JP2007080761A - Fuel cell and its starting method - Google Patents

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Hisafumi Kotani
尚史 小谷
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Kansai Electric Power Co Inc
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Kansai Electric Power Co Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell and its starting method capable of quickly starting the fuel cell. <P>SOLUTION: The fuel cell 1 includes a steam generator 20, a fuel reformer 30 for steam-reforming hydrocarbon fuel, and a fuel cell stack 3 for causing power generation reaction with reformed gas supplied from the fuel reformer 30 and supplied oxidant gas. The steam generator 20 includes a heat exchanger 21 using exhaust gas from the fuel cell stack 3 as a heat source, and a combustion means for burning unburned gas in the exhaust gas in starting is installed in an exhaust gas passage of the heat exchanger 21. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、原燃料ガスを水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池、およびその起動方法に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell that generates power by supplying a fuel gas obtained by steam reforming raw fuel gas and an oxidant gas, and a starting method thereof.

近年、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池は、高効率でクリーンな発電装置として注目されている。特に、固体酸化物形燃料電池は、発電効率が高く、且つ、他の燃料電池と比べて作動温度が高いため排熱を有効に利用できるなどの多くの利点を有することから、第三世代の発電用燃料電池として研究開発が進めらている。   In recent years, fuel cells that directly convert chemical energy of fuel into electrical energy have attracted attention as highly efficient and clean power generators. In particular, the solid oxide fuel cell has a number of advantages such as high power generation efficiency and high operating temperature compared to other fuel cells, so that exhaust heat can be effectively used. Research and development is progressing as a fuel cell for power generation.

この固体酸化物形燃料電池は、酸化物イオン導電体から成る固体電解質層を両側から空気極層(カソード)と燃料極層(アノード)で挟み込んだ積層構造を有し、発電時には、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガス(酸素) が、また燃料極層側に燃料ガス (H2、CO等) が供給される。空気極層と燃料極層は、反応用ガスが固体電解質層との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされている。 This solid oxide fuel cell has a laminated structure in which a solid electrolyte layer made of an oxide ion conductor is sandwiched between an air electrode layer (cathode) and a fuel electrode layer (anode) from both sides. As described above, an oxidant gas (oxygen) is supplied to the air electrode layer side, and a fuel gas (H 2 , CO, etc.) is supplied to the fuel electrode layer side. The air electrode layer and the fuel electrode layer are both porous layers so that the reaction gas can reach the interface with the solid electrolyte layer.

発電セル内において、空気極層側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン(O2-)にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動して燃料極層との界面近傍に到達し、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物(H2O、CO2等)を生じ、燃料極層に電子を放出する。電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。 In the power generation cell, oxygen supplied to the air electrode layer passes through the pores in the air electrode layer and reaches the vicinity of the interface with the solid electrolyte layer. It is ionized to (O 2− ). This oxide ion diffuses and moves in the solid electrolyte layer toward the fuel electrode layer and reaches the vicinity of the interface with the fuel electrode layer, where it reacts with the fuel gas to produce reaction products (H 2 O, produce CO 2, etc.), releasing electrons to the fuel electrode layer. Electrons generated by the electrode reaction can be taken out as an electromotive force at an external load on another route.

ところで、燃料電池の運転(発電)を開始する際は、起動時に燃料電池スタックを予め何らかの加熱装置により作動温度(例えば、固体酸化物形燃料電池の場合では、650以上)に昇温する必要がある。これは、発電セルの発電反応を活性化するためであり、予熱のための加熱装置として通常電気ヒータやバーナ等が用いられる。
尚、燃料電池起動時の予熱・昇温に関する技術として、例えば、特許文献1が開示されている。
特開2002−124288号公報
By the way, when starting the operation (power generation) of the fuel cell, it is necessary to raise the temperature of the fuel cell stack to an operating temperature (for example, 650 or more in the case of a solid oxide fuel cell) in advance by some heating device at the time of startup. is there. This is for activating the power generation reaction of the power generation cell, and usually an electric heater, a burner, or the like is used as a heating device for preheating.
For example, Patent Literature 1 is disclosed as a technology related to preheating and temperature rise at the start of the fuel cell.
JP 2002-124288 A

