JP2010212178A - Solid-oxide fuel cell system - Google Patents

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Akihiko Noya
明彦 野家
Shin Takahashi
高橋  心
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent the generation of soot at the time of combustion in a combustor in a solid-oxide fuel cell system which has the combustor and directly heats and raises the temperature of a fuel battery cell to a power generation temperature by a combustion gas of the combustor. <P>SOLUTION: The solid-oxide fuel cell system includes a solid-oxide fuel cell 3, a combustor 1 which is arranged at least on one of a fuel electrode side and an air electrode side of the cell 3, and a combustion container 16 which becomes a passage of the combustion gas 5 generated in the combustor 1, and raises the temperature of the cell 3 to a power generation temperature by the combustion gas 5. An evaporator 4 which generates steam 15 is installed in the combustion container 16, and the combustion gas 5 generated in the combustor 1 and the steam 15 generated in the evaporator 4 are mixed in the combustion container 16. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、高温形燃料電池の一種である固体酸化物形燃料電池のシステムにおいて、燃焼ガスで燃料電池セルを発電温度まで直接加熱し昇温させる燃焼器を備える固体酸化物形燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell system that is a kind of high-temperature fuel cell, and relates to a solid oxide fuel cell system including a combustor that directly heats a fuel cell with combustion gas to a power generation temperature and raises the temperature. .

特許文献1には、燃焼器を備えた固体酸化物形燃料電池システムの従来例が示されている。図4を用いて、特許文献1による固体酸化物形燃料電池システムを説明する。固体酸化物形燃料電池システムは、燃焼器1、蒸発器4、改質器22、および固体酸化物形燃料電池のセル3を備える。炭化水素系の燃料を改質器22で改質させるため、燃焼器1の外側に設けた蒸発器4に給水し、燃焼器1を燃焼させて蒸発器4を間接的に加熱し、水蒸気15を発生させる。発生した水蒸気15を改質器22に供給し、炭化水素系の燃料と混合させて水蒸気改質し、改質ガス23を生成させる。生成した改質ガス23をセル3に供給し、発電を開始する。蒸発器4を燃焼器1の外側に接して設けることにより、短時間で蒸気を発生することができ、改質器22および固体酸化物形燃料電池の起動性の向上が図れる。   Patent Document 1 discloses a conventional example of a solid oxide fuel cell system including a combustor. A solid oxide fuel cell system according to Patent Document 1 will be described with reference to FIG. The solid oxide fuel cell system includes a combustor 1, an evaporator 4, a reformer 22, and a cell 3 of a solid oxide fuel cell. In order to reform the hydrocarbon-based fuel by the reformer 22, water is supplied to the evaporator 4 provided outside the combustor 1, the combustor 1 is burned to indirectly heat the evaporator 4, and the steam 15 Is generated. The generated steam 15 is supplied to the reformer 22, mixed with a hydrocarbon fuel, and steam reformed to generate a reformed gas 23. The generated reformed gas 23 is supplied to the cell 3 to start power generation. By providing the evaporator 4 in contact with the outside of the combustor 1, steam can be generated in a short time, and the startability of the reformer 22 and the solid oxide fuel cell can be improved.

特開2007−311158号公報JP 2007-31158 A

固体酸化物形燃料電池システムにおいて、起動性を向上させるためにセルを燃焼器の燃焼ガスで直接加熱し昇温させる方法では、燃焼ガスの燃料の供給状態によって燃焼ガスの燃焼状態が不均一になり、部分的に煤が発生する場合がある。煤が発生した場合、セルに煤が付着し、電気絶縁の不良やセルの劣化を引き起こす。   In a solid oxide fuel cell system, in order to improve the startability, the method of heating the cell directly with the combustion gas of the combustor and raising the temperature causes the combustion state of the combustion gas to be uneven depending on the fuel supply state of the combustion gas. Thus, wrinkles may occur partially. When wrinkles occur, the wrinkles adhere to the cells, resulting in poor electrical insulation and deterioration of the cells.

一般に燃焼ガスの燃焼による煤の発生防止には、燃焼ガスに水蒸気を混合させる方法が有効であることが知られている。   In general, it is known that a method of mixing water vapor with combustion gas is effective for preventing generation of soot due to combustion of combustion gas.

