JP2007109598A - Fuel cell module and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池の燃料電池モジュールおよび燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell module and a fuel cell system for a solid oxide fuel cell.
燃料電池は、燃料の化学エネルギを直接電気エネルギに変換して発電を行うものである。この燃料電池は、燃料側の電極である燃料極と、空気側の電極である空気極と、これらの間にありイオンのみを通す電解質とにより構成されており、電解質の種類によって様々な形式が開発されている。
このうち、固体酸化物形燃料電池(Solid
Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」と呼ぶ)は、電解質としてジルコニアセラミクッスなどのセラミックスが用いられ、天然ガス,石油,メタノール,石炭ガス化ガスなどを燃料として運転される燃料電池である。このSOFCは、イオン伝導率を高めるために作動温度が約900〜1000℃程度と高く、用途の広い高効率な高温型燃料電池として知られている。
The fuel cell generates power by directly converting chemical energy of fuel into electric energy. This fuel cell is composed of a fuel electrode that is an electrode on the fuel side, an air electrode that is an electrode on the air side, and an electrolyte that passes only ions between them, and there are various types depending on the type of electrolyte. Has been developed.
Of these, solid oxide fuel cells (Solid
Oxide Fuel Cell (hereinafter referred to as “SOFC”) is a fuel cell that uses ceramics such as zirconia ceramics as an electrolyte and is operated using natural gas, petroleum, methanol, coal gasification gas, or the like as fuel. This SOFC is known as a high-efficiency high-temperature fuel cell with a wide range of uses, with an operating temperature as high as about 900 to 1000 ° C. in order to increase ionic conductivity.
上述のSOFCは、定格運転時には自らの発熱により上記作動温度を維持し、定格運転を継続する(熱自立する)ことができる。しかし、SOFCの起動の際には、外部から高温熱源で加熱する必要があり、起動時におけるSOFCの加熱方法に関するさまざまな技術等が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
上述の特許文献1においては、有底円筒形状の燃料電池セル内に空気を導く空気導入管に燃焼触媒層を配置し、各燃料電池セル内で昇温用燃料ガスを燃焼させる技術が公開されている。
しかしながら、各燃料電池セル内に空気導入管を挿入配置させたり、燃料電池空気極に触媒層を形成したりするため、燃料電池セルの構成が複雑となり、その製造が困難になるという問題があった。
また、各燃料電池セル内でそれぞれ燃焼を行う場合、各燃料電池セル内での燃焼状態や分布を均一に制御することは困難であり、各燃料電池セルの各部分における昇温速度が異なっていた。そのため、温度分布が不均一になるというセルにとっては大きな問題があった。
In the above-mentioned
However, since an air introduction tube is inserted and disposed in each fuel cell, and a catalyst layer is formed on the fuel cell air electrode, the configuration of the fuel cell is complicated and its manufacture becomes difficult. It was.
In addition, when combustion is performed in each fuel cell, it is difficult to uniformly control the combustion state and distribution in each fuel cell, and the rate of temperature rise in each part of each fuel cell is different. It was. Therefore, there is a big problem for the cell that the temperature distribution becomes non-uniform.
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、燃料電池モジュールの温度均一性を向上させるとともに、その構造を簡素化することができる燃料電池モジュールおよび燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and provides a fuel cell module and a fuel cell system capable of improving the temperature uniformity of the fuel cell module and simplifying the structure thereof. For the purpose.
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の燃料電池モジュールは、容器と、該容器内の空間を気密に仕切ることにより第1空間及び第2空間を形成する第1仕切り部材と、前記第1空間を流体が流通可能に仕切ることにより、前記第1仕切り部材との間に第3空間を形成する第2仕切り部材と、表面に燃料電池セルが形成された略円筒状の燃料電池セル管と、を有し、前記燃料電池セルは前記第1空間内に位置し、前記燃料電池セル管の開口端は前記第2空間に開放され、前記燃料電池セル管の内側には、前記第2空間および前記開口端を介して燃料ガスが導入され、前記燃料電池セル管の外側には、少なくとも、前記第3空間および前記第2仕切り部材を介して酸化剤ガスと昇温用燃料ガスとの燃焼ガスが導入され、前記第2仕切り部材には、前記酸化剤ガスと前記昇温用燃料ガスとを反応させる触媒が設けられていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.
The fuel cell module according to the present invention partitions a container, a first partition member that forms a first space and a second space by hermetically partitioning the space in the container, and a fluid through which the first space can flow. A second partition member that forms a third space between the first partition member and a substantially cylindrical fuel cell tube having a fuel cell formed on a surface thereof, and the fuel cell Is located in the first space, an open end of the fuel cell tube is opened to the second space, and a fuel gas is disposed inside the fuel cell tube via the second space and the open end. And a combustion gas of an oxidant gas and a temperature raising fuel gas is introduced outside the fuel cell tube through at least the third space and the second partition member, and the second partition The member includes the oxidant gas and the temperature raising member. Wherein the catalyst reacting the material gas is provided.
