JP2004119298A - Fuel cell power generation system - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池発電システムに関し、さらに詳細には高温型の燃料電池発電システムの昇温装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池の種類として固体酸化物形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、リン酸形燃料電池、固体高分子形燃料電池がある。このうち固体酸化物形燃料電池および溶融炭酸塩形燃料電池は反応温度が高いことから高温形燃料電池と言われることもある。これに対してリン酸形燃料電池および固体高分子形燃料電池は低温形燃料電池と言われる。
まず、ここでは高温形燃料電池の一つである固体酸化物形燃料電池を例にとって、従来の燃料電池発電システムの説明をする。図5に従来の筒状固体酸化物形燃料電池発電システムの一般的な構成図を示す。
【0003】
燃料電池セル1は筒状固体酸化物形燃料電池であり、多孔質支持管−空気極−固体酸化物−燃料極−インターコネクタで構成される筒状セルである。なお、空気極が多孔質支持管を兼用する場合もある。燃料電池セル1は燃料電池容器5に収納されている。燃料電池セル1の外側の燃料極には燃料ガスライン6から燃料ガスが供給される。燃料電池セル1の内側には空気導入管2が挿入されており、空気分配器3を介して酸化剤ガスが供給される。
燃料ガスには、水素ガスを用いることがもっとも好適であるが、天然ガス、プロパンガスなどの炭化水素系燃料ガスを改質器(図示しない)などによって水素リッチガスに転換して導入されることが多い。一方酸化剤ガスとしては、酸素ガスを用いることがもっとも好適であるが、入手性の問題などから一般的には空気が用いられる。図5は酸化剤ガスとして空気を用いる場合を示す。このようにして燃料極側に燃料ガスが、空気極側に酸化剤ガスが供給されると、電解質の両側において電気化学反応が起こり電力と熱と水を発生する。この反応は水の電気分解の逆反応である。
【0004】
図5には、1つの燃料電池セル1を示しているが、実際のシステムにおいては複数の燃料電池セル1が電気的に接続された燃料電池スタックもしくは燃料電池モジュールを構成して、必要な電力量を発生させている。また、燃料電池の発電反応温度を維持するために、燃料電池容器や周辺装置は断熱材によって保温され放熱を防いでいる。
次に、従来の燃料電池発電システムの昇温装置および昇温方法の説明をする。燃料電池発電システムを起動する際には、常温状態の燃料電池発電システムを発電反応温度まで昇温する必要がある。前述の高温型燃料電池のうち固体酸化物形燃料電池の場合、発電反応温度は高いもので1000℃である。そこで燃料電池の温度を所定温度まで上昇させるため、空気ラインに昇温装置を設けて高温に加熱した空気を供給する方法や燃料電池の周囲に電気ヒータを設けて加熱をする方法も採用されていた。図5において、空気ラインに設けた昇温装置の一例を示す。また、燃料極側に、起動用燃料ガスと空気を用いてバーナー11から発生させた不完全燃焼ガスを供給して昇温する方法も採用されていた(例えば、特許文献1参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開平11−162492号公報(第3−5頁、第1図、第7図)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の昇温装置では、加熱手段がガス供給ラインの途中や燃料電池の周囲に設けられており、発電部である燃料電池セルとの距離が大きいため、燃料電池セルに熱が到達する前に放散してしまうという問題があった。その結果有効に利用される熱が減少するため、昇温に多大な時間がかかるという問題があった。また途中で放散する熱を考慮した加熱能力を有する加熱手段を設ける必要があるため、設備が過大となり設備コストアップやランニングコストアップおよび設備サイズアップの要因となっていた。
【0007】
本発明は、これらの従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、熱放散ロスが少なく短時間で昇温が可能な燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、
請求項1は、燃料極と空気極と電解質を有する燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガスラインと、前記空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガスラインとを有する燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池内の酸化剤ガス流路内に触媒燃焼手段を設けたことを特徴とする。
ここで、触媒燃焼手段とは、燃焼触媒や燃焼触媒を使用したシステム等のことである。
従って、本発明によって、熱放散ロスが少なく短時間で昇温が可能となる。
【0009】
請求項2は、前記燃料電池が筒状固体酸化物形燃料電池であって、前記酸化剤ガス流路が空気導入管である燃料電池発電システムにおいて、前記触媒燃焼手段が前記空気導入管の内表面および/または外表面に設けられた燃焼触媒層であることを特徴とする。
ここで、燃焼触媒とは、触媒表面で燃料を空気中の酸素と反応させ熱エネルギーを発生させる機能を有するものである。燃焼触媒を用いることにより、炎を発生せずに燃焼させることができる。
従って、本発明によって予熱した空気と燃料を供給して空気流路内で燃焼させることができ、セルに効率よく熱を伝えることができる。
【0010】
請求項3は、前記触媒燃焼手段が、燃焼触媒作用を有する材料で作製された空気導入管であることにより、予熱した空気と燃料を供給して空気流路内で燃焼させることができ、セルに効率よく熱を伝えることができる。
【0011】