ところで、起動の際に燃料電池スタックを昇温する場合、従来は、燃料電池スタックの周辺に上述した電気ヒータやバーナ等の加熱装置を配置し、これら加熱装置からの輻射熱によりスタック表面を外部から加熱する方法が行われていた。しかしながら、このような輻射熱を利用した予熱方法は、昇温に時間がかかり、定格発電が可能な状態になるまでに長時間を要する(例えば、5時間以上)という問題があった。   By the way, when the temperature of the fuel cell stack is raised at the time of startup, conventionally, a heating device such as the above-described electric heater or burner is disposed around the fuel cell stack, and the stack surface is externally exposed by radiant heat from these heating devices. A method of heating was performed. However, such a preheating method using radiant heat has a problem that it takes time to raise the temperature, and it takes a long time (for example, 5 hours or more) until the rated power generation is possible.

特に、排ガスを発電セルの外周部より放出するシールレス構造の燃料電池では、起動と同時に発電セルに燃料ガスを供給すると共に、スタックより排出される排ガス、すなわち、発電反応に使用されなかった未燃ガスをスタック周辺で燃焼して、上記加熱装置からの輻射熱とともにこの未燃ガスの燃焼熱を燃料電池スタックの昇温に利用することにより、起動時間を短縮することも行われているが、燃料ガスとして都市ガス等の炭化水素系燃料を使用すると、排ガス燃焼時に300℃以上の雰囲気下で炭素の析出が発生することから、無闇に多量の燃料ガスを供給することはできず、燃料ガスは徐々に供給する必要があった。このため、排ガスの燃焼熱による昇温効果は余り望めず、このことが、起動時間を短縮する際の大きな障害となっていた。
燃焼時の炭素析出を防止するには、炭化水素系燃料に水蒸気を混合させれば良いことが知られている。通常、燃料電池は排ガスを熱源とする水蒸気発生器を備えているが、炭素析出が生じない300℃以下の雰囲気下では、水蒸気発生器において水蒸気の安定した生成は困難である。
In particular, in a fuel cell with a sealless structure that discharges exhaust gas from the outer periphery of the power generation cell, fuel gas is supplied to the power generation cell at the same time as startup, and exhaust gas discharged from the stack, that is, not used for power generation reaction. Combustion gas is burned around the stack, and by using the combustion heat of the unburned gas together with the radiant heat from the heating device to raise the temperature of the fuel cell stack, the startup time is also shortened. When a hydrocarbon-based fuel such as city gas is used as the fuel gas, carbon deposition occurs in an atmosphere of 300 ° C. or higher during exhaust gas combustion, so a large amount of fuel gas cannot be supplied without darkness. Needed to be gradually supplied. For this reason, the temperature rising effect due to the combustion heat of the exhaust gas cannot be expected so much, which has been a major obstacle to shortening the startup time.
In order to prevent carbon deposition during combustion, it is known that water vapor may be mixed with a hydrocarbon fuel. Normally, a fuel cell includes a water vapor generator using exhaust gas as a heat source, but it is difficult to stably generate water vapor in the water vapor generator under an atmosphere of 300 ° C. or lower where carbon deposition does not occur.

本発明は、このような起動時の問題に鑑み成されたもので、起動時に排ガス(未燃ガス)の燃焼熱により水蒸気発生器を加熱し、起動直後より当水蒸気発生器にて水蒸気を生成することにより、上記炭素析出の問題を解消して急速起動を可能とした燃料電池およびその起動方法を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of such problems at the time of start-up. At the time of start-up, the steam generator is heated by the combustion heat of the exhaust gas (unburned gas), and steam is generated by the steam generator immediately after start-up. Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell and a starting method thereof that can solve the above-described problem of carbon deposition and enable rapid start-up.

