JP2005310430A - Operation method of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料極における水素のイオン化反応を均一に生じさせることにより燃料電池の長寿命化を図った燃料電池の運転方法と、それを実現する燃料電池発電装置並びに燃料電池発電システムに関する。 The present invention relates to a method of operating a fuel cell in which the life of the fuel cell is extended by causing uniform ionization reaction of hydrogen in a fuel electrode, and a fuel cell power generation apparatus and a fuel cell power generation system that realize the method.
燃料電池は、燃料のもつ化学的エネルギーを、燃焼させることなしに電気化学的に直接、電気エネルギーに変えることが出来る、エネルギー変換効率に優れた装置である。なかでも水素を燃料として燃料極(アノード電極)側に供給し空気極(カソード電極)側には空気中の酸素を用いる燃料電池は、エネルギー発生の際に、水素と酸素の反応により水が生成するだけであり、石油、石炭等の化石燃料を燃焼してエネルギーを発生する装置のように二酸化炭素、窒素酸化物、硫黄酸化物等を生成して環境負荷の増大を招来することがないため、クリーンなエネルギー源として期待が大きい。 A fuel cell is an apparatus with excellent energy conversion efficiency that can directly convert the chemical energy of fuel into electrical energy electrochemically without burning. In particular, a fuel cell that supplies hydrogen as fuel to the fuel electrode (anode electrode) side and uses oxygen in the air on the air electrode (cathode electrode) side generates water by the reaction of hydrogen and oxygen during energy generation. Because it does not generate carbon dioxide, nitrogen oxides, sulfur oxides, etc., as in the case of devices that generate energy by burning fossil fuels such as oil and coal, it does not lead to an increase in environmental impact. Expectations are high as a clean energy source.
燃料電池は、水素(燃料)に接触させる燃料極と、酸素(空気、酸化剤)に接触させる空気極とが、電解質を挟んで構成される。電解質は、例えば高分子イオン交換膜(固体高分子型燃料電池)、リン酸を含ませたマトリックス(リン酸型燃料電池)等の態様で配設される。燃料電池において、燃料極に水素が供給されると、水素イオンと電子に解離し、解離した電子は、外部回路を通って空気極側に移動するとともに、空気極では電解質中を移動してきた水素イオンと外部回路からの電子と酸素が反応して水が生成する。このような反応によって電力が発生する(例えばリン酸型燃料電池について特許文献1を参照)。
燃料極の反応: 2H2 → 4H++4e
空気極の反応: O2+4H++4e → 2H2O
Reaction of anode: 2H 2 → 4H + + 4e
Reaction at the air electrode: O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O
このような燃料電池においては、寿命が短いという解決すべき課題があった。そして、検討がなされた結果、燃料極における局所的な過大負荷の発生が短寿命の要因の1つであると考えられた。従来、燃料電池では、空気を利用出来る酸化剤に対して、燃料たる水素の製造にはコストがかかることから、水素を効率良く利用するために、水素の量に比較して過剰の酸素(空気)を供給する運転がなされている。そのため、燃料電池に供給される水素は、常にイオン化可能な状態におかれ、燃料極の入口付近において供給されると直ちにイオン化され、局所的にイオン化反応が生じてしまう(分極が発生する)。この現象によって、燃料極を構成するアノード電極の一部分に負荷がかかるため、局所的に電極部材及び電解質の劣化を加速させる。 In such a fuel cell, there is a problem to be solved that the lifetime is short. As a result of investigations, it was considered that the occurrence of a local overload at the fuel electrode was one of the causes of short life. Conventionally, in a fuel cell, since the production of hydrogen as a fuel is expensive compared to an oxidant that can use air, in order to efficiently use hydrogen, excess oxygen (air) ) Is being supplied. Therefore, hydrogen supplied to the fuel cell is always in an ionizable state, and is immediately ionized when supplied in the vicinity of the inlet of the fuel electrode, causing an ionization reaction locally (polarization occurs). Due to this phenomenon, a load is applied to a part of the anode electrode constituting the fuel electrode, so that the deterioration of the electrode member and the electrolyte is locally accelerated.
特に、一般的な燃料電池では、単電池あたりの出力は1V未満であるため、通常、工場で使用される電圧である例えば400Vを得るためには、400〜500枚の単電池を直列に結合した電池として構成しなければならない。従って、400〜500の単電池に均等に水素を分配する必要があるが、それが大変困難であるがために、燃料極において局所的な負荷が発生し易くなり、それに伴って寿命が短くなっていると考えられた。 In particular, in general fuel cells, since the output per unit cell is less than 1 V, 400 to 500 unit cells are connected in series in order to obtain, for example, 400 V that is usually used in a factory. Must be configured as a battery. Therefore, it is necessary to distribute hydrogen evenly to 400 to 500 cells. However, since this is very difficult, local load is likely to occur at the fuel electrode, and the life is shortened accordingly. It was thought that
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料極を構成するアノード電極部分において局所的な水素のイオン化反応が生じず、長寿命化が図られた燃料電池を提供することにある。研究が重ねられた結果、酸素の量に対し相対的に充分な量の水素を燃料電池の燃料極へ投入し、電解質及び燃料極に水素を行き渡らせた状態の燃料電池に対して、その空気極へ、水素の量に対し相対的に少量の酸素(空気)を、流量を制御しながら投入して発電を行う手段によって、上記目的が達成し得ることが見出された。換言すれば、発電の律速になるものが、水素の量ではなく酸素の量であり、燃料電池から、常時、一定量の未反応の水素が排出される程に、電解質中に水素イオンが充分に行き渡った状態で、水素の量に対し相対的に少量の酸素を投入することにより発電を行う手段である。これにより、従来、発生していた燃料極での水素の分極が防止され、燃料電池の長寿命化が図れる。より具体的には、本発明は以下に示す手段を提供する。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and the object of the present invention is to prevent a local hydrogen ionization reaction from occurring in the anode electrode portion constituting the fuel electrode and to extend the life. It is to provide a fuel cell. As a result of repeated research, a relatively sufficient amount of hydrogen relative to the amount of oxygen was introduced into the fuel electrode of the fuel cell, and the hydrogen was distributed to the electrolyte and fuel electrode. It has been found that the above object can be achieved by means of generating electricity by supplying a relatively small amount of oxygen (air) relative to the amount of hydrogen while controlling the flow rate. In other words, what determines the rate of power generation is not the amount of hydrogen but the amount of oxygen, and there is sufficient hydrogen ions in the electrolyte so that a certain amount of unreacted hydrogen is always discharged from the fuel cell. In this state, power is generated by introducing a relatively small amount of oxygen relative to the amount of hydrogen. Thereby, the polarization of hydrogen at the fuel electrode, which has been conventionally generated, is prevented, and the life of the fuel cell can be extended. More specifically, the present invention provides the following means.
即ち、本発明によれば、水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層された燃料電池を運転する方法であって、燃料極へ供給される燃料に含まれる水素のモル数に対して1/2以下になるように、前記空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する燃料電池の運転方法が提供される(第1の燃料電池の運転方法ともいう)。 That is, according to the present invention, a plurality of single cells each having an electrolyte interposed between a fuel electrode supplied with a fuel containing hydrogen as a main component and an air electrode supplied with air as an oxidant are stacked. A method for operating a fuel cell, wherein oxygen contained in air supplied to the air electrode is less than half of the number of moles of hydrogen contained in fuel supplied to the fuel electrode. A fuel cell operation method for controlling the number of moles is also provided (also referred to as a first fuel cell operation method).
又、本発明によれば、水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層された燃料電池を運転する方法であって、燃料極から排出される燃料に含まれる未反応の水素のモル数が一定以上になるように、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する燃料電池の運転方法が提供される(第2の燃料電池の運転方法ともいう)。 In addition, according to the present invention, a plurality of unit cells in which an electrolyte is interposed between a fuel electrode supplied with a fuel containing hydrogen as a main component and an air electrode supplied with air as an oxidant are stacked. A method for operating a fuel cell, wherein the moles of oxygen contained in the air supplied to the air electrode are set so that the number of moles of unreacted hydrogen contained in the fuel discharged from the fuel electrode becomes equal to or greater than a certain value. A fuel cell operation method for controlling the number is also provided (also referred to as a second fuel cell operation method).
