JP2007122964A - Solid-oxide fuel cell power generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池よりなるセルを複数個集合してモジュール構造にした固体酸化物形燃料電池発電システムに係り、特にアノードガスに炭化水素系燃料を用いる発電システムに関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell power generation system in which a plurality of cells made of solid oxide fuel cells are assembled into a module structure, and more particularly to a power generation system using a hydrocarbon fuel as an anode gas.
燃料電池は電解質を挟んで一方の側にアノードを備え、他方の側にカソードを備え、アノード側には燃料ガスを、カソード側には酸化剤ガス(主として空気)を供給し、電解質を介して燃料と酸化剤を電気化学的に反応させることにより発電する発電装置である。燃料電池の種類の一つである固体酸化物形燃料電池は、作動温度が700〜1000℃程度と高く、発電効率が高いこと、また排熱も利用しやすいことから研究が進められている。 A fuel cell has an anode on one side with an electrolyte in between, a cathode on the other side, a fuel gas on the anode side, and an oxidant gas (mainly air) on the cathode side. It is a power generation device that generates electricity by electrochemically reacting a fuel and an oxidant. A solid oxide fuel cell, which is one type of fuel cell, has been studied because it has a high operating temperature of about 700 to 1000 ° C., high power generation efficiency, and easy use of exhaust heat.
通常、燃料電池は、電気出力を得るために、数十から数百程度のセルを積層させて集合体(モジュール)にしている。発電時には、ジュール熱によってセルが発熱し、熱的に自立して運転できる。セルにとっては、運転温度が低すぎると性能が発揮できず、逆に運転温度が高すぎると材料劣化を招き寿命が悪化するため、最適な温度範囲に保持されることが望まれる。ここで、実際の発電状態においては、モジュールに温度分布が発生するため、この温度分布を均一化することが必要である。 Usually, in order to obtain an electric output, a fuel cell is formed by stacking several tens to several hundreds of cells into an assembly (module). At the time of power generation, the cell generates heat due to Joule heat and can be operated thermally independently. For the cell, if the operating temperature is too low, the performance cannot be exhibited. Conversely, if the operating temperature is too high, the material is deteriorated and the life is deteriorated. Here, in the actual power generation state, a temperature distribution is generated in the module. Therefore, it is necessary to make the temperature distribution uniform.
セルの温度制御に関して記載された先行技術としては、例えば特許文献1がある。特許文献1には、セルに隣接して内部改質器を配置した固体電解質形燃料電池において、セルと内部改質器との間の熱伝導量を調整する手段を設けて、セルと内部改質器に温度差が生ずるのを防止することが記載されている。これにより、セルの表面温度に温度分布が生じることを抑制できることが記載されている。しかし、特許文献1にはモジュールの温度分布の均一化については記載されていない。 As a prior art described regarding the temperature control of a cell, there exists patent document 1, for example. In Patent Document 1, in a solid oxide fuel cell in which an internal reformer is disposed adjacent to a cell, means for adjusting the amount of heat conduction between the cell and the internal reformer is provided. It is described that temperature differences are prevented from occurring in the mass device. Thus, it is described that the temperature distribution can be suppressed from occurring in the cell surface temperature. However, Patent Document 1 does not describe the uniform temperature distribution of the module.
本発明の目的は、セルを複数個集合したモジュール構造を有し、アノードガスとして炭化水素系燃料を用いる固体酸化物形燃料電池発電システムにおいて、モジュールの温度分布の均一化を図ることにある。 An object of the present invention is to achieve uniform temperature distribution of a module in a solid oxide fuel cell power generation system having a module structure in which a plurality of cells are assembled and using a hydrocarbon fuel as an anode gas.
本発明は、固体酸化物形燃料電池よりなるセルが複数個集合されたモジュール構造を有し、アノードガスとして炭化水素系燃料が用いられる固体酸化物形燃料電池発電システムにおいて、モジュールの温度が上昇しやすい部分とそれ以外の部分とで異なるアノードガスを供給して、モジュールの温度分布が均一化されるようにしたものである。 The present invention has a module structure in which a plurality of cells made of solid oxide fuel cells are assembled, and the temperature of the module increases in a solid oxide fuel cell power generation system in which hydrocarbon fuel is used as the anode gas. A different anode gas is supplied to the part which is easy to be processed and the other part so that the temperature distribution of the module is made uniform.