すなわち、請求項1に記載の本発明は、水蒸気発生器と、炭化水素系燃料を水蒸気改質する燃料改質器と、この燃料改質器からの改質ガスと酸化剤ガスとを供給して発電反応を生じさせる燃料電池スタックとを備えた燃料電池において、前記水蒸気発生器は、前記燃料電池スタックからの排ガスを熱源とする熱交換器を備え、且つ、この熱交換器の排ガス流路に、起動時に排ガス中の未燃ガスを燃焼するための燃焼手段を設けたことを特徴としている。   That is, the present invention described in claim 1 supplies a steam generator, a fuel reformer for steam reforming a hydrocarbon-based fuel, and a reformed gas and an oxidant gas from the fuel reformer. And a fuel cell stack that generates a power generation reaction, wherein the steam generator includes a heat exchanger that uses exhaust gas from the fuel cell stack as a heat source, and an exhaust gas flow path of the heat exchanger. Further, it is characterized in that a combustion means for burning unburned gas in the exhaust gas at the time of startup is provided.

また、請求項2に記載の本発明は、請求項1に記載の燃料電池において、前記燃焼手段として燃焼触媒を用いたことを特徴としている。   The present invention described in claim 2 is characterized in that, in the fuel cell described in claim 1, a combustion catalyst is used as the combustion means.

また、請求項3に記載の本発明は、請求項1または請求項2の何れかに記載の燃料電池において、前記燃料電池は、排ガスを前記発電セルの外周部より放出するシールレス構造の固定酸化物形燃料電池であることを特徴としている。   According to a third aspect of the present invention, there is provided the fuel cell according to the first or second aspect, wherein the fuel cell is fixed with a sealless structure that discharges exhaust gas from the outer periphery of the power generation cell. It is an oxide fuel cell.

また、請求項4に記載の本発明は、請求項1から請求項3までの何れかに記載の燃料電池の起動方法であって、起動の際の昇温時に、前記燃料電池スタックを加熱装置にて加熱すると共に、当該燃料電池スタック内に炭化水素燃料と酸化剤ガスを供給し、前記燃焼手段により前記未燃ガスを燃焼して前記熱交換器を加熱すると共に、熱交換器にて発生した水蒸気を炭化水素系燃料とともに前記燃料改質器に導入することを特徴としている。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the fuel cell starting method according to any one of the first to third aspects, wherein the fuel cell stack is heated when the temperature rises at the time of starting. In addition to heating in the fuel cell stack, hydrocarbon fuel and oxidant gas are supplied into the fuel cell stack, the unburned gas is burned by the combustion means to heat the heat exchanger, and generated in the heat exchanger The steam is introduced into the fuel reformer together with the hydrocarbon fuel.

本発明によれば、水蒸気発生器の熱交換器に燃料手段を設け、起動時に排ガスを燃焼して熱交換器を加熱し、水蒸気を生成するようにしたので、起動直後から燃料改質器に炭化水素系燃料とともに十分な水蒸気を供給することが可能となり、この水蒸気により、燃料電池スタック外において排ガス(未燃ガス)が燃焼する際の炭素析出を防止することができると共に、改質により生じた水素により未燃ガスがより迅速に燃焼することにより、燃料電池スタックを短時間で昇温することができるようになり、よって、急速起動が可能となる。   According to the present invention, the fuel means is provided in the heat exchanger of the steam generator, the exhaust gas is burned at the time of start-up, the heat exchanger is heated, and steam is generated. Sufficient water vapor can be supplied together with the hydrocarbon-based fuel, and this water vapor prevents carbon deposition when the exhaust gas (unburned gas) burns outside the fuel cell stack, and is also generated by reforming. As the unburned gas is burned more quickly by hydrogen, the temperature of the fuel cell stack can be raised in a short time, and thus rapid start-up becomes possible.

以下、図1〜図3に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図1は本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部概略構成を示し、図2は水蒸気発生器の内部構造を示し、図3は燃料電池スタックの要部構成を示している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 shows an internal schematic configuration of a solid oxide fuel cell to which the present invention is applied, FIG. 2 shows an internal structure of a steam generator, and FIG. 3 shows a main configuration of the fuel cell stack.