更に、本発明によれば、水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層されてモジュール電池を構成し、そのモジュール電池が複数連結されて構成される燃料電池を運転する方法であって、複数のモジュール電池の温度を個別に測定し、それらの間の温度差が一定以下になるように、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する燃料電池の運転方法が提供される(第3の燃料電池の運転方法ともいう)。 Furthermore, according to the present invention, a plurality of single cells each having an electrolyte interposed between a fuel electrode supplied with a fuel containing hydrogen as a main component and an air electrode supplied with air as an oxidant are stacked. A module battery, and a method of operating a fuel cell configured by connecting a plurality of module batteries, wherein the temperature of a plurality of module batteries is individually measured, and the temperature difference between them is below a certain level Thus, there is provided a fuel cell operation method for controlling the number of moles of oxygen contained in the air supplied to the air electrode (also referred to as a third fuel cell operation method).
尚更に、本発明によれば、水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層されてモジュール電池を構成し、そのモジュール電池が複数連結されて構成される燃料電池を運転する方法であって、複数のモジュール電池の電圧を個別に測定し、それらの間の電圧差が一定以下になるように、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する燃料電池の運転方法が提供される(第4の燃料電池の運転方法ともいう)。 Still further, according to the present invention, there are provided a plurality of unit cells in which an electrolyte is interposed between a fuel electrode supplied with a fuel containing hydrogen as a main component and an air electrode supplied with air as an oxidant. A method of operating a fuel cell in which a plurality of module cells are connected by stacking to form a module cell, and the voltage of the plurality of module cells is individually measured and the voltage difference between them is constant A fuel cell operation method for controlling the number of moles of oxygen contained in the air supplied to the air electrode is provided as follows (also referred to as a fourth fuel cell operation method).
尚更に、本発明によれば、水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層された燃料電池を運転する方法であって、単電池の温度を個別に測定し、それらの間の温度差が一定以下になるように、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する燃料電池の運転方法が提供される(第5の燃料電池の運転方法ともいう)。 Still further, according to the present invention, there are provided a plurality of unit cells in which an electrolyte is interposed between a fuel electrode supplied with a fuel containing hydrogen as a main component and an air electrode supplied with air as an oxidant. A method of operating stacked fuel cells, in which the temperature of single cells is measured individually, and the molarity of oxygen contained in the air supplied to the air electrode is such that the temperature difference between them is less than a certain value. A fuel cell operation method for controlling the number is also provided (also referred to as a fifth fuel cell operation method).
尚更に、本発明によれば、水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層された燃料電池を運転する方法であって、単電池の電圧を個別に測定し、それらの間の電圧差が一定以下になるように、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する燃料電池の運転方法が提供される(第6の燃料電池の運転方法ともいう)。 Still further, according to the present invention, there are provided a plurality of unit cells in which an electrolyte is interposed between a fuel electrode supplied with a fuel containing hydrogen as a main component and an air electrode supplied with air as an oxidant. A method of operating a stacked fuel cell, in which the voltage of a single cell is measured individually, and the molarity of oxygen contained in the air supplied to the air electrode so that the voltage difference between them is less than a certain value. A fuel cell operation method for controlling the number is also provided (also referred to as a sixth fuel cell operation method).
本発明によれば、水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層された燃料電池と、燃料極へ供給される燃料に含まれる水素のモル数を測定する供給水素量測定手段と、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備する燃料電池発電装置が提供される(第1の燃料電池発電装置ともいう)。 According to the present invention, a plurality of single cells having an electrolyte interposed between a fuel electrode supplied with a fuel containing hydrogen as a main component and an air electrode supplied with air as an oxidant are stacked. Fuel cell, supply hydrogen amount measuring means for measuring the number of moles of hydrogen contained in the fuel supplied to the fuel electrode, and supply oxygen amount control means for controlling the number of moles of oxygen contained in the air supplied to the air electrode Are provided (also referred to as a first fuel cell power generator).
又、本発明によれば、水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層された燃料電池と、燃料極から排出される燃料に含まれる未反応の水素のモル数を測定する排出水素量測定手段と、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備する燃料電池発電装置が提供される(第2の燃料電池発電装置ともいう)。 In addition, according to the present invention, a plurality of unit cells in which an electrolyte is interposed between a fuel electrode supplied with a fuel containing hydrogen as a main component and an air electrode supplied with air as an oxidant are stacked. A fuel cell, an exhaust hydrogen amount measuring means for measuring the number of moles of unreacted hydrogen contained in the fuel discharged from the fuel electrode, and a number of moles of oxygen contained in the air supplied to the air electrode And a supply oxygen amount control unit (hereinafter also referred to as a second fuel cell power generation device).
更に、本発明によれば、水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層されてモジュール電池を構成し、そのモジュール電池が複数連結されて構成される燃料電池と、複数のモジュール電池の間の温度差を測定する温度差測定手段と、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備する燃料電池発電装置が提供される(第3の燃料電池発電装置ともいう)。 Furthermore, according to the present invention, a plurality of single cells each having an electrolyte interposed between a fuel electrode supplied with a fuel containing hydrogen as a main component and an air electrode supplied with air as an oxidant are stacked. A module battery, a plurality of module batteries connected to each other, a temperature difference measuring means for measuring a temperature difference between the plurality of module batteries, and air supplied to the air electrode And a supply oxygen amount control means for controlling the number of moles of oxygen to be supplied (also referred to as a third fuel cell power generation apparatus).
尚更に、本発明によれば、水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が、複数積層されてモジュール電池を構成し、そのモジュール電池が複数連結されて構成される燃料電池と、複数のモジュール電池の間の電圧差を測定する電圧差測定手段と、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備する燃料電池発電装置が提供される(第4の燃料電池発電装置ともいう)。 Still further, according to the present invention, there are provided a plurality of unit cells in which an electrolyte is interposed between a fuel electrode supplied with a fuel containing hydrogen as a main component and an air electrode supplied with air as an oxidant. A module battery is formed by stacking and a plurality of module batteries are connected, a voltage difference measuring means for measuring a voltage difference between the plurality of module batteries, and air supplied to the air electrode There is provided a fuel cell power generator comprising a supply oxygen amount control means for controlling the number of moles of oxygen contained (also referred to as a fourth fuel cell power generator).
尚更に、本発明によれば、水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が複数連結された燃料電池と、単電池の間の温度差を測定する温度差測定手段と、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備する燃料電池発電装置が提供される(第5の燃料電池発電装置ともいう)。 Still further, according to the present invention, a plurality of single cells each having an electrolyte interposed are connected between a fuel electrode supplied with a fuel containing hydrogen as a main component and an air electrode supplied with air as an oxidant. A fuel cell, a temperature difference measuring means for measuring a temperature difference between the unit cells, and a supply oxygen amount control means for controlling the number of moles of oxygen contained in the air supplied to the air electrode A battery power generator is provided (also referred to as a fifth fuel cell power generator).
尚更に、本発明によれば、水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と、酸化剤として空気が供給される空気極との間に、電解質を介在させてなる単電池が複数連結された燃料電池と、単電池の間の電圧差を測定する電圧差測定手段と、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備する燃料電池発電装置が提供される(第6の燃料電池発電装置ともいう)。 Still further, according to the present invention, a plurality of single cells each having an electrolyte interposed are connected between a fuel electrode supplied with a fuel containing hydrogen as a main component and an air electrode supplied with air as an oxidant. A fuel cell, a voltage difference measuring means for measuring a voltage difference between the single cells, and a supply oxygen amount control means for controlling the number of moles of oxygen contained in the air supplied to the air electrode A battery power generator is provided (also referred to as a sixth fuel cell power generator).
