しきい値を超えた場合は、
出力変動に適した水蒸気供給量によらず、過剰の水蒸気
を供給し、析出炭素質との反応を促す第2のモード、つ
まりモード2で運転を行い、処理をS6に戻す(S
7)。これにより、電池出力は一時的に低下するもの
の、発電可能な状態へ装置を再生することが可能とな
る。
When the carbonaceous deposition detection threshold is exceeded,
Regardless of the amount of steam supply suitable for output fluctuations, operation is performed in the second mode, that is, mode 2, in which excess steam is supplied to promote reaction with the precipitated carbonaceous matter, and the process returns to S6 (S
7). As a result, although the battery output is temporarily reduced, the device can be regenerated to a state in which power can be generated.

【0038】炭素質析出検知しきい値を超えない場合
は、再び上記適応制御に処理を戻す(S3に戻す)。
If the carbonaceous deposition detection threshold value is not exceeded, the process returns to the adaptive control (return to S3).

【0039】以上本発明を実施の形態に基づいて具体的
に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変
更可能であることは勿論である。
Although the present invention has been specifically described based on the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Is.

【0040】例えば、モード1は、燃料ガスに混合して
いる水蒸気量を維持して運転を行うとしたが、電池構成
材および周辺部材への炭素質の析出の条件は、開発され
た装置ごとに異なるので、モード1において、当該装置
に水蒸気無供給下で炭素析出の可能性が無い場合、水蒸
気を混合することは必ずしも必要ではない。
For example, in the mode 1, the operation was carried out while maintaining the amount of water vapor mixed with the fuel gas, but the conditions for depositing carbonaceous materials on the cell constituent materials and the peripheral members are different for each of the developed devices. Therefore, it is not always necessary to mix steam in mode 1 when there is no possibility of carbon deposition in the apparatus without supplying steam.

【0041】また、上記実施の形態における炭素質析出
検知しきい値は、触媒能力の低下、および電池周辺部
材、例えば燃料流通配管中への炭素質の析出により、長
期運転時における出力低下が明らかに見込まれる値を設
定する必要がある。例えば、入力炭化水素系燃料と出力
物質の炭素基準の物質収支をガスクロマトグラフィーに
より検定し、入力/出力の誤差が5%以上であれば、モ
ード2への切り替えを行うようにする。
In addition, the carbonaceous deposition detection threshold value in the above-described embodiment is apparently a decrease in output during long-term operation due to a reduction in catalyst ability and the deposition of carbonaceous substances in the cell peripheral members such as the fuel distribution pipe. You need to set the expected value for. For example, the carbon-based material balance of the input hydrocarbon fuel and the output material is tested by gas chromatography, and if the input / output error is 5% or more, the mode 2 is switched to.

【0042】上記実施の形態における固体酸化物形燃料
電池は、円筒型、平板型、および中空平板型のいずれの
構造をもつ燃料電池についても適用可能で、同様の効果
を期待することができる。
The solid oxide fuel cell according to the above-described embodiment is applicable to any fuel cell having any of a cylindrical type, a flat plate type, and a hollow flat plate type, and the same effect can be expected.

【0043】さらに、上記実施の形態における固体酸化
物形燃料電池は、単セルのみならず、セル集合体におい
ても同様な効果を期待することができる。
Further, the solid oxide fuel cell in the above embodiment can be expected to have the same effect not only in the single cell but also in the cell assembly.

【0044】[0044]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
燃料となる炭化水素系燃料の部分酸化反応を優先して発
電反応とする固体酸化物形燃料電池を、大型化もしくは
長期運転する際、電池構成材および周辺部材への炭素質
の析出を防止することが可能となり、かつ、長期間安定
した発電が可能となる。
As described above, according to the present invention,
Prevents the deposition of carbonaceous materials on the cell components and peripheral members when a solid oxide fuel cell that preferentially uses the partial oxidation reaction of the hydrocarbon fuel as a fuel to generate electricity is operated for a large size or for a long period of time. It becomes possible and stable power generation becomes possible for a long period of time.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】(a)は、本発明の固体酸化物形燃料電池の概
念を示す図、(b)は従来の固体酸化物形燃料電池の概
念を示す図である。
FIG. 1A is a diagram showing a concept of a solid oxide fuel cell of the present invention, and FIG. 1B is a diagram showing a concept of a conventional solid oxide fuel cell.

【図2】S/Cと炭素質の析出量との関係を示す図であ
る。
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between S / C and the amount of carbonaceous deposits.