図1において、符号1は固体酸化物形燃料電池(燃料電池モジュール)、符号2は内壁に断熱材(図示せず)を付装したハウジング(缶体)、符号3は積層方向を縦にした状態でハウジング2の内部に設置した燃料電池スタックである。   In FIG. 1, reference numeral 1 is a solid oxide fuel cell (fuel cell module), reference numeral 2 is a housing (can body) provided with a heat insulating material (not shown) on the inner wall, and reference numeral 3 is a stacking direction vertical. It is the fuel cell stack installed inside the housing 2 in a state.

この燃料電池スタック3は、図3に示すように、固体電解質層4の両面に燃料極層5および空気極層6を配した発電セル7と、燃料極層5の外側の燃料極集電体8と、空気極層6の外側の空気極集電体9と、各集電体8、9の外側のセパレータ10を順番に多数積層した構造を有する。   As shown in FIG. 3, the fuel cell stack 3 includes a power generation cell 7 in which a fuel electrode layer 5 and an air electrode layer 6 are disposed on both surfaces of a solid electrolyte layer 4, and a fuel electrode current collector outside the fuel electrode layer 5. 8, an air electrode current collector 9 outside the air electrode layer 6, and a large number of separators 10 outside the current collectors 8 and 9 are stacked in order.

固体電解質層4はイットリアを添加した安定化ジルコニア(YSZ)等で構成され、燃料極層5はNi等の金属あるいはNi−YSZ等のサーメットで構成され、空気極層6はLaMnO3、LaCoO3等で構成され、燃料極集電体8はNi等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体9はAg等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ10はステンレス等で構成されている。 The solid electrolyte layer 4 is composed of stabilized zirconia (YSZ) or the like to which yttria is added, the fuel electrode layer 5 is composed of a metal such as Ni or a cermet such as Ni—YSZ, and the air electrode layer 6 is composed of LaMnO 3 , LaCoO 3. The fuel electrode current collector 8 is composed of a sponge-like porous sintered metal plate such as Ni, and the air electrode current collector 9 is composed of a sponge-like porous sintered metal plate such as Ag. The separator 10 is made of stainless steel or the like.

セパレータ10は、発電セル7間を電気的に接続すると共に、発電セル7に反応用ガスを供給する機能を有し、燃料ガスマニホールド13より供給される燃料ガスをセパレータ10の外周面から導入してセパレータ10の燃料極集電体8に対向するほぼ中央部から吐出する燃料ガス通路11と、酸化剤ガスマニホールド14より供給される酸化剤ガスをセパレータ10の外周面から導入してセパレータ10の空気極集電体9に対向する面のほぼ中央部から吐出する酸化剤ガス通路12を備える。   The separator 10 has a function of electrically connecting the power generation cells 7 and supplying a reaction gas to the power generation cells 7. The fuel gas supplied from the fuel gas manifold 13 is introduced from the outer peripheral surface of the separator 10. Then, an oxidant gas supplied from an oxidant gas manifold 14 and an oxidant gas manifold 14 discharged from a substantially central portion of the separator 10 facing the fuel electrode current collector 8 is introduced from the outer peripheral surface of the separator 10. An oxidant gas passage 12 that discharges from substantially the center of the surface facing the air electrode current collector 9 is provided.

この固体酸化物形燃料電池1は、発電セル7の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造とされており、運転時には、図3に示すように、燃料ガス通路11および酸化剤ガス通路12を通してセパレータ10の略中心部から発電セル7に向けて吐出される燃料ガスおよび酸化剤ガス(空気)を、発電セル7の外周方向に拡散させながら燃料極層5および空気極層6の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった残余のガス(排ガス)を発電セル7の外周部から外に自由に放出するようになっている。尚、この放出ガスは燃料電池スタックの周辺で燃焼させる。   This solid oxide fuel cell 1 has a sealless structure in which no gas leakage prevention seal is provided on the outer periphery of the power generation cell 7, and during operation, as shown in FIG. 3, the fuel gas passage 11 and the oxidant gas The fuel electrode layer 5 and the air electrode layer 6 are diffused in the outer circumferential direction of the power generation cell 7 while the fuel gas and the oxidant gas (air) discharged toward the power generation cell 7 from the substantially central portion of the separator 10 through the passage 12. The power generation reaction is caused to spread over the entire surface with a good distribution, and the remaining gas (exhaust gas) that has not been consumed by the power generation reaction is freely released from the outer periphery of the power generation cell 7 to the outside. The emitted gas is burned around the fuel cell stack.