本発明によれば、触媒で反応させた燃焼ガスを燃料電池セル管の外側に導入しているため、燃焼ガスの熱により燃料電池セルを昇温させることができる。
例えば、複数の燃料電池セル管を備えた燃料電池モジュールにおいては、第2仕切り部材に設けた触媒で反応させた燃焼ガスを、各燃料電池セル管の外側に導入するため、各燃料電池セル管の燃料電池セルの温度上昇を揃えることができる。特許文献1に記載された発明と比較して、熱の損失が少ないため燃料電池セルの起動用(昇温用)燃料の使用量を削減できる。また、燃料電池セルの健全性を保つこと(破損防止)が容易となる。
According to the present invention, since the combustion gas reacted with the catalyst is introduced outside the fuel cell tube, the temperature of the fuel cell can be raised by the heat of the combustion gas.
For example, in a fuel cell module including a plurality of fuel cell tubes, each fuel cell cell tube is introduced in order to introduce combustion gas reacted with a catalyst provided in the second partition member to the outside of each fuel cell cell tube. The temperature rise of the fuel cell can be made uniform. Compared with the invention described in
また、第3空間に供給された酸化剤ガスと昇温用燃料ガスが、第2仕切り部材に設けられた触媒において反応して燃焼ガスとなる。生成された燃焼ガスは第3空間から第1空間に流入して燃料電池セル管の外側に導入されている。燃焼ガスは生成されてから直接第1空間に流入するため、温度低下を最小限にした状態で燃料電池セル管の外側に導入される。
そのため、燃焼ガスは燃料電池セルを効率的に加熱することができ、燃料電池モジュールの起動時における燃料消費量低減と起動に要する時間短縮とを図ることができる。
第1仕切り部材などは燃焼ガスと長時間接触しないため、燃焼ガスなどの高温ガスを燃料電池モジュール外部から導入して燃料電池セル温度を上昇させる方法と比較して、第1仕切り部材などの耐熱性に余裕を持たせることができる。
Further, the oxidant gas and the temperature raising fuel gas supplied to the third space react with each other in the catalyst provided in the second partition member to become combustion gas. The generated combustion gas flows from the third space into the first space and is introduced to the outside of the fuel cell tube. Since the combustion gas is directly generated and then flows into the first space, it is introduced outside the fuel cell tube in a state where the temperature drop is minimized.
Therefore, the combustion gas can efficiently heat the fuel battery cell, and it is possible to reduce the fuel consumption at the time of starting the fuel cell module and shorten the time required for the start-up.
Since the first partition member does not come into contact with the combustion gas for a long time, the heat resistance of the first partition member or the like is higher than the method of increasing the temperature of the fuel cell by introducing a high temperature gas such as combustion gas from the outside of the fuel cell module. It is possible to give a margin to sex.
また、特許文献1に記載された発明のように燃焼ガスを燃料電池セル管の内周面側へ導く配管を設ける必要がなく、燃料電池モジュールの構成をより簡素化することができる。
Further, unlike the invention described in
触媒を用いているので、酸化剤ガスと昇温用燃料ガスとの混合比率が燃焼限界より低くても、酸化剤ガスと昇温用燃料ガスとを燃焼させることができる。
そのため、燃焼限界よりも混合比率の低い混合ガスを触媒で反応させる場合には、容器の外部で酸化剤ガスと昇温用燃料とを予混合させても、この予混合ガスが燃料電池モジュールの外部で燃焼、自着火することがない。また、容器の内部においても、触媒以外の領域における予混合ガスの燃焼、自着火を考慮する必要がない。さらに、容器の内部における燃焼器構造を考慮する必要がない。
Since the catalyst is used, the oxidant gas and the temperature raising fuel gas can be burned even if the mixing ratio of the oxidant gas and the temperature raising fuel gas is lower than the combustion limit.
Therefore, when a mixed gas having a mixing ratio lower than the combustion limit is reacted with a catalyst, even if the oxidant gas and the temperature-raising fuel are premixed outside the container, the premixed gas remains in the fuel cell module. There is no external combustion or self-ignition. Also, it is not necessary to consider the combustion of the premixed gas and self-ignition in the region other than the catalyst even inside the container. Furthermore, it is not necessary to consider the combustor structure inside the vessel.
一方、予混合ガスにおける昇温用燃料ガスの混合比率を制御することにより、予混合ガスの燃焼により生成される燃焼ガス温度を制御することができ、燃料電池セルの昇温速度を制御することができる。
上述のように酸化剤ガスと昇温用燃料ガスとの混合比率の範囲を広く取ることができるため、燃焼ガス温度の制御可能範囲を広くすることができる。
On the other hand, by controlling the mixing ratio of the temperature rising fuel gas in the premixed gas, the temperature of the combustion gas generated by the combustion of the premixed gas can be controlled, and the temperature rising rate of the fuel cell is controlled. Can do.
As described above, since the range of the mixing ratio of the oxidant gas and the fuel gas for raising the temperature can be widened, the controllable range of the combustion gas temperature can be widened.