本発明によれば、メタンを含む燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼手段と、燃焼ガスによって内部に搬入された被焼成体を焼成する焼成炉本体と、を備える焼成炉と、メタン改質触媒が内部に充填され、そこに流入したメタンを含む燃料と水蒸気とからなる改質原料を加熱しながらメタン改質触媒に接触させることにより、改質原料の中のメタンと水蒸気とを反応させて、水素及び二酸化炭素からなる改質ガスを生成させる改質器と、上記第1〜第6の燃料電池発電装置のうち何れかの燃料電池発電装置と、を具備し、焼成炉本体で生じた燃焼ガスが有する排熱を使用して、改質器で水素を含有する改質ガスを発生させ、改質ガスを燃料電池の燃料として使用して発電し、更に燃料電池から排出される未反応の改質ガスを燃焼手段の燃料として燃焼させることにより、水素を含有する改質ガスを有効利用するとともに、燃焼ガスが有する熱エネルギーの一部を電気エネルギーに変換する燃料電池発電システムが提供される。 According to the present invention, a calcination furnace comprising: combustion means for burning a fuel containing methane to generate combustion gas; and a calcination furnace main body for calcination of an object to be baked into the interior by the combustion gas; The reformed raw material, which is filled with a catalyst and is made of methane-containing fuel and steam, is brought into contact with the methane reforming catalyst while being heated, thereby reacting the methane and steam in the reformed raw material. And a reformer for generating a reformed gas composed of hydrogen and carbon dioxide, and any one of the first to sixth fuel cell power generators. Using the exhaust heat of the generated combustion gas, a reformer containing hydrogen is generated in the reformer, and the reformed gas is used as fuel for the fuel cell to generate power, and is further discharged from the fuel cell. Unreacted reformed gas By combusting a fee, along with effective use of the reformed gas containing hydrogen, the fuel cell power generation system is provided for converting a portion of the thermal energy of the combustion gas into electrical energy.
本発明に係る燃料電池発電システムにおいては、改質器で生成した改質ガスの中の水素を選択的に分離して、水素を主成分とする燃料と二酸化炭素を含有する残ガスとに分離させる水素分離器を、更に備え、改質器で発生させた水素を含有する改質ガスを、水素分離器により、水素と二酸化炭素に分離し、上記改質ガスの代わりに水素を燃料電池の燃料として使用して発電し、更に燃料電池から排出される未反応の水素を燃焼手段の燃料として燃焼させることにより、水素を有効利用するとともに、燃焼ガスが有する熱エネルギーの一部を電気エネルギーに変換することが好ましい。 In the fuel cell power generation system according to the present invention, hydrogen in the reformed gas generated by the reformer is selectively separated into a fuel containing hydrogen as a main component and a residual gas containing carbon dioxide. And a hydrogen separator for separating the reformed gas containing hydrogen generated by the reformer into hydrogen and carbon dioxide by the hydrogen separator, and replacing the reformed gas with hydrogen in the fuel cell. By generating electricity using it as fuel and burning unreacted hydrogen discharged from the fuel cell as fuel for the combustion means, hydrogen can be used effectively, and part of the thermal energy of the combustion gas can be converted into electrical energy. It is preferable to convert.
本発明に係る第1の燃料電池の運転方法によれば、燃料極へ供給される燃料に含まれる水素のモル数に対して1/2以下になるように、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御するので、空気極において、電解質には潤沢な水素イオンが存在することになる。そのため、燃料極を構成するアノード電極部分において局所的な水素のイオン化反応は生じず、電極部材の劣化等による短寿命化を防止出来る。 According to the first fuel cell operating method of the present invention, the air supplied to the air electrode is reduced to 1/2 or less of the number of moles of hydrogen contained in the fuel supplied to the fuel electrode. Since the number of moles of oxygen contained is controlled, abundant hydrogen ions are present in the electrolyte at the air electrode. Therefore, local ionization reaction of hydrogen does not occur in the anode electrode portion constituting the fuel electrode, and it is possible to prevent a short life due to deterioration of the electrode member or the like.
本発明に係る第1の燃料電池発電装置は、燃料極へ供給される燃料に含まれる水素のモル数を測定する供給水素量測定手段と、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備するので、本発明に係る第1の燃料電池の運転方法を実施出来、その実施を通じて、燃料極を未反応の水素で充満させ、燃料極を構成するアノード電極部分において局所的な水素のイオン化反応は生じさせず、燃料電池の長寿命化を図ることが出来る。 The first fuel cell power generator according to the present invention includes a supply hydrogen amount measuring means for measuring the number of moles of hydrogen contained in the fuel supplied to the fuel electrode, and a mole of oxygen contained in the air supplied to the air electrode. And a supply oxygen amount control means for controlling the number, so that the operation method of the first fuel cell according to the present invention can be implemented, and through the implementation, the fuel electrode is filled with unreacted hydrogen, The local ionization reaction of hydrogen does not occur in the anode electrode portion, and the life of the fuel cell can be extended.
本発明に係る第2の燃料電池の運転方法によれば、燃料極から排出される燃料に含まれる未反応の水素のモル数が一定以上になるように、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御するので、より直接的に、燃料極を未反応の水素で充満させることが出来、燃料極を構成するアノード電極部分において局所的な水素のイオン化反応は生じないから、電極部材の劣化等による短寿命化を防止出来る。 According to the second method of operating the fuel cell according to the present invention, it is included in the air supplied to the air electrode so that the number of moles of unreacted hydrogen contained in the fuel discharged from the fuel electrode becomes a certain value or more. Since the number of moles of oxygen generated is controlled, the fuel electrode can be more directly filled with unreacted hydrogen, and a local ionization reaction of hydrogen does not occur in the anode electrode portion constituting the fuel electrode. It is possible to prevent shortening of the service life due to deterioration of the electrode member.
本発明に係る第2の燃料電池発電装置は、燃料極から排出される燃料に含まれる未反応の水素のモル数を測定する排出水素量測定手段と、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備するので、本発明に係る第2の燃料電池の運転方法を実施出来、その実施を通じて、より直接的に、燃料極は未反応の水素で充満させることが出来、燃料極を構成するアノード電極部分において局所的な水素のイオン化反応は生じず、燃料電池の長寿命化を図ることが出来る。 The second fuel cell power generator according to the present invention is included in the discharged hydrogen amount measuring means for measuring the number of moles of unreacted hydrogen contained in the fuel discharged from the fuel electrode, and in the air supplied to the air electrode. And a supply oxygen amount control means for controlling the number of moles of oxygen, so that the operation method of the second fuel cell according to the present invention can be implemented, and through the implementation, the fuel electrode is unreacted more directly. It can be filled with hydrogen, and a local ionization reaction of hydrogen does not occur in the anode electrode portion constituting the fuel electrode, so that the life of the fuel cell can be extended.
本発明に係る第3の燃料電池の運転方法によれば、複数のモジュール電池の温度を個別に測定し、それらの間の温度差が一定以下になるように、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御するので、燃料極を構成するアノード電極部分における局所的な水素のイオン化反応を防止出来、電極部材の劣化等による短寿命化を防止出来る。 According to the third fuel cell operation method of the present invention, the temperature of the plurality of module cells is individually measured, and the air supplied to the air electrode is adjusted so that the temperature difference between them is below a certain level. Since the number of moles of oxygen contained is controlled, local ionization reaction of hydrogen in the anode electrode portion constituting the fuel electrode can be prevented, and the life shortening due to deterioration of the electrode member or the like can be prevented.
本発明に係る第3の燃料電池発電装置は、複数のモジュール電池の間の温度差を測定する温度差測定手段と、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備するので、本発明に係る第3の燃料電池の運転方法を実施出来、その実施を通じて、間接的に、燃料極を構成するアノード電極部分における局所的な水素のイオン化反応を防止出来、燃料電池の長寿命化を図ることが出来る。 A third fuel cell power generator according to the present invention includes a temperature difference measuring means for measuring a temperature difference between a plurality of module cells, and a supply oxygen for controlling the number of moles of oxygen contained in the air supplied to the air electrode. The third fuel cell operating method according to the present invention, and indirectly through the implementation, the local hydrogen ionization reaction at the anode electrode portion constituting the fuel electrode. Can be prevented, and the life of the fuel cell can be extended.