また、ハウジング2内には、上述の燃料電池スタック3の他、その周辺に、温用の加熱装置としてヒータ31(電気ヒータ)や燃料改質器30等が配設されている。燃料改質器30内には炭化水素触媒が充填されており、外部から導入される炭化水素系燃料を水素主体の燃料ガスに改質する。
上記燃料改質器30の入口側には外部からの燃料ガス供給管15が接続されていると共に、出口側は燃料電池スタック内部に配設された燃料ガスマニホールド13に接続されている。また、燃料電池スタック内部の酸化剤ガスマニホールド14には外部からの酸化剤ガス供給管16が接続されている(図3参照)。
In addition to the fuel cell stack 3 described above, a heater 31 (electric heater), a fuel reformer 30 and the like are disposed in the housing 2 as a heating device for temperature. The fuel reformer 30 is filled with a hydrocarbon catalyst, and reforms a hydrocarbon-based fuel introduced from the outside into a hydrogen-based fuel gas.
A fuel gas supply pipe 15 from the outside is connected to the inlet side of the fuel reformer 30 and the outlet side is connected to a fuel gas manifold 13 disposed inside the fuel cell stack. An oxidant gas supply pipe 16 from the outside is connected to the oxidant gas manifold 14 inside the fuel cell stack (see FIG. 3).

そして、起動時には、上記燃料ガス供給管15に炭化水素燃料(例えば、都市ガス、その他、LPG、灯油等も使用可能)が導入されると共に、上記酸化剤ガス供給管16に空気が導入されるようになっている。   At startup, hydrocarbon fuel (for example, city gas, other LPG, kerosene, etc. can be used) is introduced into the fuel gas supply pipe 15 and air is introduced into the oxidant gas supply pipe 16. It is like that.

他方、ハウジング2の底部には、上部の燃料電池スタック3から排出される高温排ガスを熱源とする水蒸気発生器20が配設されている。   On the other hand, at the bottom of the housing 2, a water vapor generator 20 is disposed that uses high-temperature exhaust gas discharged from the upper fuel cell stack 3 as a heat source.

この水蒸気発生器20は、断熱材(図示せず)で包囲された空間内に収容された熱交換器21から構成されており、給水管17通して外部供給水が、この熱交換器21の下部から導入されて上方に流通する過程で熱交換器21内において上部の排ガス導入口26より導入されたハウジング2内の高温排ガスと熱交換して高温水蒸気となり、上端部の配管27を通して燃料電池モジュール1内に誘導され、モジュール内において燃料ガス供給管15からの都市ガスと合流・混合され、混合ガスとなって燃料改質器30に導入される。
また、上部の排ガス導入口26より導入された排ガスは、下方に流通する過程で供給水との熱交換を終えて低温ガスとなって下部の排気管19より外部に排出されるようになっている。
The water vapor generator 20 is composed of a heat exchanger 21 accommodated in a space surrounded by a heat insulating material (not shown), and externally supplied water is supplied to the heat exchanger 21 through a water supply pipe 17. In the process of being introduced from the lower part and flowing upward, the heat exchanger 21 exchanges heat with the high-temperature exhaust gas in the housing 2 introduced from the upper exhaust gas inlet 26 to form high-temperature steam, and the fuel cell through the pipe 27 at the upper end part. The gas is guided into the module 1, and is merged and mixed with the city gas from the fuel gas supply pipe 15 in the module to be mixed into the fuel reformer 30.
Further, the exhaust gas introduced from the upper exhaust gas inlet 26 finishes heat exchange with the supply water in the process of flowing downward, becomes low temperature gas and is discharged to the outside from the lower exhaust pipe 19. Yes.

