JP2012160465A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料極からの排出ガスを燃料ガスとして再利用する燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system in which exhaust gas from a fuel electrode is reused as fuel gas.
近年、規模の大小にかかわらず高い効率が得られることから、次世代のコジェネレーションシステムに用いられる発電手段として、燃料電池が注目されている。燃料電池は、酸素などの酸化剤ガスと水素などの燃料ガスとの化学反応を利用した電池であり、空気極と呼ばれる陽極と、燃料極と呼ばれる陰極とで電解質の層を挾んだ単セルを、複数重ね合わせて用いている。 In recent years, fuel cells have attracted attention as power generation means used in next-generation cogeneration systems because high efficiency can be obtained regardless of the size. A fuel cell is a battery that uses a chemical reaction between an oxidant gas such as oxygen and a fuel gas such as hydrogen. A single cell in which an electrolyte layer is sandwiched between an anode called an air electrode and a cathode called a fuel electrode. Are used in a superimposed manner.
この種の燃料電池を搭載する燃料電池システム、特に固体酸化物形燃料電池では、空気極で、空気中の酸素から空気極反応により酸素イオンが生成する。この酸素イオンは、固体酸化物電解質の内部を移動して燃料極に到達する。燃料極では、水素リッチな改質ガス中の水素及び一酸化炭素と到達した酸素イオンとが反応し、水蒸気又は二酸化炭素と電子とが生成する。この電子が、外部回路を移動する過程で電気エネルギーが取り出される。 In a fuel cell system equipped with this type of fuel cell, particularly a solid oxide fuel cell, oxygen ions are generated from oxygen in the air by an air electrode reaction at the air electrode. The oxygen ions move inside the solid oxide electrolyte and reach the fuel electrode. At the fuel electrode, hydrogen and carbon monoxide in the hydrogen-rich reformed gas react with the reached oxygen ions to generate water vapor or carbon dioxide and electrons. Electric energy is taken out in the process in which these electrons move in the external circuit.
このような燃料電池システムでは、一般に、燃料ガスの利用率を上げて燃費を増大させるために、燃料電池の燃料排出側より消費されずに排出される未反応の水素を含有するガスを燃料電池の燃料供給側に戻し、新たな燃料ガスと混合した状態で再度燃料電池に供給することにより、燃料ガスをリサイクルして利用している（非特許文献１参照）。 In such a fuel cell system, in general, in order to increase the fuel gas utilization rate and increase the fuel consumption, a gas containing unreacted hydrogen discharged without being consumed from the fuel discharge side of the fuel cell is used as the fuel cell. The fuel gas is recycled and used again by supplying it to the fuel cell in a mixed state with new fuel gas (see Non-Patent Document 1).
図４は、天然ガスなどの炭化水素燃料を改質して取り出した水素を燃料ガスとして用いる従来の燃料電池システムの構成を示す構成図である。このシステムは、燃料極４０１及び空気極４０２よりなる単セルをスタックした燃料電池スタック４０３と、水蒸気改質器４０４と、排出ガス燃焼器４０６と、ブロア４０８と、リサイクル用熱交換器４０９と、第１熱交換器４１０及び第２熱交換器４１１とを備えている。また、このシステムは、燃料供給経路４１２，空気供給経路４１５，燃料極排出ガス経路４１８，リサイクル用燃料極排出ガス経路４１９，燃焼用燃料極排出ガス経路４２０，空気極排出ガス経路４２１，及び燃焼ガス経路４２２を備えている。なお、図示していないが、燃料極４０１と空気極４０２との間には電解質の層が設けられている。また、図４では、１組の燃料極４０１及び空気極４０２よりなる単セルを示しているが、実際には、燃料電池スタック４０３は、複数の単セルから構成されている。 FIG. 4 is a configuration diagram showing a configuration of a conventional fuel cell system using hydrogen taken out by reforming a hydrocarbon fuel such as natural gas as a fuel gas. This system includes a fuel cell stack 403 in which single cells composed of a fuel electrode 401 and an air electrode 402 are stacked, a steam reformer 404, an exhaust gas combustor 406, a blower 408, a recycling heat exchanger 409, A first heat exchanger 410 and a second heat exchanger 411 are provided. This system also includes a fuel supply path 412, an air supply path 415, a fuel electrode exhaust gas path 418, a recycling fuel electrode exhaust gas path 419, a combustion fuel electrode exhaust gas path 420, an air electrode exhaust gas path 421, and a combustion A gas path 422 is provided. Although not shown, an electrolyte layer is provided between the fuel electrode 401 and the air electrode 402. FIG. 4 shows a single cell composed of a pair of fuel electrode 401 and air electrode 402, but actually, the fuel cell stack 403 is composed of a plurality of single cells.