しかしながら、特許文献1による従来の方式では、水蒸気を発生させる蒸発器が燃焼器の外側に配置されており、発生した水蒸気は配管を通って改質器に導かれる。このため、水蒸気と燃焼器で発生した燃焼ガスとは分離されていて混合できず、煤の発生を防止することができない。   However, in the conventional system according to Patent Document 1, an evaporator that generates water vapor is disposed outside the combustor, and the generated water vapor is guided to a reformer through a pipe. For this reason, water vapor and combustion gas generated in the combustor are separated and cannot be mixed, and soot generation cannot be prevented.

燃焼器の燃焼時における煤の発生防止のため、本発明による固体酸化物形燃料電池システムは、基本的には以下のような特徴を有する。   In order to prevent the generation of soot during combustion in the combustor, the solid oxide fuel cell system according to the present invention basically has the following characteristics.

固体酸化物形燃料電池セルと、前記セルの燃料極側と空気極側との少なくとも一方に配置した燃焼器と、前記燃焼器で発生させた燃焼ガスの流路となる燃焼容器とを備え、前記燃焼ガスで前記セルを発電温度まで昇温する固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記燃焼容器内に水蒸気を発生させる蒸発器を設け、前記燃焼器から発生する燃焼ガスと前記蒸発器から発生する水蒸気とを前記燃焼容器内で混合させる。   A solid oxide fuel cell, a combustor disposed on at least one of the fuel electrode side and the air electrode side of the cell, and a combustion container serving as a flow path for combustion gas generated by the combustor, In the solid oxide fuel cell system in which the temperature of the cell is raised to the power generation temperature with the combustion gas, an evaporator for generating water vapor is provided in the combustion container, and the combustion gas generated from the combustor and generated from the evaporator Steam to be mixed is mixed in the combustion vessel.

好ましくは、前記蒸発器は空孔を有するポーラス構造である。   Preferably, the evaporator has a porous structure having pores.

また、本発明による固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記蒸発器は前記燃焼容器内において前記燃焼ガスの流路の周囲に設けられる水路であり、前記燃焼容器内で前記水路と前記セルとの間に、前記燃焼ガスと前記水路から発生する水蒸気とを混合させるための板状部材を備えてもよい。   Further, in the solid oxide fuel cell system according to the present invention, the evaporator is a water channel provided around the flow path of the combustion gas in the combustion container, and the water channel and the cell are disposed in the combustion container. There may be provided a plate-like member for mixing the combustion gas and water vapor generated from the water channel.

また、本発明による固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記蒸発器は、ノズルヘッダとこのノズルヘッダに取り付けられミスト化した水を放出して水蒸気を発生させるスプレイノズルとから構成されてもよい。   In the solid oxide fuel cell system according to the present invention, the evaporator may include a nozzle header and a spray nozzle that is attached to the nozzle header and discharges mist water to generate water vapor.

本発明によれば、水蒸気を発生させる蒸発器を燃焼容器内に設置し、燃焼器で発生した燃焼ガスで蒸発器を加熱するとともに水蒸気を発生させる。これにより、燃焼ガスと水蒸気とを混合させることが可能となり、煤の発生を防止できる。   According to the present invention, an evaporator for generating water vapor is installed in a combustion container, and the evaporator is heated with combustion gas generated by the combustor and water vapor is generated. Thereby, it becomes possible to mix combustion gas and water vapor | steam, and can prevent generation | occurrence | production of soot.

本発明の実施例1による固体酸化物形燃料電池システムの構成図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The block diagram of the solid oxide fuel cell system by Example 1 of this invention. 本発明の実施例2による固体酸化物形燃料電池システムの構成図。The block diagram of the solid oxide fuel cell system by Example 2 of this invention. 本発明の実施例3による固体酸化物形燃料電池システムの構成図。The block diagram of the solid oxide fuel cell system by Example 3 of this invention. 従来技術による固体酸化物形燃料電池システムの構成図。The block diagram of the solid oxide fuel cell system by a prior art. 実施例1における蒸発器の概略図。1 is a schematic diagram of an evaporator in Embodiment 1. FIG. 実施例1において、蒸発器を空気極側の燃焼容器内に設けた場合の固体酸化物形燃料電池システムの構成図。In Example 1, the block diagram of a solid oxide fuel cell system at the time of providing an evaporator in the combustion container by the side of an air electrode. 実施例1において、蒸発器を燃料極側と空気極側との両方の燃焼容器内に設けた場合の固体酸化物形燃料電池システムの構成図。In Example 1, the block diagram of a solid oxide fuel cell system at the time of providing the evaporator in the combustion container of both the fuel electrode side and the air electrode side. 実施例3において、ノズルヘッダとスプレイノズルの配置を説明するために燃焼容器を上部から見た平面図。In Example 3, the top view which looked at the combustion container from the upper part in order to demonstrate arrangement | positioning of a nozzle header and a spray nozzle.