上記発明においては、前記第2仕切り部材が、流体透過性を有する材料から形成さていることが望ましい。
本発明によれば、第2仕切り部材が流体透過性を有する材料から形成されているため、触媒において生成された燃焼ガスを第1空間に流入させることができる。
流体透過性を有する材料としては、例えば、多孔質体やハニカム構造体などを例示することができる。
In the said invention, it is desirable that the said 2nd partition member is formed from the material which has fluid permeability.
According to this invention, since the 2nd partition member is formed from the material which has fluid permeability, the combustion gas produced | generated in the catalyst can be flowed into 1st space.
Examples of the material having fluid permeability include a porous body and a honeycomb structure.
上記発明においては、前記第2仕切り部材が、断熱性を有する材料から形成され、前記燃料電池セル管と前記第2仕切り部材との間には、所定間隔の隙間が設けられていることが望ましい。
本発明によれば、燃料電池セル管と第2仕切り部材との間には、所定間隔の隙間が設けられているため、触媒において生成された燃焼ガスは上記隙間を通って第1空間に流入することができる。
また、第2仕切り部材が断熱性を有する材料から形成されているため、第1空間内の熱が外部に逃げることを防止できる。そのため、燃料電池セルの昇温速度の低下を防止できる。
In the above invention, it is desirable that the second partition member is formed of a material having a heat insulating property, and a gap having a predetermined interval is provided between the fuel cell tube and the second partition member. .
According to the present invention, since a gap having a predetermined interval is provided between the fuel cell tube and the second partition member, the combustion gas generated in the catalyst flows into the first space through the gap. can do.
Moreover, since the 2nd partition member is formed from the material which has heat insulation, it can prevent that the heat | fever in 1st space escapes outside. Therefore, it is possible to prevent a decrease in the temperature increase rate of the fuel battery cell.
上記発明においては、前記触媒に前記昇温用燃料ガスを導入する供給部が設けられていることが望ましい。
上記発明においては、供給部により触媒に昇温用燃料ガスを導入するため、昇温用燃料ガスと酸化剤ガスとは、触媒が設けられている領域において混合される。そのため、触媒が設けられていない領域には、昇温用燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスが存在せず、当該領域における混合ガスの燃焼、自着火を防止することができる。
In the above-described invention, it is desirable that a supply unit for introducing the temperature raising fuel gas to the catalyst is provided.
In the above invention, since the temperature raising fuel gas is introduced into the catalyst by the supply unit, the temperature raising fuel gas and the oxidant gas are mixed in the region where the catalyst is provided. Therefore, in the region where the catalyst is not provided, there is no mixed gas of the temperature raising fuel gas and the oxidant gas, and combustion and self-ignition of the mixed gas in the region can be prevented.
本発明の燃料電池システムは、上記本発明の燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールに供給する燃料ガスを改質する改質器と、前記燃料電池モジュールに供給する空気を加熱する予熱部と、前記燃料電池モジュールに昇温用燃料ガスを供給する供給部と、を備えることを特徴とする。 The fuel cell system of the present invention includes the fuel cell module of the present invention, a reformer that reforms the fuel gas supplied to the fuel cell module, a preheating unit that heats the air supplied to the fuel cell module, And a supply unit for supplying a fuel gas for raising temperature to the fuel cell module.
上記発明においては、上記本発明の燃料電池モジュールを用いることにより、燃料電池セル管の外側に燃焼ガスを導入するため、各燃料電池セルを同一の燃焼ガスで昇温させることができる。
特許文献1のように高温ガスを燃料電池セル内へ導く配管を設ける必要がないため、燃料電池モジュールの構成をより簡素化することができる
In the above invention, by using the fuel cell module of the present invention, the combustion gas is introduced to the outside of the fuel cell tube, so that each fuel cell can be heated with the same combustion gas.
Since it is not necessary to provide piping for guiding the high temperature gas into the fuel cell as in
本発明の燃料電池モジュールおよび燃料電池システムによれば、燃料電池セル管の外側に燃焼ガスを導入するため、各燃料電池セルを同一の燃焼ガスで昇温させることができる。各燃料電池セルの昇温のばらつきを抑えることにより、燃料電池モジュールの温度均一性を向上させることができるという効果を奏する。
この効果により、燃料電池モジュールの昇温用(起動用)燃料の使用量を削減できるという効果を奏する。
また、特許文献1のように高温ガスを燃料電池セル内へ導く配管を設ける必要がないため、燃料電池モジュールの構成をより簡素化することができるという効果を奏する。
According to the fuel cell module and the fuel cell system of the present invention, since the combustion gas is introduced to the outside of the fuel cell tube, each fuel cell can be heated with the same combustion gas. By suppressing variations in the temperature rise of each fuel cell, the temperature uniformity of the fuel cell module can be improved.
With this effect, there is an effect that it is possible to reduce the amount of fuel used for raising (starting up) the fuel cell module.