この燃料電池システムでは、燃料供給経路４１２により供給される燃料ガス（例えば天然ガス）は、水蒸気改質器４０４で改質され、水素と共に一酸化炭素や水蒸気などを含む水素リッチなガスに変換され、この後、燃料電池スタック４０３の燃料極４０１に供給され、発電に用いられる。この発電の結果、燃料極４０１より排出される燃料極排出ガスは、燃料極排出ガス経路４１８を通り、リサイクル用燃料極排出ガス経路４１９及び燃焼用燃料極排出ガス経路４２０に分岐される。燃料極排出ガスは、水素ガスの濃度（比率）が低下しているが、改質された燃料ガスと同様に、水素と共に一酸化炭素や水蒸気などを含んでいる。 In this fuel cell system, the fuel gas (for example, natural gas) supplied through the fuel supply path 412 is reformed by the steam reformer 404 and converted into hydrogen-rich gas containing carbon monoxide, steam, and the like together with hydrogen. Thereafter, it is supplied to the fuel electrode 401 of the fuel cell stack 403 and used for power generation. As a result of this power generation, the fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode 401 passes through the fuel electrode exhaust gas path 418 and is branched into the recycling fuel electrode exhaust gas path 419 and the combustion fuel electrode exhaust gas path 420. The fuel electrode exhaust gas has a reduced concentration (ratio) of hydrogen gas, but contains carbon monoxide, water vapor and the like together with hydrogen, as with the reformed fuel gas.
リサイクル用燃料極排出ガス経路４１９に分岐された燃料極排出ガス（リサイクル用燃料極排出ガス）は、まず、リサイクル用熱交換器４０９で一度温度を下げられる。次いで、リサイクル用燃料極排出ガスは、ブロア４０８により流量が調整され、再びリサイクル用熱交換器４０９で昇温される。この後、リサイクル用燃料極排出ガスは、燃料供給経路４１２に合流し、燃料供給経路４１２により供給されている燃料ガスと共に、水蒸気改質器４０４に導入される。このようにして水蒸気改質器４０４に導入されるリサイクル用燃料極排出ガス中の水蒸気は、水蒸気改質反応に必要な水蒸気として利用される。 The temperature of the fuel electrode exhaust gas (recycle fuel electrode exhaust gas) branched into the recycle fuel electrode exhaust gas path 419 is first lowered once by the recycle heat exchanger 409. Next, the flow rate of the recycling fuel electrode exhaust gas is adjusted by the blower 408, and the temperature is raised again by the recycling heat exchanger 409. Thereafter, the recycle fuel electrode exhaust gas joins the fuel supply path 412 and is introduced into the steam reformer 404 together with the fuel gas supplied through the fuel supply path 412. Thus, the water vapor in the recycle fuel electrode exhaust gas introduced into the water vapor reformer 404 is used as water vapor necessary for the water vapor reforming reaction.
一方、燃焼用燃料極排出ガス経路４２０に分岐された燃料極排出ガス（燃焼用燃料極排出ガス）は、排出ガス燃焼器４０６において、空気極排出ガス経路４２１より供給される空気極排出ガスによって燃焼処理される。燃焼処理された後の燃焼ガスは、燃焼ガス経路４２２により排出される。ここで、ブロア４０８によるリサイクル用燃料極排出ガスの流量制御により、燃焼用燃料極排出ガス経路４２０に分岐される燃焼用燃料極排出ガスの量（流量）も制御される。 On the other hand, the fuel electrode exhaust gas (combustion fuel electrode exhaust gas) branched to the combustion fuel electrode exhaust gas path 420 is caused by the air electrode exhaust gas supplied from the air electrode exhaust gas path 421 in the exhaust gas combustor 406. It is burned. The combustion gas after being subjected to the combustion treatment is discharged through the combustion gas path 422. Here, by controlling the flow rate of the recycle fuel electrode exhaust gas by the blower 408, the amount (flow rate) of the combustion fuel electrode exhaust gas branched into the combustion fuel electrode exhaust gas path 420 is also controlled.