本発明に係る第4の燃料電池の運転方法によれば、複数のモジュール電池の電圧を個別に測定し、それらの間の電圧差が一定以下になるように、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御するので、燃料極を構成するアノード電極部分における局所的な水素のイオン化反応を防止出来、電極部材の劣化等による短寿命化を防止出来る。 According to the fourth fuel cell operating method of the present invention, the voltages of the plurality of module cells are individually measured, and the air supplied to the air electrode is adjusted so that the voltage difference between them is less than a certain value. Since the number of moles of oxygen contained is controlled, local ionization reaction of hydrogen in the anode electrode portion constituting the fuel electrode can be prevented, and the life shortening due to deterioration of the electrode member or the like can be prevented.
本発明に係る第4の燃料電池発電装置は、複数のモジュール電池の間の電圧差を測定する電圧差測定手段と、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備するので、本発明に係る第4の燃料電池の運転方法を実施出来、その実施を通じて、間接的に、燃料極を構成するアノード電極部分における局所的な水素のイオン化反応を防止出来、燃料電池の長寿命化を図ることが出来る。 A fourth fuel cell power generator according to the present invention comprises a voltage difference measuring means for measuring a voltage difference between a plurality of module cells, and a supply oxygen for controlling the number of moles of oxygen contained in the air supplied to the air electrode. The fourth fuel cell operation method according to the present invention, and indirectly through the implementation, the local hydrogen ionization reaction in the anode electrode portion constituting the fuel electrode. Can be prevented, and the life of the fuel cell can be extended.
本発明に係る第5の燃料電池の運転方法によれば、単電池の温度を個別に測定し、それらの間の温度差が一定以下になるように、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御するので、燃料極を構成するアノード電極部分における局所的な水素のイオン化反応を防止出来、電極部材の劣化等による短寿命化を防止出来る。 According to the fifth fuel cell operating method of the present invention, the temperatures of the unit cells are individually measured, and the temperature difference between them is included in the air supplied to the air electrode so as to be a certain value or less. Since the number of moles of oxygen is controlled, local ionization reaction of hydrogen in the anode electrode portion constituting the fuel electrode can be prevented, and shortening of the life due to deterioration of the electrode member can be prevented.
本発明に係る第5の燃料電池発電装置は、単電池の間の温度差を測定する温度差測定手段と、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備するので、本発明に係る第5の燃料電池の運転方法を実施出来、その実施を通じて、間接的に、燃料極を構成するアノード電極部分における局所的な水素のイオン化反応を防止出来、燃料電池の長寿命化を図ることが出来る。 The fifth fuel cell power generator according to the present invention includes a temperature difference measuring means for measuring a temperature difference between the cells, and a supply oxygen amount control for controlling the number of moles of oxygen contained in the air supplied to the air electrode. Therefore, the fifth fuel cell operating method according to the present invention can be implemented, and through this implementation, local ionization reaction of hydrogen in the anode electrode portion constituting the fuel electrode is indirectly prevented. And the life of the fuel cell can be extended.
本発明に係る第6の燃料電池の運転方法によれば、単電池の電圧を個別に測定し、それらの間の電圧差が一定以下になるように、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御するので、燃料極を構成するアノード電極部分における局所的な水素のイオン化反応を防止出来、電極部材の劣化等による短寿命化を防止出来る。 According to the sixth method of operating a fuel cell according to the present invention, the voltages of the single cells are individually measured, and are included in the air supplied to the air electrode so that the voltage difference between them is below a certain level. Since the number of moles of oxygen is controlled, local ionization reaction of hydrogen in the anode electrode portion constituting the fuel electrode can be prevented, and shortening of the life due to deterioration of the electrode member or the like can be prevented.
本発明に係る第6の燃料電池発電装置は、単電池の間の電圧差を測定する電圧差測定手段と、空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備するので、本発明に係る第6の燃料電池の運転方法を実施出来、その実施を通じて、間接的に、燃料極を構成するアノード電極部分における局所的な水素のイオン化反応を防止出来、燃料電池の長寿命化を図ることが出来る。 A sixth fuel cell power generator according to the present invention includes a voltage difference measuring means for measuring a voltage difference between the cells, and a supply oxygen amount control for controlling the number of moles of oxygen contained in the air supplied to the air electrode. The sixth fuel cell operating method according to the present invention can be implemented, and through this implementation, a local hydrogen ionization reaction in the anode electrode portion constituting the fuel electrode is indirectly prevented. And the life of the fuel cell can be extended.
本発明に係る燃料電池発電システムは、焼成炉本体で生じた燃焼ガスが有する熱の一部を使用して、改質器で水素を含有する改質ガスを発生させ、改質ガスを燃料電池の燃料として使用して発電し、更に燃料電池から排出される未反応の改質ガスを燃焼手段の燃料として燃焼させることにより、水素を含有する改質ガスを有効利用するとともに、燃焼ガスが有する熱エネルギーの一部を電気エネルギーに変換するため、燃焼ガス中の二酸化炭素含有量を大幅に低減することが出来るとともに、燃料の総使用量を低減することが出来る。又、燃料電池において、改質ガスに含まれる水素と反応する酸素の量を相対的に少なくして、酸素の量が発電の律速になるような運転を行った結果、燃料電池から水素を含有する改質ガスが未反応のまま排出されても無駄にならず、且つ、このような燃料電池の運転を行うことにより、燃料電池の寿命を延ばすことが可能である。 The fuel cell power generation system according to the present invention generates a reformed gas containing hydrogen in a reformer by using a part of heat of combustion gas generated in a firing furnace body, and uses the reformed gas as a fuel cell. As a fuel for generating electricity, the unreacted reformed gas discharged from the fuel cell is burned as the fuel for the combustion means, so that the reformed gas containing hydrogen can be used effectively and the combustion gas has Since a part of the thermal energy is converted into electric energy, the carbon dioxide content in the combustion gas can be greatly reduced, and the total amount of fuel used can be reduced. Also, in the fuel cell, the amount of oxygen that reacts with hydrogen contained in the reformed gas is relatively reduced, and as a result of the operation in which the amount of oxygen becomes the rate-limiting of power generation, hydrogen is contained from the fuel cell. Even if the reformed gas to be discharged is discharged without being reacted, it is possible to extend the life of the fuel cell by operating such a fuel cell.
以下、本発明の実施の形態について、適宜、図面を参酌しながら説明するが、本発明はこれらに限定されて解釈されるべきものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。例えば、図面は、好適な本発明の実施の形態を表すものであるが、本発明は図面に表される態様や図面に示される情報により制限されない。本発明を実施し又は検証する上では、本明細書中に記述されたものと同様の手段若しくは均等な手段が適用され得るが、好適な手段は以下に記述される手段である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. However, the present invention should not be construed as being limited to these, and those skilled in the art will be able to do so without departing from the scope of the present invention. Various changes, modifications and improvements can be made based on the knowledge. For example, the drawings show preferred embodiments of the present invention, but the present invention is not limited by the modes shown in the drawings or the information shown in the drawings. In practicing or verifying the present invention, means similar to or equivalent to those described in the present specification can be applied, but preferred means are those described below.
本発明に係る第1の燃料電池発電装置は、本発明に係る第1の燃料電池の運転方法を実施出来、その実施を通じて効果を発現するものであるが、本発明に係る第1の燃料電池の運転方法は、本発明に係る第1の燃料電池発電装置によってのみ実現し得るわけでなく、第1の燃料電池の運転方法は第1の燃料電池発電装置とは独立して存在する発明である。第2の燃料電池の運転方法と第2の燃料電池発電装置との関係、第3の燃料電池の運転方法と第3の燃料電池発電装置との関係、第4の燃料電池の運転方法と第4の燃料電池発電装置との関係、第5の燃料電池の運転方法と第5の燃料電池発電装置との関係、第6の燃料電池の運転方法と第6の燃料電池発電装置との関係、についても同様である。 The first fuel cell power generator according to the present invention can implement the operation method of the first fuel cell according to the present invention, and exhibits an effect through the implementation. The first fuel cell according to the present invention. This operating method is not only realized by the first fuel cell power generator according to the present invention, and the first fuel cell operating method is an invention that exists independently of the first fuel cell power generator. is there. The relationship between the second fuel cell operating method and the second fuel cell power generator, the relationship between the third fuel cell operating method and the third fuel cell power generator, the fourth fuel cell operating method and the first 4, the relationship between the fuel cell power generation device, the fifth fuel cell operation method and the fifth fuel cell power generation device, the relationship between the sixth fuel cell operation method and the sixth fuel cell power generation device, The same applies to.