ところで、本実施形態では、上述の熱交換器21として、図2に示すような、燃料電池スタック3からの排ガスが流通するフィン24付きの排ガス流路23と給水管17からの水が流通するフィン24付きの水流路22(供給水は直ちに気化され水蒸気が流通する)をプレート単位で交差状、または、対向状に配設したプレートフィン型の熱交換器(或いは、コルゲートフィン熱交換器でも良い)を用いており、且つ、排ガス流路23内のフィン24には、排ガス流路23内を流通する排ガス中の未燃ガスを燃焼するための燃焼触媒25が配設されている。
この燃焼触媒25として、例えば、Pt(白金)やPd(パラジウム)等を用いることができ、これらが、上述のフィン24の表面に層状に塗布されている。
By the way, in this embodiment, as the above-mentioned heat exchanger 21, the water from the exhaust pipe 23 with the fin 24 through which the exhaust gas from the fuel cell stack 3 circulates and the water from the water supply pipe 17 circulate as shown in FIG. Plate fin type heat exchangers (or corrugated fin heat exchangers) in which water flow paths 22 with fins 24 (supply water is immediately vaporized and water vapor flows) are arranged in a crossed or opposed manner in units of plates. And a combustion catalyst 25 for combusting unburned gas in the exhaust gas flowing through the exhaust gas passage 23 is disposed on the fin 24 in the exhaust gas passage 23.
As the combustion catalyst 25, for example, Pt (platinum), Pd (palladium), or the like can be used, and these are applied in layers on the surface of the fin 24 described above.

このように、熱交換器21内(排ガス流路23内)に燃焼触媒を配設し、未燃ガスを迅速に着火・燃焼することにより、高温排ガスからの伝導熱と、未燃ガスの燃焼熱とにより、熱交換器としての熱容量が増大し、熱交換性能を著しく向上することができる。これにより、外部供給水を効率良く加熱・気化して短時間で多量の水蒸気を安定して得ることができる。   As described above, the combustion catalyst is disposed in the heat exchanger 21 (in the exhaust gas flow path 23), and the unburned gas is quickly ignited and burned, so that the conduction heat from the high temperature exhaust gas and the combustion of the unburned gas are performed. The heat increases the heat capacity of the heat exchanger, and the heat exchange performance can be remarkably improved. Thereby, externally supplied water can be efficiently heated and vaporized to stably obtain a large amount of water vapor in a short time.

上記構成の固体酸化物形燃料電池1では、起動と同時にヒータ31を作動し、燃料電池スタック3を直接熱伝導により加熱・昇温させると共に、外部より燃料ガス供給管15を通して炭化水素燃料(都市ガス)を、酸化剤ガス供給管16を通して空気が燃料電池スタック内に導入される。そして、燃料電池スタック内に導入されたこれら反応用ガスは、そのままスタック外周部より排ガス(未燃ガス)として外に放出され、(起動直後は発電反応が生じ得ないため、供給された燃料ガスの全てが未燃ガスとして放出される)その一部が、スタック周辺にて燃焼し、ヒータ31からの輻射熱とともにこの排ガスの燃焼熱により燃料電池スタック3を外周部より加熱・昇温する。
尚、この場合、スタック周辺での排ガスの燃焼を促進するため、図1に示すように、燃料電池スタック3の近傍に燃焼触媒32を配設しても良い。燃焼触媒32は、例えば、薄板状のハニカム触媒を用いて、Pt、Pd等をアルミナ担体に担持したものを使用し、これをスタック積層方向に沿って配設する。
In the solid oxide fuel cell 1 having the above-described configuration, the heater 31 is operated simultaneously with the start-up, the fuel cell stack 3 is directly heated and heated by heat conduction, and the hydrocarbon fuel (city) is supplied from the outside through the fuel gas supply pipe 15. Gas) is introduced into the fuel cell stack through the oxidant gas supply pipe 16. Then, these reaction gases introduced into the fuel cell stack are directly discharged from the outer periphery of the stack as exhaust gas (unburned gas), and since the power generation reaction cannot occur immediately after startup, the supplied fuel gas Part of the gas is burned around the stack, and the fuel cell stack 3 is heated and heated from the outer peripheral portion by the combustion heat of the exhaust gas together with the radiant heat from the heater 31.
In this case, a combustion catalyst 32 may be disposed in the vicinity of the fuel cell stack 3 as shown in FIG. As the combustion catalyst 32, for example, a thin plate-shaped honeycomb catalyst using Pt, Pd or the like supported on an alumina carrier is used, and this is disposed along the stacking direction.