また、空気は、空気供給経路４１５より導入され、第１熱交換器４１０及び第２熱交換器４１１により、燃焼ガス経路４２２により排出される燃焼ガスとの間で熱交換されて昇温され、この後、燃料電池スタック４０３の空気極４０２に供給される。 In addition, air is introduced from the air supply path 415, and heat is exchanged with the combustion gas discharged through the combustion gas path 422 by the first heat exchanger 410 and the second heat exchanger 411, and the temperature is raised. Thereafter, the fuel cell stack 403 is supplied to the air electrode 402.
ところで、上述した従来の燃料電池システムでは、燃料電池スタック４０３の動作温度が１０００℃程度であるという前提で、燃料極より排出される燃料極排出ガスの２５％程度をリサイクル用燃料極排出ガスとして水蒸気改質器４０４にリサイクルして用いていた。上述したような燃料電池システムでは、発電動作において燃料電池スタック４０３からの発熱を、水蒸気改質器４０４における改質に必要な熱源としている。動作温度が１０００℃程度における水蒸気改質器４０４の加熱状態であれば、燃料極排出ガスの２５％程度の量のリサイクル用燃料極排出ガスにより供給される水蒸気の量で、十分な改質率が得られる。 By the way, in the conventional fuel cell system described above, on the assumption that the operating temperature of the fuel cell stack 403 is about 1000 ° C., about 25% of the fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode is used as the fuel electrode exhaust gas for recycling. It was recycled to the steam reformer 404 and used. In the fuel cell system as described above, heat generated from the fuel cell stack 403 in the power generation operation is used as a heat source necessary for reforming in the steam reformer 404. If the steam reformer 404 is in a heated state at an operating temperature of about 1000 ° C., a sufficient reforming rate can be achieved with the amount of steam supplied by the recycling fuel electrode exhaust gas in an amount of about 25% of the fuel electrode exhaust gas. Is obtained.
しかしながら、動作温度がより低下した場合、例えば、動作温度が７５０〜８００℃程度の場合、改質率が大幅に低下するという問題があった。よく知られているように、水蒸気改質器４０４の改質率は、動作温度により大きく変化し、動作温度が９００℃より低下すると、温度低下に比較してより大きく改質率が低下してしまう。 However, when the operating temperature is further lowered, for example, when the operating temperature is about 750 to 800 ° C., there is a problem that the reforming rate is significantly reduced. As is well known, the reforming rate of the steam reformer 404 varies greatly depending on the operating temperature. When the operating temperature drops below 900 ° C., the reforming rate decreases more than the temperature drop. End up.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、動作温度の低下による水蒸気改質器の改質率の低下が抑制できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to suppress a decrease in the reforming rate of the steam reformer due to a decrease in operating temperature.
本発明に係る燃料電池システムは、空気極，電解質，及び燃料極を備えた複数の単セルよりなる燃料電池スタックと、空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料ガス供給手段に供給される燃料ガスを水蒸気改質反応により改質する水蒸気改質手段と、燃料電池スタックの発電動作により燃料極より排出された燃料極排出ガスの少なくとも５０％を、水蒸気改質手段に供給される燃料ガスの供給経路に再循環させる燃料極排出ガス再循環手段であるとを少なくとも備えるようにしたものである。なお、燃料極排出ガス再循環手段は、燃料極排出ガスの６０％〜７０％を燃料ガスの供給経路に再循環させるようにするとよりよい。 A fuel cell system according to the present invention comprises a fuel cell stack comprising a plurality of single cells each having an air electrode, an electrolyte, and a fuel electrode, an oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the air electrode, and a fuel gas. Fuel gas supply means to be supplied, steam reforming means for reforming the fuel gas supplied to the fuel gas supply means by a steam reforming reaction, and fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode by the power generation operation of the fuel cell stack At least 50% of the fuel cell is provided with at least a fuel electrode exhaust gas recirculation means for recirculation to a fuel gas supply path supplied to the steam reforming means. The fuel electrode exhaust gas recirculation means may be configured to recirculate 60% to 70% of the fuel electrode exhaust gas to the fuel gas supply path.