本発明に係る第1〜第6の燃料電池の運転方法、及び、本発明に係る第1〜第6の燃料電池発電装置は、燃料電池の形式を限定しない。リン酸型燃料電池、固体高分子型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池、等の各種の燃料電池に適用可能である。前2者の場合には、燃料として高純度な水素が要求されるので、それに適合した燃料を供給する必要があるが、このような条件は、本発明の本質を左右するものではない。本明細書において、水素を主成分として含む燃料、と表現するが、リン酸型燃料電池、固体高分子型燃料電池の場合には、燃料は純度の高い水素のみで構成され、他方、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池においては、水素の占める割合が高い燃料であればよい。 The operation methods of the first to sixth fuel cells according to the present invention and the first to sixth fuel cell power generators according to the present invention do not limit the type of the fuel cell. The present invention can be applied to various fuel cells such as phosphoric acid fuel cells, solid polymer fuel cells, molten carbonate fuel cells, and solid electrolyte fuel cells. In the former two cases, high-purity hydrogen is required as the fuel. Therefore, it is necessary to supply a fuel suitable for this, but such conditions do not affect the essence of the present invention. In the present specification, it is expressed as a fuel containing hydrogen as a main component. However, in the case of a phosphoric acid fuel cell and a solid polymer fuel cell, the fuel is composed only of high-purity hydrogen, and on the other hand, molten carbon dioxide. In the salt type fuel cell and the solid oxide type fuel cell, any fuel that has a high proportion of hydrogen may be used.
図1は、本発明に係る第1〜第6の燃料電池の運転方法に共通する技術的思想を説明するための燃料電池の概略構成図であり、図2は従来の燃料電池の運転方法を説明するための燃料電池の概略構成図である。燃料電池は、水素を主成分として含む燃料が供給される燃料極と酸化剤として空気が供給される空気極との間に電解質を介在させてなるものであり(実際には単電池が複数積層されてなるものであるが図中において省略している)、燃料極に水素が供給されると、水素イオン(H+)と電子(e)に解離し、解離した電子は、外部経路を通って空気極側に移動するとともに、空気極では電解質を通ってきた水素イオンと外部回路からの電子と酸素が反応して水が生成する。このような反応によって電力が発生し、例えば電球へ通電し明るくさせる。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell for explaining a technical idea common to the first to sixth fuel cell operating methods according to the present invention, and FIG. 2 shows a conventional fuel cell operating method. It is a schematic block diagram of the fuel cell for demonstrating. A fuel cell is formed by interposing an electrolyte between a fuel electrode supplied with a fuel containing hydrogen as a main component and an air electrode supplied with air as an oxidant (actually, a plurality of unit cells are stacked). When hydrogen is supplied to the fuel electrode, it dissociates into hydrogen ions (H + ) and electrons (e), and the dissociated electrons pass through an external path. As the air electrode moves to the air electrode side, hydrogen ions that have passed through the electrolyte react with electrons from the external circuit and oxygen to produce water. Electricity is generated by such a reaction, for example, a light bulb is energized and brightened.
本発明に係る第1〜第6の燃料電池の運転方法に共通する技術的思想であり、従来技術に対する貢献を明示する技術的特徴は、酸素の量に対し相対的に充分な量の水素を燃料電池の燃料極へ投入し、燃料電池を電解質及び燃料極に水素を行き渡らせた状態にして、空気極へ水素の量に対し相対的に少量の酸素(空気)を、流量を制御しながら、投入して発電を行うことである(図1参照)。即ち、従来は、酸化剤としての酸素は概ねコストのかからない空気を利用出来るのに対して、燃料たる水素の製造にはコストがかかるため、少しでも水素を無駄にしないために、水素の量に比較して過剰の酸素(空気)を供給して運転していた(図2参照)が、本発明は、水素の量ではなく酸素の量を発電の律速にして、これを制御するところに、特徴がある。燃料電池から、常時、一定量以上の未反応の水素が排出される程に、電解質中に水素イオンが充分に行き渡らせた状態で、水素の量に対し相対的に少量の酸素を投入することによって、局所的な水素のイオン化反応を防止する。 The technical concept common to the operating methods of the first to sixth fuel cells according to the present invention, and the technical feature that clearly shows the contribution to the prior art, is that a sufficient amount of hydrogen is relative to the amount of oxygen. Put the fuel cell in the fuel electrode, let the fuel cell spread through the electrolyte and fuel electrode, and control the flow rate of a relatively small amount of oxygen (air) relative to the amount of hydrogen to the air electrode. , To generate electricity (see FIG. 1). That is, in the past, oxygen as an oxidizer can use air that is generally inexpensive, but the production of hydrogen as a fuel is costly, so in order not to waste any amount of hydrogen, the amount of hydrogen is reduced. Compared to the operation of supplying excess oxygen (air) (see FIG. 2), the present invention controls the amount of oxygen instead of the amount of hydrogen to control the power generation. There are features. A relatively small amount of oxygen should be introduced relative to the amount of hydrogen in a state where hydrogen ions are sufficiently distributed in the electrolyte so that a certain amount or more of unreacted hydrogen is always discharged from the fuel cell. Prevents local ionization of hydrogen.
図4は、本発明に係る第1の燃料電池発電装置の一実施形態を示す概略構成図である。燃料電池40は、燃料極42と空気極43との間に電解質41を介在させてなるものである(実際には単電池が複数積層されてなる)。燃料極42には、水素1を主成分として含む燃料が供給され、空気極43へは、酸化剤として酸素2(空気)が供給される。
FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a first fuel cell power generator according to the present invention. In the
水素1(燃料)の供給系には、例えば燃料流量計11と水素濃度計12と演算装置15で構成される供給水素量測定手段が備わり、燃料極42へ供給される燃料に含まれる水素1のモル数(物質量)を測定する。又、酸素2の供給系には、例えば調節計13(あるいは制御装置)と調節弁14とからなる供給酸素量制御手段が備わり、空気極43へ供給される空気に含まれる酸素2のモル数(物質量)を制御する。通常、空気中の酸素の量は一定しているから、空気の流量を制御することによって、酸素2のモル数を制御することが可能である。
The supply system of hydrogen 1 (fuel) is provided with supply hydrogen amount measuring means including, for example, a