本発明による固体酸化物形燃料電池システムでは、固体酸化物形燃料電池のセルを燃焼器で発生させた燃焼ガスで発電温度まで昇温する。そして、燃焼器の燃焼時における煤の発生防止のために、以下の手段を用いる。
(1)燃焼器で発生させた燃焼ガスの流路となる燃焼容器内に蒸発器を設置し、水蒸気を発生させる。
(2)燃焼器で発生した燃焼ガスと蒸発器からの水蒸気とを均一に混合させる。
(3)燃焼ガスに混合させる水蒸気を短時間で発生させる。
In the solid oxide fuel cell system according to the present invention, the temperature of the cells of the solid oxide fuel cell is raised to the power generation temperature with the combustion gas generated by the combustor. And the following means are used in order to prevent the generation of soot during combustion in the combustor.
(1) An evaporator is installed in a combustion vessel that becomes a flow path of combustion gas generated by the combustor, and water vapor is generated.
(2) The combustion gas generated in the combustor and the water vapor from the evaporator are mixed uniformly.
(3) Water vapor mixed with the combustion gas is generated in a short time.

煤の発生を防止するためには、燃焼ガスに水蒸気を混合させる必要がある。そこで、燃焼器で発生させた燃焼ガスの流路となる燃焼容器内に蒸発器を設置し、燃焼器からの燃焼ガスで蒸発器を加熱して水蒸気を発生させることにより、燃焼ガスと水蒸気とを燃焼容器内で混合させる。   In order to prevent the generation of soot, it is necessary to mix water vapor with the combustion gas. Therefore, an evaporator is installed in a combustion vessel that becomes a flow path of the combustion gas generated in the combustor, and the evaporator is heated with the combustion gas from the combustor to generate water vapor, thereby generating the combustion gas and water vapor. Are mixed in the combustion container.

このとき、蒸発器に空孔を設けてポーラス構造にしたり、蒸発器として燃焼容器内において燃焼ガスの流路の周囲に水路を設けるとともに、この水路とセルとの間に燃焼ガスと水蒸気とを混合させるための邪魔板を設けたり、ミスト化した水を放出して水蒸気を発生させるスプレイを蒸発器として用いたりすることにより、燃焼ガスと水蒸気とを均一に混合させることができ、水蒸気をより短時間で発生させることが可能となる。また、蒸発器の水蒸気の蒸発面を燃焼ガスの流路内に露出させると、水蒸気をさらに効率よく燃焼容器内に発生させることができる。   At this time, a hole is provided in the evaporator to form a porous structure, or a water channel is provided around the flow path of the combustion gas in the combustion container as an evaporator, and combustion gas and water vapor are provided between the water channel and the cell. By providing a baffle plate for mixing or using a spray that discharges mist water and generates water vapor as an evaporator, combustion gas and water vapor can be mixed uniformly, and water vapor can be mixed more It can be generated in a short time. Further, when the evaporation surface of the water vapor of the evaporator is exposed in the combustion gas flow path, the water vapor can be generated in the combustion container more efficiently.

これにより、燃焼開始直後から燃焼ガスと水蒸気とを均一に混合させることができ、燃焼時における煤発生の防止を図ることができる。   Thereby, combustion gas and water vapor can be mixed uniformly immediately after the start of combustion, and soot generation at the time of combustion can be prevented.

図1に、本発明による固体酸化物形燃料電池システムの実施例を示す。本実施例の固体酸化物形燃料電池システムは、空気配管11から発電用空気12が、燃料配管13から発電用燃料14が各々供給され、固体酸化物形燃料電池のセル3で発電する。セル3の、発電用空気12が供給される側を空気極側、発電用燃料14が供給される側を燃料極側と称する。本実施例では、セル3の燃料極側と空気極側の両方に燃焼器と燃焼容器16が設けられている。燃焼容器16は、燃焼器で発生させた燃焼ガスの流路となるほかに、固体酸化物形燃料電池のセルに供給される燃料と空気を燃焼ガスで予熱するための機能も有する。   FIG. 1 shows an embodiment of a solid oxide fuel cell system according to the present invention. In the solid oxide fuel cell system of this embodiment, power generation air 12 is supplied from the air pipe 11 and power generation fuel 14 is supplied from the fuel pipe 13 to generate power in the cell 3 of the solid oxide fuel cell. The side of the cell 3 to which the power generation air 12 is supplied is referred to as the air electrode side, and the side to which the power generation fuel 14 is supplied is referred to as the fuel electrode side. In this embodiment, the combustor and the combustion container 16 are provided on both the fuel electrode side and the air electrode side of the cell 3. The combustion container 16 has a function for preheating the fuel and air supplied to the cells of the solid oxide fuel cell with the combustion gas, in addition to the flow path of the combustion gas generated by the combustor.