また、本発明に係る他の燃料電池システムは、空気極，電解質，及び燃料極を備えた複数の単セルよりなる燃料電池スタックと、空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料ガス供給手段に供給される燃料ガスを水蒸気改質反応により改質する水蒸気改質手段と、燃料電池スタックの発電動作により燃料極より排出された燃料極排出ガスの一部を、水蒸気改質手段に供給される燃料ガスの供給経路に再循環させる燃料極排出ガス再循環手段と、水蒸気改質手段の温度を測定する温度測定手段と、温度測定手段が測定した温度により、燃料極排出ガス再循環手段による燃料極排出ガスの再循環量を制御するリサイクルガス量制御手段とを少なくとも備えるようにしたものである。 Another fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell stack including a plurality of single cells each having an air electrode, an electrolyte, and a fuel electrode, and an oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the air electrode. The fuel gas supply means for supplying the fuel gas, the steam reforming means for reforming the fuel gas supplied to the fuel gas supply means by the steam reforming reaction, and the fuel cell stack being discharged from the fuel electrode by the power generation operation A fuel electrode exhaust gas recirculation means for recirculating a part of the fuel electrode exhaust gas to a fuel gas supply path supplied to the steam reforming means, a temperature measuring means for measuring the temperature of the steam reforming means, and a temperature At least a recycle gas amount control means for controlling the recirculation amount of the fuel electrode exhaust gas by the fuel electrode exhaust gas recirculation means according to the temperature measured by the measurement means.
上記燃料電池システムにおいて、リサイクルガス量制御手段は、燃料極排出ガス再循環手段が、燃料極排出ガスの少なくとも５０％を燃料ガスの供給経路に再循環させるように制御するとよい。また、リサイクルガス量制御手段は、燃料極排出ガス再循環手段が、燃料極排出ガスの６０％〜７０％を燃料ガスの供給経路に再循環させるように制御するとよりよい。 In the fuel cell system, the recycle gas amount control means may be controlled such that the fuel electrode exhaust gas recirculation means recirculates at least 50% of the fuel electrode exhaust gas to the fuel gas supply path. Further, it is preferable that the recycle gas amount control means controls the fuel electrode exhaust gas recirculation means to recirculate 60% to 70% of the fuel electrode exhaust gas to the fuel gas supply path.
上記燃料電池システムにおいて、燃料極排出ガス再循環手段は、ブロアであり、加えて、ブロアに対して供給される燃料極排出ガスとブロアより排出される燃料極排出ガスとの間で熱交換する熱交換器を備え、ブロアに対して供給される燃料極排出ガスの温度を低下させる。 In the fuel cell system, the fuel electrode exhaust gas recirculation means is a blower, and additionally, heat exchange is performed between the fuel electrode exhaust gas supplied to the blower and the fuel electrode exhaust gas discharged from the blower. A heat exchanger is provided to lower the temperature of the fuel electrode exhaust gas supplied to the blower.
また、燃料ガスの供給経路に再循環される以外の燃料極排出ガスを燃焼させる排出ガス燃焼手段と、起動時に燃料電池スタックを加熱する起動用燃焼器とを備えるようにしてもよい。また、起動時に水蒸気改質手段に水蒸気を供給する水蒸気供給手段を備えるようにしても良い。 Further, an exhaust gas combustion means for combusting the fuel electrode exhaust gas other than being recirculated to the fuel gas supply path, and a start-up combustor for heating the fuel cell stack at the time of start-up may be provided. Further, it may be provided with a steam supply means for supplying steam to the steam reforming means at the time of startup.
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池スタックの発電動作により燃料極より排出された燃料極排出ガスの少なくとも５０％を、水蒸気改質手段に供給される燃料ガスの供給経路に再循環させるようにしたので、動作温度の低下による水蒸気改質器の改質率の低下が抑制できるようになるという優れた効果が得られる。 As explained above, according to the present invention, at least 50% of the fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode by the power generation operation of the fuel cell stack is recycled to the fuel gas supply path supplied to the steam reforming means. Since it was made to circulate, the outstanding effect that the fall of the reforming rate of the steam reformer by the fall of operating temperature can be suppressed is acquired.