空気極43における反応は(O2+4H++4e→2H2O)であるから、酸素が1モルに対して水素が2モルの反応である。従って、燃料流量計11と水素濃度計12と演算装置15によって測定された燃料極42へ供給される燃料に含まれる水素1のモル数を調節計13へ送り、この水素1のモル数に対して、1/2以下になるように、好ましくは1/2未満になるように、直接的には調節弁14により空気の流量を制御して、空気極43へ供給される空気に含まれる酸素2のモル数を制御すること(本発明に係る第1の燃料電池の運転方法)により、この反応が酸素2によって律せられることになる。反応相手である酸素2がいない水素1は、燃料電池40内に充満し、燃料極42から、未反応水素3として排出される。他方、反応の結果、生成した水4(H2O)も、空気極43から系外へ排出される。
Since the reaction at the
次に、図5は、本発明に係る第2の燃料電池発電装置の一実施形態を示す概略構成図である。燃料電池50は、燃料極42と空気極43との間に電解質41を介在させてなるものである(実際には単電池が複数積層されてなる)。燃料極42には、水素1を主成分として含む燃料が供給され、燃料極42から、未反応水素3を含む未使用の燃料が排出される。空気極43へは、酸化剤として酸素2(空気)が供給され、空気極43からは、反応(O2+4H++4e→2H2O)の結果、生成した水4(H2O)が排出される。
Next, FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a second fuel cell power generator according to the present invention. The
未反応水素3(未使用燃料)の排出系には、例えば未使用燃料流量計21と水素濃度計22と演算装置45で構成される排出水素量測定手段が備わり、燃料極42から排出される未使用燃料に含まれる未反応水素3のモル数(物質量)を測定する。又、酸素2の供給系には、例えば調節計23(あるいは制御装置)と調節弁14とからなる供給酸素量制御手段が備わり、空気極43へ供給される空気に含まれる酸素2のモル数(物質量)を制御する。通常、空気中の酸素の量は一定しているから、空気の流量を制御することによって、酸素2のモル数を制御することが可能である。
The discharge system of the unreacted hydrogen 3 (unused fuel) is provided with a discharge hydrogen amount measuring means including, for example, an unused
燃料電池50において、未反応水素3のモル数が一定以上、検出される状態を維持することは、即ち、反応相手である酸素2がいない水素1を燃料電池50内に充満させていることを、間接的に、確認することになる。従って、未使用燃料流量計21と水素濃度計22と演算装置45によって測定された燃料極42から排出される未使用燃料に含まれる未反応水素3のモル数を調節計23へ送り、この未反応水素3のモル数が一定以上になるように、直接的には調節弁14により空気の流量を制御して、空気極43へ供給される空気に含まれる酸素2のモル数を制御すること(本発明に係る第2の燃料電池の運転方法)により、局所的な水素のイオン化反応が防止される。尚、未反応水素3のモル数にかかる一定以上の一定とは、0ではない量であって限定されるものではなく、排出水素量測定手段を構成する機器等の精度を考慮して、任意に決めればよい数値である。
In the
次に、図6は、本発明に係る第3の燃料電池発電装置の一実施形態を示す概略構成図である。燃料電池60は、燃料極52と空気極53との間に電解質51を介在させてなるモジュール電池80が複数(本例では3つ)備わるものである(実際にはモジュール電池は更に単電池が複数積層されてなる)。各モジュール電池80の各燃料極52には、水素1を主成分として含む燃料が供給され、各燃料極52から、未反応水素3を含む未使用の燃料が排出される。各空気極53へは、酸化剤として酸素2(空気)が供給され、各空気極53からは、反応(O2+4H++4e→2H2O)の結果、生成した水4(H2O)が排出される。
Next, FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a third fuel cell power generator according to the present invention. The
モジュール電池80の各々には、それぞれの温度を測定する温度計31,32,33と演算装置26とで構成される温度差測定手段が備わる。又、酸素2の供給系には、例えば調節計24(あるいは制御装置)と、各モジュール電池80の各空気極53への系ごとに設けられた複数の(本例では3つ)調節弁14とからなる供給酸素量制御手段が備わり、各空気極53へ供給される空気に含まれる酸素2のモル数(物質量)を制御する。通常、空気中の酸素の量は一定しているから、空気の流量を制御することによって、酸素2のモル数を制御することが可能である。
Each of the
燃料電池60において、局所的な水素のイオン化反応が生じると、そこに電流が集中する結果、温度が上昇する。即ち、複数のモジュール電池80の間の温度差が一定以下になるような状態を維持することは、局所的な水素のイオン化反応が起きていないことを、間接的に、確認することになる。従って、温度計31,32,33と演算装置26によって測定されたモジュール電池80間の温度差を調節計24へ送り、この温度差が一定以下になるように、直接的には各調節弁14により空気の流量を制御して、何れかの空気極53へ供給される空気に含まれる酸素2のモル数を制御すること(本発明に係る第3の燃料電池の運転方法)により、局所的な水素のイオン化反応が防止される。
In the
尚、複数のモジュール電池80の間の温度差にかかる一定以下の一定とは、運転経験上決定される数値であって限定されるものではなく、その燃料電池の安定運転時におけるモジュール電池の間の最大温度差を考慮して決められる数値である。温度差が一定以下になるという判断は、単に複数のモジュール電池80の間の温度差を測るのではなく、複数のモジュール電池80の平均温度を求め、その平均値からの偏差が大きいモジュール電池80を対象として、空気の流量を制御する等の対応を行うことが可能である。更に、複数のモジュール電池80の間の温度差を計測するのではなく、単電池の温度を個別に測定し、それらの間の温度差を求め、各単電池ごとに、供給される空気に含まれる酸素2のモル数を制御することが出来る(本発明に係る第5の燃料電池の運転方法)。
The constant value below a certain value related to the temperature difference between the plurality of
次に、図7は、本発明に係る第4の燃料電池発電装置の一実施形態を示す概略構成図である。燃料電池70は、燃料極52と空気極53との間に電解質51を介在させてなるモジュール電池80が複数(本例では3つ)備わるものである(実際にはモジュール電池は更に単電池が複数積層されてなる)。各モジュール電池80の各燃料極52には、水素1を主成分として含む燃料が供給され、各燃料極52から、未反応水素3を含む未使用の燃料が排出される。各空気極53へは、酸化剤として酸素2(空気)が供給され、各空気極53からは、反応(O2+4H++4e→2H2O)の結果、生成した水4(H2O)が排出される。
Next, FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a fourth fuel cell power generator according to the present invention. The
モジュール電池80の各々には、それぞれの電圧を測定する電圧計34,35,36と演算装置27とで構成される電圧差測定手段が備わる。又、酸素2の供給系には、例えば調節計25(あるいは制御装置)と、各モジュール電池80の各空気極53への系ごとに設けられた複数の(本例では3つ)調節弁14とからなる供給酸素量制御手段が備わり、各空気極53へ供給される空気に含まれる酸素2のモル数(物質量)を制御する。通常、空気中の酸素の量は一定しているから、空気の流量を制御することによって、酸素2のモル数を制御することが可能である。
Each of the
燃料電池70において、局所的な水素のイオン化反応が生じると、該当するモジュール電池80の電圧が上昇する。即ち、複数のモジュール電池80の間の電圧差が一定以下になるような状態を維持することは、局所的な水素のイオン化反応が起きていないことを、間接的に、確認することになる。従って、電圧計34,35,36と演算装置27によって測定されたモジュール電池80間の電圧差を調節計25へ送り、この電圧差が一定以下になるように、直接的には各調節弁14により空気の流量を制御して、何れかの空気極53へ供給される空気に含まれる酸素2のモル数を制御すること(本発明に係る第4の燃料電池の運転方法)により、局所的な水素のイオン化反応が防止される。
When a local hydrogen ionization reaction occurs in the
尚、複数のモジュール電池80の間の電圧差にかかる一定以下の一定とは、運転経験上決定される数値であって限定されるものではなく、その燃料電池の安定運転時におけるモジュール電池の間の最大電圧差を考慮して決められる数値である。電圧差が一定以下になるという判断は、単に複数のモジュール電池80の間の電圧差を測るのではなく、複数のモジュール電池80の平均電圧を求め、その平均値からの偏差が大きいモジュール電池80を対象として、空気の流量を制御する等の対応を行うことが可能である。更に、複数のモジュール電池80の間の電圧差を計測するのではなく、単電池の電圧を個別に測定し、それらの間の電圧差を求め、各単電池ごとに、供給される空気に含まれる酸素2のモル数を制御することが出来る(本発明に係る第6の燃料電池の運転方法)。
The constant value below a certain value related to the voltage difference between the plurality of
以上、本発明に係る第1〜第6の燃料電池の運転方法、及び、本発明に係る第1〜第6の燃料電池発電装置について説明したが、これらの発明では、燃料電池の長寿命化が図れるが、従来より未反応水素(未使用燃料)が増加することになるので、これを有効利用することが必要である。以下、未反応水素を有効に利用可能な燃料電池発電システムについて説明する。 The first to sixth fuel cell operating methods according to the present invention and the first to sixth fuel cell power generators according to the present invention have been described above. In these inventions, the life of the fuel cell is extended. However, since unreacted hydrogen (unused fuel) will increase compared to the prior art, it is necessary to make effective use of this. Hereinafter, a fuel cell power generation system capable of effectively using unreacted hydrogen will be described.