請求項4は、前記燃料電池が平板型燃料電池であって、前記酸化剤ガス流路がセパレータに形成された燃料電池発電システムにおいて、前記触媒燃焼手段が前記セパレータの酸化剤ガス流路の表面に設けられた燃焼触媒層であることにより、予熱した空気と燃料を供給して空気流路内で燃焼させることができ、セルに効率よく熱を伝えることができる。
【0012】
請求項5は、前記触媒燃焼手段が前記空気極の表面に設けられた燃焼触媒層であることにより、予熱した空気と燃料を供給して空気流路内で燃焼させることができ、セルに効率よく熱を伝えることができる。
【0013】
請求項6は、前記触媒燃焼手段が前記空気極に混合された燃焼触媒であることにより、予熱した空気と燃料を供給して空気流路内で燃焼させることができ、セルに効率よく熱を伝えることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明をより具体的に説明する。
図1は本発明の燃料電池発電システムの一実施例を略示する図である。燃料電池セル1は筒状固体酸化物形燃料電池であり、多孔質支持管−空気極−固体酸化物−燃料極−インターコネクタで構成される筒状セルである。なお、空気極が多孔質支持管を兼用する場合もある。燃料電池セル1は図1においては1本であるが、通常は複数の燃料電池セル1が電気的に接続されて燃料電池容器5に収納されている。燃料電池容器5には燃料ガスライン6が接続されており、燃料電池セル1の外側の燃料極に燃料ガスが供給される。燃料電池セル1の内側には空気導入管2が挿入されており、空気分配器3を介して酸化剤ガスライン7と接続されている。本実施例では酸化剤ガスとして空気を用いた例を示す。空気分配器3には複数の空気導入管2が接続されており、それぞれの燃料電池セル1の内側の空気極に空気が供給される。酸化剤ガスライン7には空気加熱器4が設置されている。空気加熱器4の下流には昇温用燃料ガスライン8が接続されている。空気導入管2の内表面と外表面に燃焼触媒層10が形成されている。
【0015】
図2は、図1の要部拡大図である。燃料電池セル1の内側に空気導入管2が挿入されており、空気導入管2の内表面と外表面に燃焼触媒層10が形成されている。
次にこのように構成された燃料電池発電システムの起動時の動作について説明する。起動時には、燃料電池セル1をはじめとする燃料電池発電システムの温度は常温であるため、燃料電池セル1が発電可能な約1000℃の温度に達するまで昇温する必要がある。そこで、まず、空気を空気加熱器4に供給し、空気分配器3、空気導入管2を介して燃料電池セル1に導入する。加熱された空気が導入されることにより、空気分配器3、空気導入管2、燃料電池セル1が順次昇温される。
次に、空気導入管2が触媒燃焼反応が進行する温度(例えば350℃)まで昇温された時点で、昇温用燃料ガスライン8を通じて昇温用燃料ガスを導入する。空気導入管2の内表面と外表面には燃焼触媒層10形成されているため、各表面で触媒燃焼反応が起こり、燃焼熱が発生する。空気導入管2は燃料電池セル1に内挿されて近接して設置されているため、発生した燃焼熱のほとんどが効率良く燃料電池セル1に伝達される。このようにして、少ない燃料で短時間で効率的に燃料電池セル1を発電可能温度まで昇温することができる。空気導入管2の内表面と外表面に燃焼触媒層10が形成されていない場合に比べて、空気加熱器4の加熱能力を小さくすることができる。
【0016】
なお、空気導入管2の内表面と外表面のいずれか一方に燃焼触媒層10を設けても良い。また、図3に示すように空気極の表面に燃焼触媒層10を設けることも可能である。この場合燃焼触媒層での燃焼熱は、さらに効率良く燃料電池セル1の発電反応部に伝達される。なお、前述のように空気極が多孔質支持管の外側に設けられている場合は、多孔質支持管の表面に燃焼触媒層10を設けたり、多孔質支持管の多孔質部に燃焼触媒を担持させたりすることもできる。
【0017】
空気導入管2の内表面と外表面に形成される燃焼触媒層としては、Pt、Pd等の白金系金属やペロブスカイト等の金属酸化物が好適である。
他の触媒燃焼手段を設ける方法としては、図4に示すようなビーズ状の触媒粒子を充填する方法でもよい。
また、空気導入管自体を燃焼触媒で形成したり、空気極自体に燃焼触媒を混合したりすれば新たに燃焼触媒層を設ける必要はない。
さらに、燃料電池が平板型燃料電池の場合であっても、セパレータに形成された酸化剤ガス流路の表面や空気極表面に燃焼触媒層を設けることができる。同様に、空気極自体に燃焼触媒を混合することもできる。
空気加熱器4としては電気ヒータやガスバーナが使用可能である。
【0018】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の燃料電池発電システムによれば、燃料電池の酸化剤ガス流路内に触媒燃焼手段を設けたことにより、予熱した空気と燃料を供給して空気流路内で燃焼させることができ、セルに効率よく熱を伝えることができる。したがって、電池の昇温を、エネルギーの損失が少ない状態で短時間に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料電池発電システムの一実施例を略示する図である。
【図2】本発明の燃料電池発電システムの一実施例の要部拡大図である。
【図3】本発明の燃料電池発電システムの他の実施例の要部拡大図である。
【図4】本発明の燃料電池発電システムの他の実施例の要部拡大図である。
【図5】従来の筒状固体酸化物形燃料電池発電システムの一般的な構成図である。
【符号の説明】
1 燃料電池セル
2 空気導入管
3 空気分配器
4 空気加熱器
5 燃料電池容器
6 燃料ガスライン
7 酸化剤ガスライン
8 昇温用燃料ガスライン
9 排ガスライン
10 燃焼触媒層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell power generation system, and more particularly, to a heating device of a high-temperature fuel cell power generation system.