Moreover, since it is not necessary to provide a pipe for guiding the high temperature gas into the fuel cell as in
〔第1の実施形態〕
以下、本発明に係るSOFCシステムの第1の実施形態について図1から図4を参照して説明する。
図1は、本実施形態に係るSOFCシステムの構成を説明する模式図である。図2は、図1のSOFCモジュールの構成を説明する模式図である。
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of an SOFC system according to the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the configuration of the SOFC system according to the present embodiment. FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the configuration of the SOFC module in FIG.
SOFCシステム(燃料電池システム)1には、図1に示すように、発電を行なうSOFCモジュール(燃料電池モジュール)31と、燃料ガス(例えば都市ガスや天然ガスなど)を改質する改質器3と、空気(酸化剤ガス)を予熱する空気予熱器5と、SOFCモジュール31から排出された排ガス中に含まれる未燃の燃料ガスを燃焼させる燃焼器21と、が備えられている。
As shown in FIG. 1, the SOFC system (fuel cell system) 1 includes an SOFC module (fuel cell module) 31 for generating power and a
また、SOFCシステム1には、起動時においてSOFCモジュール31に供給される空気に対して後述する昇温用燃料ガス(例えばメタンなど)を供給する昇温用燃料供給部(供給部)13と、起動時において空気を所定温度にまで加熱する予熱ヒータ15と、が備えられている。
予熱ヒータ15は、電力の供給を受けて熱を発生させるヒータであり、後述する燃焼触媒において空気と昇温用燃料とが反応を起こす所定温度にまで加熱するものである。
Further, the
The preheating
改質器3は、後述する空気排出室49から排出された高温の空気が内部を通過するように構成されており、これにより、外部から供給された燃料ガスが加熱されるようになっている。
燃焼器21は燃料排出室45と接続されるとともに、空気予熱器5を介して空気排出室49と接続されている。
The
The
SOFCモジュール31は、図2に示すように、容器33と、略円筒状に形成された複数のセルチューブ(燃料電池セル筒)35と、セルチューブ35の両端を支持する上下の管板(第1仕切り部材)37a,37bと、これら上下の管板37a,37bの間に配置された上下の断熱体(第2仕切り部材)39a,39bと、から概略構成されている。
As shown in FIG. 2, the
容器33と上下の断熱体39a,39bとの間には、発電室(第1空間)41が形成されている。容器33と上管板37aとの間には燃料供給室(第2空間)43が形成されている。容器33と下管板37bとの間には燃料排出室(第2空間)45が形成されている。管板37bと下断熱体39bとの間には空気供給室(第3空間)47が形成されている。上管板37aと上断熱体39aとの間には空気排出室(第3空間)49が形成されている。
A power generation chamber (first space) 41 is formed between the
上管板37aは容器33の長手方向の上側(図2の上方)に配置された板状の部材であり、下管板37bは容器33の長手方向の下側(図2の下方)に配置された板状の部材である。
セルチューブ35は多孔質セラミックスから形成された略円筒状の管であり、長手方向における中央部には発電を行なう燃料電池セル51が設けられている。
セルチューブ35は、一方の開口端が燃料供給室43に開口するとともに、他方の開口端が燃料排出室45に開口するように上下の管板37a,37bに支持されている。また、セルチューブ35は、燃料電池セル51が発電室41内にのみ位置するように配置されている。
The
The
The
上断熱体39aは容器33の長手方向の上側(図2の上方)に配置され、断熱材料を用いてブランケット状あるいはボード状などに形成された部材である。下断熱材39bは容器33の長手方向の下側(図2の下方)に配置され、断熱材料を用いてブランケット状あるいはボード状などに形成された部材である。
各断熱体39a,39bには、セルチューブ35が挿通される孔53が形成され、孔53の直径はセルチューブ35の直径よりも大きく形成されている。
なお、孔53の内周面は、略円筒状に形成されていてもよいし、螺旋状または直線状の凹部(溝)または凸部(畝状突起)が形成されていてもよく、特に限定するものではない。このような構成にすることで、セルチューブ35と孔53との間を通って発電室41に流入する空気に下断熱体39bの熱が伝達されやすくなり、発電室41の温度を高温に保ちやすくすることができる。
The
Each of the
In addition, the inner peripheral surface of the
下断熱体39bの空気供給室47を形成する面(図2における下方の面)には、空気と昇温用燃料ガスとを反応(燃焼)させる燃焼触媒(触媒)55が担持されている。
燃焼触媒55としては、空気と昇温用燃料ガスとの燃焼を促進するものが望ましく、例えば、白金や、パラジウム等を挙げることができる。
なお、上述のように、燃焼触媒55を下断熱体39bに担持させてもよいし、粒状やボール状、筒状、ペレット状などのさまざまな形状の燃焼触媒55を断熱体39b内部や表層等に配置してもよい。
A combustion catalyst (catalyst) 55 that reacts (combusts) air and the fuel gas for temperature rise is supported on the surface (the lower surface in FIG. 2) forming the
The
As described above, the
本実施形態においては、昇温用燃料供給部13および予熱ヒータ15を空気予熱器5と起動用燃焼器7との間に配置する例に適用して説明する。