他方、ハウジング2内の排ガスは、排ガス導入口26より熱交換器21に導入され、排ガス流路23内において燃焼触媒25により着火・燃焼し、僅か数分間で熱交換器21を水蒸気が生成し得る気化温度、例えば、300℃以上に加熱・昇温し、これにより水蒸気発生器20は多量の高温水蒸気を安定的に生成することが可能となる。
因みに、この時のハウジング内の温度(モジュール内温度)は、200℃程度である。
On the other hand, the exhaust gas in the housing 2 is introduced into the heat exchanger 21 through the exhaust gas inlet 26, and ignited and burned by the combustion catalyst 25 in the exhaust gas passage 23, and steam is generated in the heat exchanger 21 in just a few minutes. The vaporization temperature to be obtained, for example, 300 ° C. or higher, is heated and heated, whereby the water vapor generator 20 can stably generate a large amount of high temperature water vapor.
Incidentally, the temperature in the housing at this time (temperature in the module) is about 200 ° C.

この水蒸気は、配管27を通してハウジング2内に誘導され、ハウジング2内において燃料ガス供給管15からの都市ガスと合流・混合して混合ガスとなって燃料改質器30に導入される。
すなわち、起動時、この燃料改質器30には、都市ガスのみ(水蒸気は導入されていない)が導入されたが、その直後には多量の高温水蒸気が導入されるようになり、この水蒸気により、燃料電池スタック外において排ガス(未燃ガス)が燃焼する際の炭素析出を防止することができるため、一度に大量の都市ガスを供給して排ガスのスタック外燃焼を促進することができると共に、燃料改質器30内においては、水蒸気が導入されることにより、改質反応により一部水素が生成されることから、この改質により生じた水素により未燃ガスがより迅速に燃焼して燃料電池スタック3を短時間で昇温することができる。
また、改質反応で生じた水素により未定格発電が行われることになり、その際のシュール熱で燃料電池スタック3は内部からも加熱されることになる。
The water vapor is guided into the housing 2 through the pipe 27, and is mixed and mixed with the city gas from the fuel gas supply pipe 15 in the housing 2 to be mixed into the fuel reformer 30.
That is, only the city gas (no steam is introduced) is introduced into the fuel reformer 30 at the time of start-up, but a large amount of high-temperature steam is introduced immediately after that. In addition, since it is possible to prevent carbon deposition when the exhaust gas (unburned gas) burns outside the fuel cell stack, a large amount of city gas can be supplied at one time to promote combustion outside the stack of exhaust gas, In the fuel reformer 30, hydrogen is partially generated by the reforming reaction due to the introduction of the water vapor, so that the unburned gas is burned more quickly by the hydrogen generated by the reforming, and the fuel The battery stack 3 can be heated in a short time.
In addition, unrated power generation is performed by hydrogen generated by the reforming reaction, and the fuel cell stack 3 is also heated from the inside by surreal heat at that time.

因みに、従来、起動時より発電運転開始までに5時間以上を要していたが、本発明では、2〜3時間と短縮することができ、これにより、急速起動が可能となる。加えて、急速起動が実現できれば、従来必要であった起動時のパージを不要とすることができる。
尚、パージとは、昇温時に燃料電池の内部に残留する酸素によって燃料極層が酸化されるのを防止するために、燃料電池に不活性ガス(例えば、窒素)を供給して内部を還元雰囲気に維持しておく処理のことを言う。
Incidentally, although it has conventionally required 5 hours or more from the time of start-up to the start of power generation operation, in the present invention, it can be shortened to 2-3 hours, thereby enabling rapid start-up. In addition, if rapid start-up can be realized, purge at start-up, which was conventionally required, can be made unnecessary.
Purging means reducing the inside by supplying an inert gas (for example, nitrogen) to the fuel cell in order to prevent the fuel electrode layer from being oxidized by oxygen remaining inside the fuel cell when the temperature is raised. A process that maintains the atmosphere.