また、本発明は、複数個のセルが集合されたモジュール構造を有し、アノードガスとして炭化水素系燃料を改質器で改質したガスが供給されるようにした固体酸化物形燃料電池発電システムにおいて、改質器を複数個備えて炭化水素濃度と温度および流量の少なくとも1つが異なる改質ガスが生成されるようにし、モジュールの温度が上昇しやすい部分とそれ以外の部分とで異なるアノードガスを供給し、モジュールの温度分布が均一化されるようにしたものである。 Further, the present invention has a module structure in which a plurality of cells are gathered, and a solid oxide fuel cell power generation in which a gas obtained by reforming a hydrocarbon fuel with a reformer as an anode gas is supplied. In the system, a plurality of reformers are provided so that reformed gas having different hydrocarbon concentration, at least one of temperature and flow rate is generated, and the anode is different in the part where the temperature of the module is likely to rise and the other part Gas is supplied so that the temperature distribution of the module is made uniform.
また、本発明は、複数個のセルが集合されたモジュール構造を有し、アノードガスとして炭化水素系燃料を改質器で改質したガスが供給されるようにした固体酸化物形燃料電池発電システムにおいて、モジュールを温度上昇に応じて複数の区域に分け、それぞれの区域専用の改質器と区域内の温度を検知する温度センサおよび温度センサからの信号により改質器の運転条件を制御する制御装置を備え、温度センサからの信号をもとに改質器の運転条件を制御してモジュールの温度分布が均一化されるようにしたものである。 Further, the present invention has a module structure in which a plurality of cells are gathered, and a solid oxide fuel cell power generation in which a gas obtained by reforming a hydrocarbon fuel with a reformer as an anode gas is supplied. In the system, the module is divided into a plurality of zones according to the temperature rise, and the reformer for each zone, the temperature sensor for detecting the temperature in the zone, and the signal from the temperature sensor control the operation conditions of the reformer. A controller is provided to control the operating conditions of the reformer based on the signal from the temperature sensor so that the temperature distribution of the module is made uniform.
本発明では、モジュールの内部を温度上昇度合いに応じて複数の区域に仕切ること、例えば仕切り板を用いて仕切ることが望ましい。そして、温度が上昇しやすい部分には、それ以外の部分に比べて、炭化水素濃度が高いガスまたはガス温度が低いガスをアノードガスとして供給するか、或いは同じガス組成、ガス温度の場合にはガス流量を多くすることが望ましい。 In the present invention, it is desirable to partition the inside of the module into a plurality of areas according to the degree of temperature rise, for example, using a partition plate. Then, a gas with a higher hydrocarbon concentration or a gas with a lower gas temperature is supplied as the anode gas to the portion where the temperature is likely to rise, or in the case of the same gas composition and gas temperature as compared with the other portions. It is desirable to increase the gas flow rate.
本発明の固体酸化物形燃料電池発電システムでは、炭化水素濃度或いはガス温度或いはガス流量が異なる2種類以上のアノードガスを用いて、モジュールの温度上昇しやすい中央部には、それ以外の周囲部に比べて、炭化水素濃度が高い又は温度が低いガスを供給するか、あるいはガス流量を多くする。これにより、モジュール全体として、温度分布の均一化を図ることが出来る。 In the solid oxide fuel cell power generation system of the present invention, two or more kinds of anode gases having different hydrocarbon concentrations, gas temperatures, or gas flow rates are used, and the module is likely to have a temperature rise at the center portion other than the surrounding portions. In comparison with the above, a gas having a high hydrocarbon concentration or a low temperature is supplied, or the gas flow rate is increased. As a result, the temperature distribution can be made uniform throughout the module.
まず、従来の一般的な固体酸化物形燃料電池発電システムについて、図3及び図4を用いて説明する。 First, a conventional general solid oxide fuel cell power generation system will be described with reference to FIGS.