発電する際には、燃焼器1に燃焼用燃料6と燃焼用空気7とを供給して燃焼させ、発生した燃焼ガス5でセル3を発電温度まで昇温させる。燃焼用燃料6には、メタンなどの炭化水素系の燃料を用いることができる。その後、セル3に発電用空気12と発電用燃料14とを供給し、発電を開始する。発電後の排ガス10は高温であるため、熱回収された後、排気される。また、固体酸化物形燃料電池は発電温度が800℃程度と高いため、セル3の周囲を断熱材9で囲い、放熱を抑制する。   When generating electric power, the combustion fuel 6 and the combustion air 7 are supplied to the combustor 1 and burned, and the generated combustion gas 5 raises the temperature of the cell 3 to the power generation temperature. As the combustion fuel 6, a hydrocarbon fuel such as methane can be used. Thereafter, power generation air 12 and power generation fuel 14 are supplied to the cell 3 to start power generation. Since the exhaust gas 10 after power generation is hot, it is exhausted after heat recovery. Further, since the power generation temperature of the solid oxide fuel cell is as high as about 800 ° C., the periphery of the cell 3 is surrounded by a heat insulating material 9 to suppress heat dissipation.

図1に示した実施例では、燃料極側の燃焼容器16内で、燃焼器1とセル3との間の燃焼ガスの流路内に蒸発器4を設けて、燃焼ガス5で蒸発器4を直接加熱している。蒸発器4は水ポンプ8と接続されており、水が供給される。この水が、燃焼ガス5の加熱により蒸発し、水蒸気15となる。   In the embodiment shown in FIG. 1, the evaporator 4 is provided in the combustion gas flow path between the combustor 1 and the cell 3 in the combustion container 16 on the fuel electrode side, and the combustion gas 5 is used as the evaporator 4. Is heated directly. The evaporator 4 is connected to a water pump 8 and is supplied with water. This water is evaporated by heating the combustion gas 5 to become water vapor 15.

本実施例での蒸発器4は、図5に示すような形状であり、水蒸気15となる水をためることができ、多数の空孔2が空いたポーラス構造となっている。さらに蒸発器4は、燃焼ガスの流路内に水の蒸発面が露出しており、水蒸気15を短時間で効率よくかつ均一に燃焼容器16内に発生させることができる。   The evaporator 4 in the present embodiment has a shape as shown in FIG. 5, can store water that becomes the water vapor 15, and has a porous structure in which a large number of holes 2 are open. Further, the evaporator 4 has an evaporation surface of water exposed in the flow path of the combustion gas, so that the water vapor 15 can be generated in the combustion container 16 efficiently and uniformly in a short time.

燃焼器1からの燃焼ガス5は、蒸発器4の空孔2を通ってセル3の方へ上昇していく。このとき、蒸発器4から発生した水蒸気15と燃焼ガス5とは、均一に混合される。これにより、燃焼器1の燃焼時における煤の発生を防止することが可能となる。   The combustion gas 5 from the combustor 1 rises toward the cell 3 through the air holes 2 of the evaporator 4. At this time, the water vapor 15 generated from the evaporator 4 and the combustion gas 5 are uniformly mixed. Thereby, it becomes possible to prevent the generation of soot during combustion of the combustor 1.

また、蒸発器4をポーラス構造とすることで、蒸発器4の伝熱面積が増え、より短時間で水蒸気が発生できるので、燃焼器1の燃焼直後から煤発生防止効果を期待できる。   In addition, since the evaporator 4 has a porous structure, the heat transfer area of the evaporator 4 is increased, and water vapor can be generated in a shorter time. Therefore, a soot generation preventing effect can be expected immediately after the combustion of the combustor 1.