In the present embodiment, description will be made by applying to an example in which the temperature raising
次に、上記の構成からなるSOFCシステム1の起動時における作用について説明する。
SOFCシステム1の起動時においては、図1に示すように、外部から供給された空気は空気予熱器5を介してSOFCモジュール31の空気供給室47に供給される。
起動時には、空気予熱器5にSOFCモジュール31から高温の空気が供給されていないため、空気予熱器5において外部から供給された空気は加熱されない。空気予熱器5を通過した空気は、予熱ヒータ15により所定温度、例えば200℃から500℃にまで加熱されるとともに、空気には昇温用燃料供給部13から昇温用燃料ガスが混合される。
Next, the operation at the time of starting the
When the
At the time of start-up, since high-temperature air is not supplied from the
本実施形態においては、空気と昇温用燃料ガスとの混合濃度は、昇温用燃料ガスの燃焼限界濃度以下の濃度であれば特に限定されるものではない。空気と昇温用燃料ガスとの混合濃度を制御することにより、生成される高温ガスの温度上昇を制御することができる。
例えば、昇温用燃料ガスとしてメタンを用いた場合には、燃焼限界濃度が約5%であるので、空気と昇温用燃料ガスとの混合濃度は5%以下とされている。
In the present embodiment, the mixed concentration of air and the temperature raising fuel gas is not particularly limited as long as the concentration is equal to or lower than the combustion limit concentration of the temperature raising fuel gas. By controlling the mixed concentration of air and the fuel gas for temperature increase, the temperature rise of the generated high temperature gas can be controlled.
For example, when methane is used as the temperature raising fuel gas, the combustion limit concentration is about 5%, so the mixture concentration of air and the temperature raising fuel gas is 5% or less.
空気と昇温用燃料ガスの混合ガスが流入した空気供給室47では、燃焼触媒55において空気の一部と昇温用燃料ガスとが反応・燃焼し、高温の燃焼ガスが生成される。残りの空気は昇温用燃料ガスの燃焼熱により加熱される。
高温ガスは、孔53とセルチューブ35との隙間を通って発電室41に流入する。高温ガスはセルチューブ35を加熱した後、孔53とセルチューブ35との隙間を通って空気排出室49に流入する。高温ガスは空気排出室49から改質器3に流入して改質器3を加熱する。その後、高温ガスは空気予熱器5に流入して空気予熱器5を加熱する。
In the
The hot gas flows into the
例えば、昇温用燃料ガスとしてメタンを用いた場合であって、空気比を4とした場合には、空気供給室47から発電室41へ供給される高温ガスの温度は約600℃となる。
この場合のメタン濃度は約4.5%ととなり、上述のようにメタンの燃焼限界濃度である5%を下回る。そのため、燃焼触媒55が存在しない所でメタンが自着火、燃焼することを防止できる。
For example, when methane is used as the fuel gas for temperature increase and the air ratio is 4, the temperature of the high-temperature gas supplied from the
The methane concentration in this case is about 4.5%, which is below the methane combustion limit concentration of 5% as described above. Therefore, it is possible to prevent methane from self-igniting and burning where the
その後、燃料電池セル51が高温ガスにより自己発電可能な温度(例えば600℃)にまで加熱されると、燃料ガスが改質器3を介して燃料供給室43へ供給され、燃料電池セル51による発電が開始される。燃料電池セル51は発電するとともに発熱(自己発電発熱)し、燃料電池セル51は、高温ガスの熱と自己発熱とにより加熱される。
昇温用燃料供給部13からの昇温用燃料ガスの供給量は、燃料電池セル51の温度が上昇するにともない徐々に減らされ、燃料電池セル51の温度が定格運転温度(例えば、約1000℃)に到達するまでには昇温用燃料ガスの供給が停止される。
Thereafter, when the
The supply amount of the temperature raising fuel gas from the temperature raising
燃料電池セル51による発電の開始後に燃料供給室43に供給される燃料ガスは、改質器3において、空気排出室49から排出された高温ガスまたは高温空気の熱により、水素および一酸化炭素に改質されてから燃料供給室43へ供給される。燃料供給室43に供給された燃料ガスは、燃料供給室43から開口端を通じてセルチューブ35の内側に流入して、燃料電池セル51に供給される。
The fuel gas supplied to the
また、空気供給室47に供給される空気は、空気予熱器5において、空気排出室49から排出された高温ガスまたは高温の排出空気の熱により加熱される。加熱された空気は空気供給室47から孔53とセルチューブ35との隙間から発電室41に流入して、燃料電池セル51における発電に用いられる。
Further, the air supplied to the
発電室11から燃料排出室45に流入した燃料ガス(以降、排出燃料ガスと表記する。)中には、燃料電池セル51において発電に用いられた排ガスとともに、発電に用いられなかった未燃の燃料ガスが含まれている。そのため、排出燃料ガスは燃料排出室45から燃焼器21に導かれ、空気予熱器5において空気を予熱した高温の排出空気と混合されて燃焼される。