[0002]
[Prior art]
The types of fuel cells include solid oxide fuel cells, molten carbonate fuel cells, phosphoric acid fuel cells, and polymer electrolyte fuel cells. Among them, solid oxide fuel cells and molten carbonate fuel cells are sometimes referred to as high temperature fuel cells because of their high reaction temperatures. On the other hand, the phosphoric acid fuel cell and the polymer electrolyte fuel cell are called low temperature fuel cells.
First, a conventional fuel cell power generation system will be described using a solid oxide fuel cell, which is one of the high-temperature fuel cells, as an example. FIG. 5 shows a general configuration diagram of a conventional cylindrical solid oxide fuel cell power generation system.
[0003]
The
It is most preferable to use hydrogen gas as the fuel gas, but it is also possible to convert hydrocarbon-based fuel gas such as natural gas or propane gas into a hydrogen-rich gas by a reformer (not shown) and introduce it. Many. On the other hand, it is most preferable to use oxygen gas as the oxidizing gas, but air is generally used due to availability problems. FIG. 5 shows a case where air is used as the oxidizing gas. When the fuel gas is supplied to the fuel electrode side and the oxidant gas is supplied to the air electrode side in this manner, an electrochemical reaction occurs on both sides of the electrolyte to generate electric power, heat and water. This reaction is the reverse of the electrolysis of water.
[0004]
FIG. 5 shows one
Next, a description will be given of a conventional heating device and a heating method of a fuel cell power generation system. When starting the fuel cell power generation system, it is necessary to raise the temperature of the fuel cell power generation system in a normal temperature state to a power generation reaction temperature. Among the aforementioned high-temperature fuel cells, the solid oxide fuel cell has a high power generation reaction temperature of 1000 ° C. Therefore, in order to raise the temperature of the fuel cell to a predetermined temperature, a method of providing a high-temperature heated air by providing a heating device in an air line or a method of providing an electric heater around the fuel cell to heat the fuel cell are also adopted. Was. FIG. 5 shows an example of a temperature raising device provided in the air line. Further, a method has also been adopted in which the incomplete combustion gas generated from the burner 11 is supplied to the fuel electrode side using a starting fuel gas and air to increase the temperature (for example, see Patent Document 1).