なお、空孔2の数、大きさ、および配置は、図5の例に限られるものではない。空孔2を蒸発器4内で細かくかつ均一に分布させると、燃焼ガス5と水蒸気15とをさらに均一に混合でき、煤発生防止にいっそう効果的である。   Note that the number, size, and arrangement of the holes 2 are not limited to the example of FIG. If the holes 2 are finely and uniformly distributed in the evaporator 4, the combustion gas 5 and the water vapor 15 can be mixed more uniformly, which is more effective in preventing soot generation.

蒸発器4の材質は、耐熱性(例えば金属、セラミック、ガラスなど)であり、不純物を発生するもの(例えば有機物系など)でなければ、特に問わない。また、蒸発器4の大きさは、水蒸気を燃焼ガスと均一に混合することや水蒸気の発生効率を考慮すると、燃焼器1を覆う程度の大きさ(面積)であるのが望ましい。蒸発器4の形状は、本実施例では図5に示したように四角形であるが、これに限定されるものではなく、例えば円形でもよい。   The material of the evaporator 4 is not particularly limited as long as it is heat-resistant (for example, metal, ceramic, glass, etc.) and does not generate impurities (for example, organic materials). Further, the size of the evaporator 4 is desirably a size (area) that covers the combustor 1 in consideration of uniformly mixing the water vapor with the combustion gas and considering the generation efficiency of the water vapor. In the present embodiment, the shape of the evaporator 4 is a quadrangle as shown in FIG. 5, but is not limited to this, and may be a circle, for example.

なお、本実施例では、燃焼器1と燃焼容器16とは、セル3の燃料極側と空気極側の両方に設けているが、どちらか一方だけに設けてもよい。以下の実施例でも、燃焼器1と燃焼容器16は、燃料極側と空気極側とのどちらか一方または両方に設けてもよいが、本実施例と同様に、燃料極側と空気極側の両方に設置した場合について説明する。   In the present embodiment, the combustor 1 and the combustion container 16 are provided on both the fuel electrode side and the air electrode side of the cell 3, but may be provided on only one of them. Also in the following embodiments, the combustor 1 and the combustion container 16 may be provided on either or both of the fuel electrode side and the air electrode side. However, as in the present embodiment, the fuel electrode side and the air electrode side are provided. The case where it installs in both is demonstrated.

また、本実施例では、蒸発器4は、燃料極側の燃焼容器16内に設けているが、図6に示すように空気極側の燃焼容器16内に設けてもよく、図7に示すように燃料極側と空気極側の両方の燃焼容器16内に設けてもよい。以下の実施例でも、蒸発器4は、燃焼器1が設置されていれば燃料極側と空気極側とのどちらか一方または両方に設けてもよいが、本実施例と同様に、燃料極側の燃焼容器16内に設置した場合について説明する。   Further, in this embodiment, the evaporator 4 is provided in the combustion container 16 on the fuel electrode side, but may be provided in the combustion container 16 on the air electrode side as shown in FIG. As described above, the combustion chambers 16 on both the fuel electrode side and the air electrode side may be provided. Also in the following embodiments, the evaporator 4 may be provided on either or both of the fuel electrode side and the air electrode side as long as the combustor 1 is installed. The case where it installs in the combustion container 16 of the side is demonstrated.

図2に、本発明による固体酸化物形燃料電池システムの別の実施例を示す。図2において、実施例1(図1)と同一の符号は、実施例1と同一または対応する要素を示す。   FIG. 2 shows another embodiment of the solid oxide fuel cell system according to the present invention. 2, the same reference numerals as those in the first embodiment (FIG. 1) denote the same or corresponding elements as those in the first embodiment.

本実施例は、燃料極側の燃焼容器16内に蒸発器として水路17を設けたものである。水路17は、燃焼容器16内において燃焼ガスの流路の周囲を一周するように設置されており、水ポンプ8と接続されて水が供給される。本実施例の蒸発器である水路17も、実施例1の蒸発器4と同様に、燃焼ガス5の流路内に水の蒸発面が露出しており、水蒸気15を効率よく燃焼容器16内に発生させることができる。   In this embodiment, a water channel 17 is provided as an evaporator in the combustion vessel 16 on the fuel electrode side. The water channel 17 is installed in the combustion container 16 so as to go around the combustion gas flow channel, and is connected to the water pump 8 to supply water. Similarly to the evaporator 4 of the first embodiment, the water channel 17 which is the evaporator of the present embodiment also exposes the evaporation surface of water in the flow path of the combustion gas 5, so that the water vapor 15 can be efficiently transferred into the combustion container 16. Can be generated.