図3(a)は固体酸化物形燃料電池発電システムの構成を示した断面図であり、図3(b)は図3(a)のA−A断面図である。図4は固体酸化物形燃料電池の単セルの断面図である。一般的な固体酸化物形燃料電池は、図4に示すように、セル80が円筒形の固体酸化物電解質80eを介して、その外側にアノード80aが配置され、内側にカソード80cが配置された構造となっている。アノードとカソードの配置が反対の場合もある。図3(b)では便宜上、36本のセルを図示したが、通常は数十から数百程度のセルが、直列もしくは並列に積層集合されて発電が行われる。この集合体をモジュール30と称する。
3A is a cross-sectional view showing a configuration of a solid oxide fuel cell power generation system, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 3A. FIG. 4 is a cross-sectional view of a single cell of a solid oxide fuel cell. In a general solid oxide fuel cell, as shown in FIG. 4, an
セル80のカソード側には、カソードガス90として酸化剤ガス(通常は空気)を供給する。この酸化剤ガスは、各セルへガスを均等分配するためのヘッダ91を通り、空気導入管92を通ってカソード80cに到達する。一方、アノード側には、通常、都市ガスやLNG、LPGなどの炭化水素系燃料と水蒸気を混合したガスを改質器200で一部あるいは全て水蒸気改質させてからアノードガス100として供給する。
An oxidant gas (usually air) is supplied as the
このようにして供給されたカソードガス90およびアノードガス100が電気化学反応を生じることで、電気と熱が発生する。この時に発生する熱で、セル80は、運転温度である700〜1000℃に維持される。また、モジュール30を取り囲む断熱材1によって、放熱を抑制する。
The
しかしながら、アノードガス100を同一のガス組成及び同一のガス温度及び同一のガス流量で供給すると、発電時のモジュール周囲部30Lは、放熱分だけモジュール中央部30Hよりもセル温度が低くなる傾向がある。また、モジュールを大型化するためにセルの本数を多くすると、モジュール中央部30Hの温度が上がりすぎ、最適な運転温度範囲を超えるおそれがある。すなわち、モジュール30の温度分布が不均一となる。本発明は、このモジュールの温度分布不均一の問題を解決するものである。
However, if the
図1は本発明の実施例を示したものであり、(a)は全体構成を示した断面図、(b)はA−A断面図である。本実施例では、2種類の異なるアノードガスを用いて、モジュール中央部30Hにはアノードガス100Aを流し、モジュール周囲部30Lにはアノードガス100Bを流している。図1では、アノードガス100Aとアノードガス100Bを確実に分離して流すために仕切り板20を設け、モジュール中央部30Hとモジュール周囲部30Lとを切り分けている。
1A and 1B show an embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a cross-sectional view showing an overall configuration, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA. In this embodiment, two types of different anode gases are used, and the
ここで、アノードガス100Aとアノードガス100Bは、次の(1)〜(3)のいずれかの条件を満たすガスが好ましい。
(1)アノードガス100Aはアノードガス100Bと比べて炭化水素濃度が高い
(2)アノードガス100Aはアノードガス100Bと比べてガス温度が低い
(3)アノードガス100Aはアノードガス100Bと比べてガス流量が多い
アノードガス中の炭化水素濃度が高いことは、セルのアノードにおいて、より多く水蒸気改質を行わせることになる、すなわち、内部改質による吸熱量が多くなることから、より多く冷却されることになる。また、アノードガス温度が低いことは、モジュールを冷却することになる。また、同一組成においてガス流量が多いことは内部改質による吸熱量が多くなることから、より多く冷却されることになる。
Here, the
(1) The
つまり、上記(1)〜(3)の少なくとも1つを満足するアノードガスを、モジュールの各部に供給することにより、特にモジュール中央部30Hを効果的に冷却でき、温度分布の均一化が達成できることになる。
That is, by supplying the anode gas satisfying at least one of the above (1) to (3) to each part of the module, the module
図5は本発明の他の実施例であり、(a)は全体構成を示した断面図、(b)はA−A断面図である。本実施例では、改質器200Aと改質器200Bを設けて、改質器200Aで生成された改質ガス100Aをモジュール中央部30Hに流し、改質器200Bで生成された改質ガス100Bをモジュール周囲部30Lに流すようにした。改質器200Aでは改質器200Bに比べて改質率の低いガス(吸熱量の多いガス)を生成し、改質器200Bでは改質器200Aに比べて改質率の高いガス(吸熱量の少ないガス)を生成する。改質率を変えることにより炭化水素濃度を変えることができ、かつ、ガス温度も変えることができる。具体的には、改質率を高くすると、炭化水素濃度が低く吸熱量の少ないガスになり、ガス温度は高くなる。
5A and 5B show another embodiment of the present invention, in which FIG. 5A is a cross-sectional view showing the entire configuration, and FIG. In the present embodiment, the
図2は、水蒸気改質器の改質温度Tと改質ガス中の炭化水素濃度の関係を模式的に示したものである。図2に示すように、改質温度を変えることにより、改質ガス中の炭化水素濃度を変化させることができる。したがって、図5に示すように改質器を2種類以上設置して、アノードガス100Aと100Bに相当する改質温度にそれぞれ設定してアノードに供給することにより、モジュール高温部を効果的に冷却できて、実施例1と同様にモジュールの温度分布均一化が達成できる。