図3は、本発明に係る燃料電池発電システムの一実施形態を示す概略構成図である。燃料電池発電システムは、燃料電池の他に、焼成炉、改質器、及び水素分離器で構成される。尚、水素分離器は、燃料電池として、高純度の水素が必要とされるリン酸型燃料電池又は固体高分子型燃料電池を採用する場合に必要になるものであり、溶融炭酸塩型燃料電池又は固体電解質型燃料電池を採用する場合には省略出来る。 FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a fuel cell power generation system according to the present invention. The fuel cell power generation system includes a firing furnace, a reformer, and a hydrogen separator in addition to the fuel cell. The hydrogen separator is required when a phosphoric acid fuel cell or a solid polymer fuel cell that requires high-purity hydrogen is used as the fuel cell, and is a molten carbonate fuel cell. Alternatively, it can be omitted when a solid oxide fuel cell is employed.
焼成炉は、焼成炉本体と燃焼手段とを有し、燃焼手段によってメタンを含む燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させるとともに、その燃焼ガスによって焼成炉本体に搬入された被焼成体を焼成して製品を得ることが出来るものである。改質器にはメタン改質触媒が充填されていて、このメタン改質触媒に、メタンを含む燃料と(図示しない)水蒸気とからなる改質原料を、焼成炉の燃焼によって生じた排熱を利用して加熱しながら接触させ、これらの反応を生じさせ、水素及び二酸化炭素からなる改質ガスを生成する。水素分離器は、この改質ガスを受け入れ、この中の水素を選択的に分離して、水素を主成分とする燃料と、二酸化炭素を含有する残ガスと、に分離する。 The firing furnace has a firing furnace main body and combustion means, burns fuel containing methane by the combustion means to generate combustion gas, and fires the object to be fired carried into the firing furnace main body with the combustion gas. The product can be obtained. The reformer is filled with a methane reforming catalyst. The reforming raw material consisting of a fuel containing methane and water vapor (not shown) is added to the methane reforming catalyst, and the exhaust heat generated by the combustion of the firing furnace is removed. Utilizing and contacting with heating, these reactions are caused to produce a reformed gas composed of hydrogen and carbon dioxide. The hydrogen separator receives the reformed gas, selectively separates the hydrogen therein, and separates it into a fuel containing hydrogen as a main component and a residual gas containing carbon dioxide.
燃料電池は、水素分離器で得られた純度の高い水素を燃料として受け入れ、本発明に係る燃料電池の運転方法で運転されながら、発電し、電気エネルギーを生み出す。燃料電池は、本発明に係る燃料電池の運転方法で運転される結果として、未反応水素を従来より多く生じるから、これを、上記した水素分離器で生じた残ガスとともに、焼成炉へ送り、燃焼手段の燃料として使用する。 The fuel cell receives high-purity hydrogen obtained in the hydrogen separator as fuel, and generates electric power and generates electric energy while being operated by the operation method of the fuel cell according to the present invention. As a result of the fuel cell being operated by the fuel cell operation method according to the present invention, more unreacted hydrogen is generated than before, and this is sent to the firing furnace together with the residual gas generated in the hydrogen separator, Used as fuel for combustion means.
即ち、本発明に係る燃料電池発電システムにおいては、燃料電池を本発明に係る燃料電池の運転方法で運転した結果として生じた未反応水素が、水素分離器で生じた残ガスとともに有効利用され、環境負荷の増大とならない。又、焼成炉の燃焼によって生じた排熱を利用して改質ガスを生成し、更に水素を生み出すので、焼成炉で生じた燃焼ガスが有する熱エネルギーが有効に使用され、環境負荷の増大にならず、高価値な電気エネルギーに変換される。 That is, in the fuel cell power generation system according to the present invention, unreacted hydrogen generated as a result of operating the fuel cell by the fuel cell operation method according to the present invention is effectively utilized together with the residual gas generated in the hydrogen separator, Does not increase the environmental load. In addition, the reformed gas is generated using the exhaust heat generated by the combustion of the firing furnace, and further hydrogen is generated. Therefore, the thermal energy of the combustion gas generated in the firing furnace is effectively used, which increases the environmental load. Instead, it is converted into high-value electric energy.
本発明に係る燃料電池の運転方法は、自動車用燃料電池、家庭用燃料電池、工場用燃料電池、等を含む全ての燃料電池を運転する方法として好適である。 The fuel cell operating method according to the present invention is suitable as a method for operating all fuel cells including automobile fuel cells, household fuel cells, factory fuel cells, and the like.
1…水素、2…酸素、3…未反応水素、4…水、11…燃料流量計、12…水素濃度計、13…調節計、14…調節弁、15…演算装置、21…未使用燃料流量計、22…水素濃度計、23…調節計、24…調節計、25…調節計、26…演算装置、27…演算装置、31,32,33…温度計、34,35,36…電圧計、40…燃料電池、41…電解質、42…燃料極、43…空気極、45…演算装置、50…燃料電池、51…電解質、52…燃料極、53…空気極、60…燃料電池、70…燃料電池、80…モジュール電池。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Hydrogen, 2 ... Oxygen, 3 ... Unreacted hydrogen, 4 ... Water, 11 ... Fuel flow meter, 12 ... Hydrogen concentration meter, 13 ... Controller, 14 ... Control valve, 15 ... Arithmetic unit, 21 ... Unused fuel Flow meter, 22 ... hydrogen concentration meter, 23 ... controller, 24 ... controller, 25 ... controller, 26 ... arithmetic device, 27 ... arithmetic device, 31, 32, 33 ... thermometer, 34, 35, 36 ...
Claims (14)
前記燃料極へ供給される燃料に含まれる水素のモル数に対して1/2以下になるように、前記空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する燃料電池の運転方法。 A method of operating a fuel cell in which a plurality of unit cells each having an electrolyte interposed between a fuel electrode supplied with a fuel containing hydrogen as a main component and an air electrode supplied with air as an oxidant are stacked Because
A method of operating a fuel cell, wherein the number of moles of oxygen contained in air supplied to the air electrode is controlled to be ½ or less of the number of moles of hydrogen contained in fuel supplied to the fuel electrode. .
前記燃料極から排出される燃料に含まれる未反応の水素のモル数が一定以上になるように、前記空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する燃料電池の運転方法。 A method of operating a fuel cell in which a plurality of unit cells each having an electrolyte interposed between a fuel electrode supplied with a fuel containing hydrogen as a main component and an air electrode supplied with air as an oxidant are stacked Because
A method for operating a fuel cell, wherein the number of moles of oxygen contained in the air supplied to the air electrode is controlled so that the number of moles of unreacted hydrogen contained in the fuel discharged from the fuel electrode becomes a certain value or more.
前記複数のモジュール電池の温度を個別に測定し、それらの間の温度差が一定以下になるように、前記空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する燃料電池の運転方法。 Between the fuel electrode supplied with fuel containing hydrogen as a main component and the air electrode supplied with air as an oxidant, a plurality of unit cells interposing an electrolyte constitute a module battery, A method of operating a fuel cell configured by connecting a plurality of the module cells,
A method of operating a fuel cell, wherein the temperature of the plurality of module cells is individually measured, and the number of moles of oxygen contained in the air supplied to the air electrode is controlled so that the temperature difference between them is less than a certain value. .
前記複数のモジュール電池の電圧を個別に測定し、それらの間の電圧差が一定以下になるように、前記空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する燃料電池の運転方法。 A plurality of unit cells having an electrolyte interposed between a fuel electrode supplied with a fuel containing hydrogen as a main component and an air electrode supplied with air as an oxidant constitute a module battery, A method of operating a fuel cell configured by connecting a plurality of module cells,
A method of operating a fuel cell, wherein the voltage of the plurality of module cells is individually measured, and the number of moles of oxygen contained in the air supplied to the air electrode is controlled so that the voltage difference between them is less than a certain value. .
前記単電池の温度を個別に測定し、それらの間の温度差が一定以下になるように、前記空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する燃料電池の運転方法。 A method of operating a fuel cell in which a plurality of unit cells each having an electrolyte interposed between a fuel electrode supplied with a fuel containing hydrogen as a main component and an air electrode supplied with air as an oxidant are stacked Because
A method of operating a fuel cell, wherein the temperature of the unit cells is individually measured, and the number of moles of oxygen contained in the air supplied to the air electrode is controlled so that the temperature difference between them is below a certain level.