また、本実施例の固体酸化物形燃料電池システムには、燃焼容器内において、蒸発器である水路17とセル3との間に邪魔板18を設ける。邪魔板18とは、燃焼ガス5と水路17から発生する水蒸気15との流れを変えて均一に混合するための板状の部材である。邪魔板18は、実施例1の蒸発器4と同様に、不純物を発生するもの(有機物系など)でなく、例えば金属、セラミック、ガラスなどの耐熱性であれば、特に材質は問わない。大きさ(面積)は、セル3を格納するセル室の断面積より大きいのが望ましい。また、邪魔板18の形状は、例えば四角形や円形などでよく、特に限定はしない。   Further, in the solid oxide fuel cell system of the present embodiment, a baffle plate 18 is provided between the water channel 17 serving as an evaporator and the cell 3 in the combustion container. The baffle plate 18 is a plate-like member for changing the flow of the combustion gas 5 and the water vapor 15 generated from the water channel 17 and mixing them uniformly. The baffle plate 18 is not a material that generates impurities (such as an organic material) as in the evaporator 4 of the first embodiment, and any material may be used as long as it is heat resistant such as metal, ceramic, glass, and the like. The size (area) is preferably larger than the cross-sectional area of the cell chamber in which the cell 3 is stored. Further, the shape of the baffle plate 18 may be, for example, a square or a circle, and is not particularly limited.

水ポンプ8から水路17に供給された水は、燃焼ガス5で燃焼容器16が加熱されることにより水蒸気15となり、燃焼器1で発生した燃焼ガス5と共にセル3の方へ上昇していく。上昇してきた水蒸気15は、邪魔板18に衝突して流れ方向が変わり、上昇してきた燃焼ガス5と均一に混合される。これにより、燃焼器1の燃焼時における煤の発生を防止することが可能となる。   The water supplied from the water pump 8 to the water channel 17 becomes the water vapor 15 when the combustion container 16 is heated by the combustion gas 5 and rises toward the cell 3 together with the combustion gas 5 generated in the combustor 1. The rising steam 15 collides with the baffle plate 18 to change the flow direction, and is uniformly mixed with the rising combustion gas 5. Thereby, it becomes possible to prevent the generation of soot during combustion of the combustor 1.

なお、水路17の水深を浅くしたり幅を小さくしたりすると、水蒸気15の発生時間の短縮に繋がり、燃焼器1の燃焼直後からの煤発生防止に有効である。水路17は、燃焼容器16内の周囲を必ずしも一周していなくてもよいが、水蒸気の発生効率や分布均一性を考慮すると、周囲を一周しているような配置またはそれに近い配置が望ましい。複数の水路17を、燃焼容器16内の周囲に設けてもよい。   If the water depth of the water channel 17 is reduced or the width is reduced, the generation time of the water vapor 15 is shortened, which is effective in preventing soot generation immediately after the combustion of the combustor 1. The water channel 17 does not necessarily go around the periphery of the combustion container 16, but in consideration of the generation efficiency of steam and the uniformity of distribution, the water channel 17 is preferably arranged around the periphery or an arrangement close thereto. A plurality of water channels 17 may be provided around the inside of the combustion container 16.

また、邪魔板18の表面に突起物を設けたり空孔を設けたりすることにより、燃焼ガス5と水蒸気15とをより均一に混合することができるようになり、煤発生防止の効果をさらに向上させることが可能となる。   Further, by providing protrusions or holes on the surface of the baffle plate 18, the combustion gas 5 and the water vapor 15 can be mixed more uniformly, further improving the effect of preventing soot generation. It becomes possible to make it.

図3に、本発明による固体酸化物形燃料電池システムのもう1つの実施例を示す。図3において、実施例1(図1)と同一の符号は、実施例1と同一または対応する要素を示す。   FIG. 3 shows another embodiment of the solid oxide fuel cell system according to the present invention. 3, the same reference numerals as those in the first embodiment (FIG. 1) denote the same or corresponding elements as those in the first embodiment.

本実施例は、燃料極側の燃焼容器16内で、燃焼器1とセル3との間の燃焼ガスの流路内に、蒸発器としてノズルヘッダ21とスプレイノズル19とを設けたものである。ノズルヘッダ21には、スプレイノズル19が燃焼器1に向けて複数取り付けられており、水ポンプ8と接続されて水が供給される。   In this embodiment, a nozzle header 21 and a spray nozzle 19 are provided as evaporators in the combustion gas flow path between the combustor 1 and the cell 3 in the combustion vessel 16 on the fuel electrode side. . A plurality of spray nozzles 19 are attached to the nozzle header 21 toward the combustor 1 and are connected to the water pump 8 to supply water.