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-11-162492 (Pages 3-5, FIGS. 1, 7)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional temperature raising device, the heating means is provided in the middle of the gas supply line or around the fuel cell, and the heat reaches the fuel cell because the distance to the fuel cell which is the power generation unit is large. There was a problem that it would dissipate before. As a result, the amount of heat that is effectively used is reduced, and there is a problem that it takes a long time to raise the temperature. In addition, since it is necessary to provide a heating means having a heating capacity in consideration of heat dissipated on the way, the equipment becomes excessively large, which causes an increase in equipment cost, a running cost, and an increase in equipment size.
[0007]
The present invention has been made in order to solve these problems of the related art, and an object of the present invention is to provide a fuel cell power generation system which has a small heat dissipation loss and can be heated in a short time.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems,
Here, the catalytic combustion means is a combustion catalyst or a system using the combustion catalyst.
Therefore, according to the present invention, it is possible to raise the temperature in a short time with little heat dissipation loss.
[0009]
A fuel cell power generation system according to claim 2, wherein the fuel cell is a cylindrical solid oxide fuel cell, and wherein the oxidizing gas flow path is an air introduction pipe. It is a combustion catalyst layer provided on the surface and / or the outer surface.
Here, the combustion catalyst has a function of reacting fuel with oxygen in the air on the catalyst surface to generate thermal energy. By using a combustion catalyst, combustion can be performed without generating a flame.
Therefore, the air and fuel preheated by the present invention can be supplied and burned in the air flow path, and the heat can be efficiently transmitted to the cells.
[0010]
According to a third aspect of the present invention, since the catalytic combustion means is an air introduction pipe made of a material having a combustion catalytic action, preheated air and fuel can be supplied and burned in the air flow path. Heat can be transmitted efficiently to
[0011]
5. The fuel cell power generation system according to claim 4, wherein the fuel cell is a flat fuel cell, and wherein the oxidizing gas passage is formed in a separator. Since the combustion catalyst layer is provided in the fuel cell, the preheated air and fuel can be supplied and burned in the air flow path, so that heat can be efficiently transmitted to the cell.
[0012]
According to a fifth aspect of the present invention, since the catalytic combustion means is a combustion catalyst layer provided on the surface of the air electrode, preheated air and fuel can be supplied and burned in the air flow path, and the efficiency of the cell can be improved. Can transmit heat well.
[0013]
According to claim 6, since the catalytic combustion means is a combustion catalyst mixed with the air electrode, preheated air and fuel can be supplied and burned in the air flow path, and heat is efficiently supplied to the cell. Can tell.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram schematically showing an embodiment of the fuel cell power generation system of the present invention. The
[0015]
FIG. 2 is an enlarged view of a main part of FIG. An air introduction pipe 2 is inserted inside the
Next, the operation of the fuel cell power generation system configured as described above when starting up will be described. At the time of startup, since the temperature of the fuel cell power generation system including the
Next, when the temperature of the air introduction pipe 2 is raised to a temperature (for example, 350 ° C.) at which the catalytic combustion reaction proceeds, the fuel gas for temperature rise is introduced through the fuel gas line for
[0016]
Note that the
[0017]
As the combustion catalyst layer formed on the inner surface and the outer surface of the air introduction pipe 2, a platinum-based metal such as Pt and Pd and a metal oxide such as perovskite are preferable.
As a method of providing another catalytic combustion means, a method of filling bead-like catalyst particles as shown in FIG. 4 may be used.
Further, if the air introduction pipe itself is formed of a combustion catalyst, or if the combustion catalyst is mixed with the air electrode itself, it is not necessary to newly provide a combustion catalyst layer.
Furthermore, even when the fuel cell is a flat fuel cell, a combustion catalyst layer can be provided on the surface of the oxidant gas flow path formed on the separator or on the surface of the air electrode. Similarly, a combustion catalyst can be mixed with the air electrode itself.
As the air heater 4, an electric heater or a gas burner can be used.
[0018]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the fuel cell power generation system of the present invention, the provision of the catalytic combustion means in the oxidizing gas flow path of the fuel cell allows the supply of preheated air and fuel to the air flow. The fuel can be burned in the road and heat can be efficiently transmitted to the cells. Therefore, the temperature of the battery can be raised in a short time with little energy loss.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating an embodiment of a fuel cell power generation system according to the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of a main part of one embodiment of the fuel cell power generation system of the present invention.
FIG. 3 is an enlarged view of a main part of another embodiment of the fuel cell power generation system of the present invention.
FIG. 4 is an enlarged view of a main part of another embodiment of the fuel cell power generation system of the present invention.
FIG. 5 is a general configuration diagram of a conventional cylindrical solid oxide fuel cell power generation system.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (6)
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-
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