In the fuel gas flowing into the
上記の構成によれば、燃焼触媒55で燃焼させた燃焼ガスを含む高温ガスをセルチューブ35の外側に導入しているため、高温ガスの熱により燃料電池セル51を昇温させることができる。
また、断熱体39bの空気供給室47と接する面に設けた燃焼触媒55で燃焼させた燃焼ガスを各セルチューブ35が配置された発電室41に導入するため、各セルチューブ35の燃料電池セル51の温度上昇を揃えることができ、特許文献1に記載された発明と比較して、熱の損失が少ないため燃料電池セル51の起動用(昇温用)燃料の使用量を削減できる。また、燃料電池セル51の健全性を保つこと(破損防止)が容易となる。
According to said structure, since the high temperature gas containing the combustion gas burned with the
Further, in order to introduce the combustion gas burned by the
空気供給室47において、生成された高温ガスが直接発電室41に流入してセルチューブ35の外側に導入されているため、温度低下を最小限とした状態でセルチューブ35の外側に導入される。
そのため、高温ガスは燃料電池セルを効率的に加熱することができ、SOFCモジュール31の起動時における燃料消費量低減と起動に要する時間短縮とを図ることができる。
管板37a,37bなどは高温ガスと長時間接触しないため、高温ガスを燃料電池モジュール外部から導入して燃料電池セル温度を上昇させる方法と比較して、上下の管板37a,37bなどの耐熱性に余裕を持たせることができる。
In the
Therefore, the high-temperature gas can efficiently heat the fuel battery cell, and it is possible to reduce the fuel consumption at the time of starting the
Since the
また、特許文献1に記載された発明のように燃焼ガスをセルチューブ35の内側へ導く配管を設ける必要がなく、SOFCモジュール31の構成をより簡素化することができる。
Further, unlike the invention described in
燃焼触媒55を用いているので、空気と昇温用燃料ガスとの混合比率が燃焼限界より低くても、空気と昇温用燃料ガスとを燃焼させることができる。
そのため、燃焼限界よりも混合比率の低い混合ガスを燃焼触媒55で反応させる場合には、容器33の外部で空気と昇温用燃料ガスとを予混合させても、混合ガスがSOFCモジュール31の外部で燃焼、自着火することがない。また、容器33の内部においても、燃焼触媒55以外の領域における混合ガスの燃焼、自着火を考慮する必要がない。さらに、容器33の内部における燃焼器構造を考慮する必要がない。
Since the
Therefore, when a mixed gas having a lower mixing ratio than the combustion limit is caused to react with the
混合ガスにおける昇温用燃料ガスの混合比率を制御することにより、混合ガスの燃焼により生成される高温ガスの温度を制御することができ、燃料電池セル51の昇温速度を制御することができる。
By controlling the mixing ratio of the temperature rising fuel gas in the mixed gas, the temperature of the high temperature gas generated by the combustion of the mixed gas can be controlled, and the temperature rising rate of the
断熱体39a,39bが断熱性を有する材料から形成されているため、発電室41内の熱が外部に逃げることを防止できる。そのため、燃料電池セル51の昇温速度の低下を防止でき、SOFCモジュール31の起動時における燃料消費量低減と起動に要する時間短縮とを図ることができる。
Since the
〔第2の実施形態〕
次に、本発明の第2の実施形態について図3を参照して説明する。
本実施形態のSOFCシステムの基本構成は、第1の実施形態と同様であるが、第1の実施形態とは、昇温用燃料供給部の配置位置が異なっている。よって、本実施形態においては、図3を用いて昇温用燃料供給部の配置等のみを説明し、その他構成要素の説明を省略する。
図3は、本実施形態に係るSOFCシステムの構成を説明する模式図である。
なお、第1の実施形態と同様の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略している。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The basic configuration of the SOFC system of this embodiment is the same as that of the first embodiment, but is different from the first embodiment in the arrangement position of the temperature raising fuel supply unit. Therefore, in this embodiment, only arrangement | positioning of the temperature rising fuel supply part, etc. are demonstrated using FIG. 3, and description of another component is abbreviate | omitted.
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating the configuration of the SOFC system according to the present embodiment.
In addition, about the component similar to 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.