水ポンプ8からノズルヘッダ21に供給された水は、スプレイノズル19からミスト20となって燃焼器1の方へ放出される。ミスト20は、細かい霧状の水滴であり、燃焼器1で発生してセル3の方へ上昇してきた燃焼ガス5によって加熱され水蒸気となり、燃焼ガス5と衝突し均一に混合される。これにより、燃焼器1の燃焼時における煤の発生を防止することができる。   The water supplied from the water pump 8 to the nozzle header 21 becomes mist 20 from the spray nozzle 19 and is discharged toward the combustor 1. The mist 20 is fine mist-like water droplets, is heated by the combustion gas 5 generated in the combustor 1 and rising toward the cell 3, becomes water vapor, collides with the combustion gas 5, and is uniformly mixed. Thereby, generation | occurrence | production of soot at the time of combustion of the combustor 1 can be prevented.

なお、より細かいミスト20を発生できるスプレイノズル19を使用することにより、ミスト20が水蒸気となる時間をさらに短くでき、燃焼器1の燃焼直後から煤発生防止の効果を期待できる。   In addition, by using the spray nozzle 19 that can generate finer mist 20, the time during which the mist 20 becomes water vapor can be further shortened, and an effect of preventing soot generation can be expected immediately after combustion of the combustor 1.

図8を用いて、燃焼容器16内でのノズルヘッダ21とスプレイノズル19の配置を説明する。図8は、燃焼容器16を上部から見た平面図であり、簡略化してノズルヘッダ21とスプレイノズル19のみを示した。   The arrangement of the nozzle header 21 and the spray nozzle 19 in the combustion container 16 will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a plan view of the combustion container 16 as viewed from above, and only the nozzle header 21 and the spray nozzle 19 are shown in a simplified manner.

ノズルヘッダ21は、複数本(図8では3本)設置され、それぞれにスプレイノズル19が複数個(図8ではそれぞれ6個)取り付けられている。各ノズルヘッダ21は、水ポンプ8に接続されて水が供給される。このように、複数のノズルヘッダ21のそれぞれに、複数のスプレイノズル19を設置することで、燃焼ガス5と水蒸気の均一混合が可能になる。スプレイノズル19は、放出したミストが効率よく均一に水蒸気になるように、燃焼容器16内で均一に分布させて取り付けるのが望ましい。   A plurality of nozzle headers 21 (three in FIG. 8) are installed, and a plurality of spray nozzles 19 (six in FIG. 8) are attached to each. Each nozzle header 21 is connected to the water pump 8 and supplied with water. As described above, by installing the plurality of spray nozzles 19 in each of the plurality of nozzle headers 21, the combustion gas 5 and water vapor can be uniformly mixed. It is desirable that the spray nozzles 19 be mounted in a uniform distribution in the combustion vessel 16 so that the discharged mist is efficiently and uniformly converted into water vapor.

スプレイノズル19およびノズルヘッダ21は、実施例1の蒸発器4や実施例2の邪魔板18と同様に、不純物を発生しない耐熱性のものであれば、特に材質は問わない。   The spray nozzle 19 and the nozzle header 21 are not particularly limited as long as the spray nozzle 19 and the nozzle header 21 are heat resistant so as not to generate impurities, like the evaporator 4 of the first embodiment and the baffle plate 18 of the second embodiment.

ノズルヘッダ21およびスプレイノズル19の大きさと数は、水蒸気が燃焼容器16内の広範囲に均一に行きわたることができるようなものであればよく、図8の例に限定されるものではない。水蒸気を燃焼ガス5と均一に混合することや水蒸気の発生効率を考慮すると、複数のスプレイノズル19が全体として燃焼器1を覆うように設置するのが望ましい。   The size and number of the nozzle header 21 and the spray nozzle 19 are not limited to the example of FIG. 8 as long as the water vapor can be uniformly distributed over a wide range in the combustion container 16. In consideration of uniformly mixing the water vapor with the combustion gas 5 and the generation efficiency of the water vapor, it is desirable to install the plurality of spray nozzles 19 so as to cover the combustor 1 as a whole.