FIG. 2 schematically shows the relationship between the reforming temperature T of the steam reformer and the hydrocarbon concentration in the reformed gas. As shown in FIG. 2, the hydrocarbon concentration in the reformed gas can be changed by changing the reforming temperature. Therefore, as shown in FIG. 5, two or more types of reformers are installed, set to reforming temperatures corresponding to the
図6は、複数の改質器と、改質器の制御装置とを備えた発電システムの実施例を示している。モジュール中央部30Hには温度センサ2Aが設置され、モジュール周囲部30Lには温度センサ2Bが設置されている。これらの温度センサによりモジュールの温度を検知し、検知信号2Sとして制御装置300に送信して制御を行う。制御装置300から制御信号200ASを改質器200Aに送信し、制御信号200BSを改質器200Bに送信し、それぞれの改質器から出る改質ガスの炭化水素濃度またはガス温度またはガス流量を制御する。例えば、温度センサ2Aによってモジュール中央部30Hの温度が高くなりすぎたと検知した場合には、モジュール中央部30Hを冷却するように、改質器200Aから出る改質ガス100Aの吸熱量を増加させる。この制御により安定した燃料電池運転が可能となる。
FIG. 6 shows an embodiment of a power generation system including a plurality of reformers and a reformer controller. A temperature sensor 2A is installed in the module
図7は、アノードガスの供給を水平方向としたモジュールの場合に本発明を適用する実施例を示したものである。この場合、モジュール30は、上下方向の両端部が放熱により温度が低いモジュール周囲部30Lとなり、上下方向の中央部が温度の高いモジュール中央部30Hとなる。したがって、このような配置においては、改質ガス100Aと100Bをそれぞれ図7のように流すことによって、温度分布の均一化が図れる。
FIG. 7 shows an embodiment in which the present invention is applied to a module in which the anode gas is supplied in a horizontal direction. In this case, the
なお、本発明の骨子は、ガス組成またはガス温度またはガス流量の少なくとも一つを変えた2種類以上のアノードガスを、モジュールのアノードに供給することでモジュールの温度分布均一化を図ることにある。そのため、セルの形は図4に示した円筒形に限られない。平板形或いはその他の形をした固体酸化物形燃料電池の場合にも適用できる。 Note that the gist of the present invention is to equalize the temperature distribution of the module by supplying two or more types of anode gas, in which at least one of the gas composition, gas temperature, or gas flow rate is changed, to the anode of the module. . Therefore, the shape of the cell is not limited to the cylindrical shape shown in FIG. The present invention can also be applied to a solid oxide fuel cell having a flat plate shape or other shapes.
また、以上述べた実施例では改質器を断熱材1の外側に配置した構成となっているが、改質器の配置はこれに限定されるものではなく、例えば断熱材の内側に改質器を備えることも出来る。 In the embodiment described above, the reformer is arranged outside the heat insulating material 1, but the arrangement of the reformer is not limited to this. For example, the reformer is arranged inside the heat insulating material. A vessel can also be provided.
1…断熱材、2A…温度センサ、2B…温度センサ、2S…検知信号、20…仕切り板、30…モジュール、30L…モジュール周囲部、30H…モジュール中央部、80…セル、80a…アノード、80c…カソード、80e…固体電解質、90…カソードガス、91…ヘッダ、92…空気導入管、100…アノードガス、100A…アノードガス、100B…アノードガス、200…改質器、200A…改質器、200B…改質器、200AS…制御信号、200BS…制御信号、300…制御装置。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Thermal insulation material, 2A ... Temperature sensor, 2B ... Temperature sensor, 2S ... Detection signal, 20 ... Partition plate, 30 ... Module, 30L ... Module peripheral part, 30H ... Module center part, 80 ... Cell, 80a ... Anode, 80c ... cathode, 80e ... solid electrolyte, 90 ... cathode gas, 91 ... header, 92 ... air introduction pipe, 100 ... anode gas, 100A ... anode gas, 100B ... anode gas, 200 ... reformer, 200A ... reformer, 200B ... reformer, 200AS ... control signal, 200BS ... control signal, 300 ... control device.
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