SOFCシステム(燃料電池システム)101には、図3に示すように、発電を行なうSOFCモジュール31と、燃料ガス(例えば都市ガスや天然ガスなど)を改質する改質器3と、空気(酸化剤ガス)を予熱する空気予熱器5と、SOFCモジュール31から排出された排ガス中に含まれる未燃の燃料ガスを燃焼させる燃焼器21と、が備えられている。
As shown in FIG. 3, the SOFC system (fuel cell system) 101 includes an
また、SOFCシステム101には、昇温用燃料ガスを供給する昇温用燃料供給部(供給部)113と、起動時において空気を加熱する予熱ヒータ15と、が備えられている。
昇温用燃料供給部113は、昇温用燃料ガスをSOFCモジュール31の空気供給室47に直接供給している。
Further, the
The temperature raising
次に、上記の構成からなるSOFCシステム101の起動時における作用について説明する。
SOFCシステム101の起動方法は、第1の実施形態と同様であるので、第1の実施形態と異なる部分のみ説明する。
Next, the operation at the time of starting the
Since the startup method of the
起動時には、空気予熱器5を通過した空気は、予熱ヒータ15により所定温度、例えば200℃から500℃にまで加熱されてから空気供給室47に流入する。一方、昇温用燃料ガスは、昇温用燃料供給部113から空気供給室47における燃焼触媒55の近傍領域、あるいは、燃焼触媒55の配置領域に供給される。
本実施形態においては、空気と昇温用燃料ガスとの混合は、空気供給室47における燃焼触媒55の近傍領域、あるいは、燃焼触媒55の配置領域で行われる。また、空気と昇温用燃料ガスとの混合濃度は、昇温用燃料ガスの燃焼限界濃度と関係なく、特に限定されるものではない。
At startup, the air that has passed through the
In the present embodiment, mixing of the air and the temperature raising fuel gas is performed in a region near the
上記の構成によれば、空気と昇温用燃料ガスとの混合が空気供給室47においてされるため、昇温用燃料ガスの混合濃度が燃焼限界濃度よりも高くすることができる。昇温用燃料ガスの混合濃度を高くすることにより、生成される高温ガスの温度を高くすることができ、燃料電池セル51の昇温速度を早くすることができる。
一方、燃焼触媒55の近傍等で空気と昇温用燃料ガスとを混合させているため、昇温用燃焼ガスの混合濃度が、第1の実施形態と同様に燃焼限界濃度よりも低くても、燃焼触媒55において昇温用燃料ガスを燃焼させることができる。
According to the above configuration, since the air and the temperature raising fuel gas are mixed in the
On the other hand, since air and the temperature raising fuel gas are mixed in the vicinity of the
〔第3の実施形態〕
次に、本発明の第3の実施形態について図4を参照して説明する。
本実施形態のSOFCシステムの基本構成は、第1の実施形態と同様であるが、第1の実施形態とは、容器内の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図4を用いて容器内の構成等のみを説明し、その他構成要素の説明を省略する。
図4は、本実施形態に係るSOFCシステムにおけるSOFCモジュールの構成を説明する模式図である。
なお、第1の実施形態と同様の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略している。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The basic configuration of the SOFC system of this embodiment is the same as that of the first embodiment, but the configuration in the container is different from that of the first embodiment. Therefore, in the present embodiment, only the configuration and the like in the container will be described using FIG. 4, and description of other components will be omitted.
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating the configuration of the SOFC module in the SOFC system according to the present embodiment.
In addition, about the component similar to 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.
SOFCシステム(燃料電池システム)201のSOFCモジュール(燃料電池モジュール)231は、容器33と、複数のセルチューブ35と、セルチューブ35の両端を支持する上下の管板37a,37bと、これら上下の管板37a,37bの間に配置された上下の輻射変換体(第2仕切り部材)239a,239bと、から概略構成されている。
The SOFC module (fuel cell module) 231 of the SOFC system (fuel cell system) 201 includes a
上輻射変換体239aは、容器33の長手方向の上側(図2の上方)に配置され、例えば、多孔体やハニカム構造体などを用いて板状に形成された部材である。下輻射変換体239bは容器33の長手方向の下側(図2の下方)に配置され、、例えば、多孔体やハニカム構造体であって、などを用いて板状に形成された部材である。上下の輻射変換体239a,239bは、空気が空気供給室47から発電室41へ、発電室41から空気排出室49へ透過するように構成されている。
上下の輻射変換体239a,239bには、孔253が形成され、孔253にはセルチューブ35が挿通されている。そのため、セルチューブ35は上下の輻射変換体239a,239bにも支持されている。
The upper
A
次に、上記の構成からなるSOFCシステム201の作用について、図4を参照しながら説明する。
SOFCシステム201の起動方法は、第1の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
Next, the operation of the
Since the activation method of the
SOFCシステム201が定格運転されているときには、セルチューブ35の燃料電池セル51の温度は、例えば約1000℃の高温となる。そのため、燃料電池セル51は白熱して光を発する。
燃料電池セル51から発電室41内に発せられた光の一部は、上下の輻射変換体239a,239bに入射する。上下の輻射変換体239a,239bに入射した光は、その光エネルギが熱エネルギに変換され、上下の輻射変換体239a,239bの温度が上昇する。
そのため、空気供給室47から発電室41に流入する空気は、下輻射変換体239bを通過する際に、輻射変換体239bの熱が与えられ、温度が上昇する。
When the
Part of the light emitted from the
Therefore, when the air flowing into the
上記の構成によれば、燃料電池セル51から発せられる光の一部を、上下の輻射変換体239a,239bにより、熱として発電室47に回収することができる。そのため、SOFCシステム201の定格運転時における燃料消費量を低減することができる。
According to said structure, a part of light emitted from the
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、この発明をSOFC(固体酸化物形燃料電池)に適応して説明したが、この発明はSOFCに限られることなく、その他各種の高温型燃料電池に適応できるものである。
また、上記の実施の形態においては、燃料ガスが直接供給されるSOFCコンバインド発電システムに適応して説明したが、この発明は燃料ガスが直接供給されるSOFCコンバインド発電システムに限られることなく、石炭ガス化燃料電池複合発電(IGFC)など、その他各種の燃料電池を用いたコンバインド発電システムに適応できるものである。
The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
For example, in the above-described embodiments, the present invention has been described as being applied to SOFC (solid oxide fuel cell), but the present invention is not limited to SOFC and can be applied to various other high-temperature fuel cells. Is.