【図3】(a)、(b)は、それぞれ本発明に用いられ
る水蒸気の供給手段の例を示す概略図である。
3 (a) and 3 (b) are schematic views showing examples of water vapor supply means used in the present invention.

【図4】本発明の固体酸化物形燃料電池の運転方法の一
例を示す流れ図である。
FIG. 4 is a flow chart showing an example of an operating method of the solid oxide fuel cell of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…炭化水素、2…水蒸気、3…発電部、4…水素、一
酸化炭素、5…水蒸気供給装置、6…適応制御部、7…
水、8…炭素析出予測・検知部、9…他の燃料電池、1
0…二酸化炭素。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Hydrocarbon, 2 ... Steam, 3 ... Power generation part, 4 ... Hydrogen, carbon monoxide, 5 ... Steam supply device, 6 ... Adaptive control part, 7 ...
Water, 8 ... Carbon deposition prediction / detection unit, 9 ... Other fuel cells, 1
0 ... carbon dioxide.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡部 仁貴 東京都千代田区大手町二丁目3番1号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 荒川 正泰 東京都千代田区大手町二丁目3番1号 日 本電信電話株式会社内 Fターム(参考) 5H026 AA06 BB08 EE11 HH05 5H027 AA06 BA01 BA13 KK31 MM14   ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Hitoshi Watanabe             2-3-1, Otemachi, Chiyoda-ku, Tokyo             Inside Telegraph and Telephone Corporation (72) Inventor Masayasu Arakawa             2-3-1, Otemachi, Chiyoda-ku, Tokyo             Inside Telegraph and Telephone Corporation F term (reference) 5H026 AA06 BB08 EE11 HH05                 5H027 AA06 BA01 BA13 KK31 MM14

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】炭化水素系燃料を直接用い、上記炭化水素
系燃料の部分酸化反応を優先的に発電反応とする固体酸
化物形燃料電池において、燃料ガスにおけるスチーム/
カーボン比が、0より大きく0.5以下となるように水
蒸気を供給する手段を有することを特徴とする固体酸化
物形燃料電池。
1. A solid oxide fuel cell in which a hydrocarbon-based fuel is directly used and a partial oxidation reaction of the hydrocarbon-based fuel is preferentially used as a power generation reaction.
A solid oxide fuel cell, comprising means for supplying water vapor so that the carbon ratio is greater than 0 and 0.5 or less.
【請求項2】請求項1記載の固体酸化物形燃料電池の運
転方法において、 出力電力の変動を検知することによって負荷変動がある
か否かを判断する第1のステップと、 上記負荷変動が無い場合は、燃料ガスに混合している水
蒸気量を維持する第1のモードで運転を行う第2のステ
ップと、 上記負荷変動がある場合は、適応制御により炭素質の析
出が予測されるか否かを判断する第3のステップと、 上記炭素質の析出が予測されない場合は、上記第1のモ
ードで運転を行う第4のステップと、 上記炭素質の析出が予測された場合は、水蒸気量を増加
する第5のステップと、 上記第5のステップの後、炭素質析出検知しきい値を超
えたか否かを判断する第6のステップと、 上記炭素質析出検知しきい値を超えた場合は、出力変動
に適した水蒸気供給量によらず、過剰の水蒸気を供給
し、析出炭素質との反応を促す第2のモードで運転を行
うとともに、上記第6のステップに戻す第7のステップ
とを有し、 上記第6のステップにおいて、上記炭素質析出検知しき
い値を超えない場合は、上記第3のステップに戻すこと
を特徴とする固体酸化物形燃料電池の運転方法。
2. The method for operating a solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein a first step of determining whether or not there is a load change by detecting a change in output power, and the load change If there is not, the second step of operating in the first mode to maintain the amount of water vapor mixed in the fuel gas, and if there is the above load fluctuation, is it possible to predict the precipitation of carbonaceous matter by adaptive control? A third step of judging whether or not the above-mentioned carbonaceous deposits are predicted, a fourth step of operating in the above-mentioned first mode, and a case where the above-mentioned carbonaceous deposits are predicted, steam A fifth step of increasing the amount, a sixth step of judging whether or not the carbonaceous deposition detection threshold value is exceeded after the fifth step, and the carbonaceous deposition detection threshold value is exceeded. If the water vapor is suitable for output fluctuation A seventh step of returning to the sixth step while operating in a second mode in which an excess amount of steam is supplied regardless of the gas supply amount to promote a reaction with the precipitated carbonaceous matter; In step 6, if the carbonaceous deposition detection threshold value is not exceeded, the method is returned to the third step, wherein the solid oxide fuel cell is operated.
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