前記単電池の電圧を個別に測定し、それらの間の電圧差が一定以下になるように、前記空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する燃料電池の運転方法。 A method of operating a fuel cell in which a plurality of unit cells each having an electrolyte interposed between a fuel electrode supplied with a fuel containing hydrogen as a main component and an air electrode supplied with air as an oxidant are stacked Because
A method for operating a fuel cell, wherein the voltage of the unit cell is individually measured, and the number of moles of oxygen contained in the air supplied to the air electrode is controlled so that the voltage difference between them is less than a certain value.
前記燃料極へ供給される燃料に含まれる水素のモル数を測定する供給水素量測定手段と、前記空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備する燃料電池発電装置。 A fuel cell in which a plurality of unit cells each having an electrolyte interposed between a fuel electrode supplied with a fuel containing hydrogen as a main component and an air electrode supplied with air as an oxidant are stacked;
Supply hydrogen amount measurement means for measuring the number of moles of hydrogen contained in the fuel supplied to the fuel electrode; supply oxygen amount control means for controlling the number of moles of oxygen contained in the air supplied to the air electrode; A fuel cell power generator comprising:
前記燃料極から排出される燃料に含まれる未反応の水素のモル数を測定する排出水素量測定手段と、前記空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備する燃料電池発電装置。 A fuel cell in which a plurality of unit cells each having an electrolyte interposed between a fuel electrode supplied with a fuel containing hydrogen as a main component and an air electrode supplied with air as an oxidant are stacked;
Exhaust hydrogen amount measuring means for measuring the number of moles of unreacted hydrogen contained in the fuel discharged from the fuel electrode, and supply oxygen amount control for controlling the number of moles of oxygen contained in the air supplied to the air electrode And a fuel cell power generator.
前記複数のモジュール電池の間の温度差を測定する温度差測定手段と、前記空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備する燃料電池発電装置。 Between the fuel electrode supplied with fuel containing hydrogen as a main component and the air electrode supplied with air as an oxidant, a plurality of unit cells interposing an electrolyte constitute a module battery, A fuel cell configured by connecting a plurality of the module cells; and
Fuel cell power generation comprising temperature difference measuring means for measuring temperature differences between the plurality of module batteries, and supply oxygen amount control means for controlling the number of moles of oxygen contained in the air supplied to the air electrode apparatus.
前記複数のモジュール電池の間の電圧差を測定する電圧差測定手段と、前記空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備する燃料電池発電装置。 Between the fuel electrode supplied with fuel containing hydrogen as a main component and the air electrode supplied with air as an oxidant, a plurality of unit cells interposing an electrolyte constitute a module battery, A fuel cell configured by connecting a plurality of the module cells; and
A fuel cell power generation comprising: a voltage difference measuring means for measuring a voltage difference between the plurality of module batteries; and a supply oxygen amount control means for controlling the number of moles of oxygen contained in the air supplied to the air electrode. apparatus.
前記単電池の間の温度差を測定する温度差測定手段と、前記空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備する燃料電池発電装置。 A fuel cell in which a plurality of cells each having an electrolyte interposed are connected between a fuel electrode supplied with a fuel containing hydrogen as a main component and an air electrode supplied with air as an oxidant;
A fuel cell power generator comprising: a temperature difference measuring unit that measures a temperature difference between the unit cells; and a supply oxygen amount control unit that controls the number of moles of oxygen contained in the air supplied to the air electrode.
前記単電池の間の電圧差を測定する電圧差測定手段と、前記空気極へ供給される空気に含まれる酸素のモル数を制御する供給酸素量制御手段と、を具備する燃料電池発電装置。 A fuel cell in which a plurality of cells each having an electrolyte interposed are connected between a fuel electrode supplied with a fuel containing hydrogen as a main component and an air electrode supplied with air as an oxidant;
A fuel cell power generator comprising: a voltage difference measuring unit that measures a voltage difference between the unit cells; and a supply oxygen amount control unit that controls the number of moles of oxygen contained in the air supplied to the air electrode.
メタン改質触媒が内部に充填され、そこに流入した前記メタンを含む燃料と水蒸気とからなる改質原料を加熱しながら前記メタン改質触媒に接触させることにより、前記改質原料の中の前記メタンと前記水蒸気とを反応させて、水素及び二酸化炭素からなる改質ガスを生成させる改質器と、
請求項7〜12の何れか一項に記載の燃料電池発電装置と、を具備し、
前記焼成炉本体で生じた前記燃焼ガスが有する排熱を使用して、前記改質器で前記水素を含有する改質ガスを発生させ、前記改質ガスを前記燃料電池の燃料として使用して発電し、更に前記燃料電池から排出される未反応の改質ガスを前記燃焼手段の燃料として燃焼させることにより、水素を含有する改質ガスを有効利用するとともに、前記燃焼ガスが有する熱エネルギーの一部を電気エネルギーに変換する燃料電池発電システム。 A firing furnace comprising: combustion means for burning a fuel containing methane to generate combustion gas; and a firing furnace body for firing a body to be fired carried into the interior by the combustion gas;
The methane reforming catalyst is filled inside, and by contacting the methane reforming catalyst while heating the reforming raw material composed of the fuel containing methane and the steam that has flowed into the methane reforming catalyst, A reformer that reacts methane with the water vapor to generate a reformed gas composed of hydrogen and carbon dioxide;
A fuel cell power generator according to any one of claims 7 to 12, and
Using the exhaust heat of the combustion gas generated in the firing furnace body, the reformer generates the reformed gas containing the hydrogen, and uses the reformed gas as fuel for the fuel cell. By generating electric power and burning unreacted reformed gas discharged from the fuel cell as fuel for the combustion means, the reformed gas containing hydrogen can be used effectively, and the thermal energy of the combustion gas can be increased. A fuel cell power generation system that converts part of it into electrical energy.
前記改質器で発生させた前記水素を含有する前記改質ガスを、前記水素分離器により、水素と二酸化炭素に分離し、前記改質ガスの代わりに前記水素を前記燃料電池の燃料として使用して発電し、更に前記燃料電池から排出される未反応の水素を前記燃焼手段の燃料として燃焼させることにより、水素を有効利用するとともに、前記燃焼ガスが有する熱エネルギーの一部を電気エネルギーに変換する請求項13に記載の燃料電池発電システム。 A hydrogen separator that selectively separates the hydrogen in the reformed gas produced by the reformer and separates it into a fuel containing hydrogen as a main component and a residual gas containing carbon dioxide; ,
The reformed gas containing the hydrogen generated in the reformer is separated into hydrogen and carbon dioxide by the hydrogen separator, and the hydrogen is used as fuel for the fuel cell instead of the reformed gas. In addition, the unreacted hydrogen discharged from the fuel cell is combusted as fuel for the combustion means, thereby effectively using hydrogen and converting a part of the thermal energy of the combustion gas into electrical energy. The fuel cell power generation system according to claim 13 to be converted.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004122738A JP2005310430A (en) | 2004-04-19 | 2004-04-19 | Operation method of fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2004122738A JP2005310430A (en) | 2004-04-19 | 2004-04-19 | Operation method of fuel cell |
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JP2005310430A true JP2005310430A (en) | 2005-11-04 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2004122738A Abandoned JP2005310430A (en) | 2004-04-19 | 2004-04-19 | Operation method of fuel cell |
Country Status (1)
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JP (1) | JP2005310430A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012530350A (en) * | 2009-06-16 | 2012-11-29 | シエル・インターナシヨナル・リサーチ・マートスハツペイ・ベー・ヴエー | System and method for operating a fuel cell system |
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2004
- 2004-04-19 JP JP2004122738A patent/JP2005310430A/en not_active Abandoned
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2012530350A (en) * | 2009-06-16 | 2012-11-29 | シエル・インターナシヨナル・リサーチ・マートスハツペイ・ベー・ヴエー | System and method for operating a fuel cell system |
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