Further, in the above-described embodiment, the description has been made by adapting to the SOFC combined power generation system to which fuel gas is directly supplied. However, the present invention is not limited to the SOFC combined power generation system to which fuel gas is directly supplied. The present invention can be applied to a combined power generation system using various other fuel cells such as gasified fuel cell combined power generation (IGFC).
1,101,201 SOFCシステム(燃料電池システム)
3 改質器
5 空気予熱器
13 昇温用燃料供給部(供給部)
31,231 SOFCモジュール(燃料電池モジュール)
33 容器
35 セルチューブ(燃料電池セル筒)
37a 上管板(第1仕切り部材)
37b 下管板(第1仕切り部材)
39a 上断熱体(第2仕切り部材)
39b 下断熱体(第2仕切り部材)
41 発電室(第1空間)
43 燃料供給室(第2空間)
45 燃料排出室(第2空間)
47 空気供給室(第3空間)
49 空気排出室(第3空間)
51 燃料電池セル
55 燃焼触媒(触媒)
113 昇温用燃料供給部(供給部)
239a 上輻射変換体(第2仕切り部材)
239b 下輻射変換体(第2仕切り部材)
1,101,201 SOFC system (fuel cell system)
3
31,231 SOFC module (fuel cell module)
33
37a Upper tube sheet (first partition member)
37b Lower tube sheet (first partition member)
39a Upper insulator (second partition member)
39b Lower insulator (second partition member)
41 Power generation room (first space)
43 Fuel supply chamber (second space)
45 Fuel discharge chamber (second space)
47 Air supply chamber (third space)
49 Air exhaust chamber (third space)
51
113 Temperature rising fuel supply section (supply section)
239a Upper radiation converter (second partition member)
239b Lower radiation converter (second partition member)
Claims (5)
該容器内の空間を気密に仕切ることにより第1空間及び第2空間を形成する第1仕切り部材と、
前記第1空間を流体が流通可能に仕切ることにより、前記第1仕切り部材との間に第3空間を形成する第2仕切り部材と、
表面に燃料電池セルが形成された略円筒状の燃料電池セル管と、を有し、
前記燃料電池セルは前記第1空間内に位置し、前記燃料電池セル管の開口端は前記第2空間に開放され、
前記燃料電池セル管の内側には、前記第2空間および前記開口端を介して燃料ガスが導入され、
前記燃料電池セル管の外側には、少なくとも、前記第3空間および前記第2仕切り部材を介して酸化剤ガスと昇温用燃料ガスとの燃焼ガスが導入され、
前記第2仕切り部材には、前記酸化剤ガスと前記昇温用燃料ガスとを反応させる触媒が設けられていることを特徴とする燃料電池モジュール。 A container,
A first partition member that forms a first space and a second space by hermetically partitioning the space in the container;
A second partition member that forms a third space with the first partition member by partitioning the first space so that a fluid can flow therethrough;
A substantially cylindrical fuel cell tube with a fuel cell formed on the surface,
The fuel cell is located in the first space, and an open end of the fuel cell pipe is opened to the second space;
Inside the fuel cell tube, fuel gas is introduced through the second space and the open end,
A combustion gas of an oxidant gas and a fuel gas for raising temperature is introduced to the outside of the fuel cell pipe through at least the third space and the second partition member,
The fuel cell module, wherein the second partition member is provided with a catalyst for reacting the oxidant gas and the fuel gas for temperature increase.
前記燃料電池セル管と前記第2仕切り部材との間には、所定間隔の隙間が設けられていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池モジュール。 The second partition member is formed of a heat-insulating material;
2. The fuel cell module according to claim 1, wherein a gap having a predetermined interval is provided between the fuel cell tube and the second partition member.
該燃料電池モジュールに供給する燃料ガスを改質する改質器と、
前記燃料電池モジュールに供給する空気を加熱する空気予熱器と、
前記燃料電池モジュールに昇温用燃料ガスを供給する供給部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell module according to any one of claims 1 to 4,
A reformer for reforming the fuel gas supplied to the fuel cell module;
An air preheater for heating air supplied to the fuel cell module;
A supply unit for supplying a fuel gas for raising temperature to the fuel cell module;
A fuel cell system comprising:
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