ノズルヘッダ21およびスプレイノズル19の形状は、特に限定しない。ノズルヘッダ21については、例えば形状を円柱状にすると、円周方向にもスプレイノズル19を複数取り付けることができる。このようにすると、均一混合の効果をさらに上げることができ、燃焼ガス5と水蒸気の混合が促進され、煤発生防止効果がさらに向上する。   The shapes of the nozzle header 21 and the spray nozzle 19 are not particularly limited. For the nozzle header 21, for example, if the shape is cylindrical, a plurality of spray nozzles 19 can be attached in the circumferential direction. If it does in this way, the effect of uniform mixing can further be raised, mixing of the combustion gas 5 and water vapor | steam will be accelerated | stimulated, and the soot generation | occurrence | production prevention effect will further improve.

本発明は、燃料電池セルを発電温度まで昇温させるための燃焼器を備えた固体酸化物形燃料電池システムに適用することができる。   The present invention can be applied to a solid oxide fuel cell system including a combustor for raising the temperature of a fuel cell to a power generation temperature.

1…燃焼器、2…空孔、3…セル、4…蒸発器、5…燃焼ガス、6…燃焼用燃料、7…燃焼用空気、8…水ポンプ、9…断熱材、10…排ガス、11…空気配管、12…発電用空気、13…燃料配管、14…発電用燃料、15…水蒸気、16…燃焼容器、17…水路、18…邪魔板、19…スプレイノズル、20…ミスト、21…ノズルヘッダ、22…改質器、23…改質ガス。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Combustor, 2 ... Hole, 3 ... Cell, 4 ... Evaporator, 5 ... Combustion gas, 6 ... Combustion fuel, 7 ... Combustion air, 8 ... Water pump, 9 ... Thermal insulation, 10 ... Exhaust gas, DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Air piping, 12 ... Air for electric power generation, 13 ... Fuel piping, 14 ... Fuel for electric power generation, 15 ... Water vapor, 16 ... Combustion container, 17 ... Water channel, 18 ... Baffle plate, 19 ... Spray nozzle, 20 ... Mist, 21 ... Nozzle header, 22 ... Reformer, 23 ... Reformed gas.

Claims (5)

固体酸化物形燃料電池セルと、前記セルの燃料極側と空気極側との少なくとも一方に配置した燃焼器と、前記燃焼器で発生させた燃焼ガスの流路となる燃焼容器とを備え、前記燃焼ガスで前記セルを発電温度まで昇温する固体酸化物形燃料電池システムにおいて、
前記燃焼容器内に水蒸気を発生させる蒸発器を設け、前記燃焼器から発生する燃焼ガスと前記蒸発器から発生する水蒸気とを前記燃焼容器内で混合させることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
A solid oxide fuel cell, a combustor disposed on at least one of the fuel electrode side and the air electrode side of the cell, and a combustion container serving as a flow path of combustion gas generated by the combustor, In the solid oxide fuel cell system that raises the temperature of the cell to the power generation temperature with the combustion gas,
A solid oxide fuel cell characterized in that an evaporator for generating water vapor is provided in the combustion container, and combustion gas generated from the combustor and water vapor generated from the evaporator are mixed in the combustion container. system.
請求項1記載の固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記蒸発器は空孔を有するポーラス構造である固体酸化物形燃料電池システム。   2. The solid oxide fuel cell system according to claim 1, wherein the evaporator has a porous structure having pores. 請求項1記載の固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記蒸発器は前記燃焼容器内において前記燃焼ガスの流路の周囲に設けられる水路であり、前記燃焼容器内で前記水路と前記セルとの間に、前記燃焼ガスと前記水路から発生する水蒸気とを混合させるための板状部材を備える固体酸化物形燃料電池システム。   2. The solid oxide fuel cell system according to claim 1, wherein the evaporator is a water channel provided around the flow path of the combustion gas in the combustion container, and the water channel and the cell are formed in the combustion container. A solid oxide fuel cell system comprising a plate-like member for mixing the combustion gas and water vapor generated from the water channel. 請求項1記載の固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記蒸発器は、ノズルヘッダとこのノズルヘッダに取り付けられミスト化した水を放出して水蒸気を発生させるスプレイノズルとから構成される固体酸化物形燃料電池システム。   2. The solid oxide fuel cell system according to claim 1, wherein the evaporator includes a nozzle header and a spray nozzle that is attached to the nozzle header and discharges mist water to generate water vapor. Fuel cell system. 請求項1記載の固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記蒸発器は、水蒸気の蒸発面が前記燃焼ガスの流路内に露出している固体酸化物形燃料電池システム。   2. The solid oxide fuel cell system according to claim 1, wherein the evaporator has a water vapor evaporation surface exposed in the combustion gas flow path.
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