また、本実施形態では、水蒸気発生器20における排ガスの着火・燃焼手段として燃焼触媒25を用いたが、この他、電気ヒータ(着火ヒータ)やイグナイター等を用いることも勿論可能である。   In this embodiment, the combustion catalyst 25 is used as an ignition / combustion means for the exhaust gas in the steam generator 20, but it is of course possible to use an electric heater (ignition heater), an igniter, or the like.

本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部概略構成を示す図。The figure which shows the internal schematic structure of the solid oxide fuel cell to which this invention was applied. 本発明に係る水蒸気発生器の内部構造を示す要部断面図。The principal part sectional drawing which shows the internal structure of the water vapor generator which concerns on this invention. 本発明に係る燃料電池スタックの要部概略構成図で、運転時のガスの流れを示す。It is a principal part schematic block diagram of the fuel cell stack which concerns on this invention, and shows the flow of the gas at the time of driving | operation.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池(固体酸化物形燃料電池)
3 燃料電池スタック
7 発電セル
20 水蒸気発生器
21 熱交換器
23 排ガス流路
25 燃焼手段(燃焼触媒)
30 燃料改質器
1 Fuel cell (solid oxide fuel cell)
3 Fuel cell stack 7 Power generation cell 20 Steam generator 21 Heat exchanger 23 Exhaust gas passage 25 Combustion means (combustion catalyst)
30 Fuel reformer

Claims (4)

水蒸気発生器と、炭化水素系燃料を水蒸気改質する燃料改質器と、この燃料改質器からの改質ガスと酸化剤ガスとを供給して発電反応を生じさせる燃料電池スタックとを備えた燃料電池において、
前記水蒸気発生器は、前記燃料電池スタックからの排ガスを熱源とする熱交換器を備え、且つ、この熱交換器の排ガス流路に、起動時に排ガス中の未燃ガスを燃焼するための燃焼手段を設けたことを特徴とする燃料電池。
A steam generator, a fuel reformer for steam reforming a hydrocarbon-based fuel, and a fuel cell stack for supplying a reformed gas and an oxidant gas from the fuel reformer to generate a power generation reaction In a fuel cell,
The steam generator includes a heat exchanger that uses exhaust gas from the fuel cell stack as a heat source, and combustion means for burning unburned gas in the exhaust gas at the time of startup in the exhaust gas passage of the heat exchanger A fuel cell comprising:
前記燃焼手段として燃焼触媒を用いたことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein a combustion catalyst is used as the combustion means. 前記燃料電池は、排ガスを前記発電セルの外周部より放出するシールレス構造の固定酸化物形燃料電池であることを特徴とする請求項1または請求項2の何れかに記載の燃料電池。 3. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is a fixed oxide fuel cell having a sealless structure that discharges exhaust gas from an outer peripheral portion of the power generation cell. 4. 請求項1から請求項3までの何れかに記載の燃料電池の起動方法であって、
起動の際の昇温時に、前記燃料電池スタックを加熱装置にて加熱すると共に、当該燃料電池スタック内に炭化水素燃料と酸化剤ガスを供給し、
前記燃焼手段により前記未燃ガスを燃焼して前記熱交換器を加熱すると共に、熱交換器にて発生した水蒸気を炭化水素系燃料とともに前記燃料改質器に導入することを特徴とする燃料電池の起動方法。
A method for starting a fuel cell according to any one of claims 1 to 3, comprising:
When the temperature rises at the time of startup, the fuel cell stack is heated by a heating device, and hydrocarbon fuel and oxidant gas are supplied into the fuel cell stack,
A fuel cell characterized in that the unburned gas is burned by the combustion means to heat the heat exchanger, and water vapor generated in the heat exchanger is introduced into the fuel reformer together with a hydrocarbon fuel. How to start.
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