また、本発明によれば、燃料電池スタックの発電動作により燃料極より排出された燃料極排出ガスの一部を、水蒸気改質手段の温度測定結果により制御して、水蒸気改質手段に供給される燃料ガスの供給経路に再循環させるようにしたので、動作温度の低下による水蒸気改質器の改質率の低下が抑制できるようになるという優れた効果が得られる。 Further, according to the present invention, a part of the fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode by the power generation operation of the fuel cell stack is controlled by the temperature measurement result of the steam reforming means and supplied to the steam reforming means. Therefore, it is possible to suppress the decrease in the reforming rate of the steam reformer due to the decrease in the operating temperature.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
［実施の形態１］
始めに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成例を示す構成図である。また、図２は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの外観を示す斜視図である。なお、図２では、図１に示す全ての構成は示していない。このシステムは、燃料極１０１，空気極１０２，及び電解質１０３よりなる単セルをスタックした燃料電池スタック１００と、水蒸気改質器１０４と、排出ガス燃焼器１０６と、ブロア（燃料極排出ガス再循環手段）１０８と、リサイクル用熱交換器１０９と、第１熱交換器１１０及び第２熱交換器１１１とを備えている。
[Embodiment 1]
First, the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration example of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a perspective view showing an appearance of the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. 2 does not show all the configurations shown in FIG. This system includes a fuel cell stack 100 in which single cells made of a fuel electrode 101, an air electrode 102, and an electrolyte 103 are stacked, a steam reformer 104, an exhaust gas combustor 106, and a blower (fuel electrode exhaust gas recirculation). Means) 108, a heat exchanger 109 for recycling, a first heat exchanger 110, and a second heat exchanger 111.
また、このシステムは、燃料供給経路１１２，空気供給経路（酸化剤ガス供給手段）１１５，燃料極排出ガス経路１１８，リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９，燃焼用燃料極排出ガス経路１２０，空気極排出ガス経路１２１，及び燃焼ガス経路１２２を備えている。なお、図１では、１組の燃料極１０１，空気極１０２，及び電解質１０３よりなる単セルを示しているが、実際には、燃料電池スタック１００は、複数の単セルから構成されている。 This system also includes a fuel supply path 112, an air supply path (oxidant gas supply means) 115, a fuel electrode exhaust gas path 118, a recycling fuel electrode exhaust gas path 119, a combustion fuel electrode exhaust gas path 120, an air electrode. An exhaust gas path 121 and a combustion gas path 122 are provided. Although FIG. 1 shows a single cell made up of a set of fuel electrode 101, air electrode 102, and electrolyte 103, the fuel cell stack 100 is actually composed of a plurality of single cells.
この燃料電池システムでは、燃料供給経路１１２により供給される燃料ガス（例えば天然ガス）は、水蒸気改質器１０４でよく知られた水蒸気改質反応により改質され、水素と共に一酸化炭素や水蒸気などを含む水素リッチなガスに変換され、この後、燃料電池スタック１００の燃料極１０１に供給され、発電に用いられる。この発電の結果、燃料極１０１より排出される燃料極排出ガスは、燃料極排出ガス経路１１８を通り、リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９及び燃焼用燃料極排出ガス経路１２０に分岐される。燃料極排出ガスは、水素ガスの濃度（比率）が低下しているが、改質された燃料ガスと同様に、水素と共に一酸化炭素や水蒸気などを含んでいる。 In this fuel cell system, fuel gas (for example, natural gas) supplied through the fuel supply path 112 is reformed by a steam reforming reaction well known in the steam reformer 104, and together with hydrogen, carbon monoxide, steam, etc. Is then supplied to the fuel electrode 101 of the fuel cell stack 100 and used for power generation. As a result of this power generation, the fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode 101 passes through the fuel electrode exhaust gas path 118 and is branched into the fuel electrode exhaust gas path 119 for recycling and the fuel electrode exhaust gas path 120 for combustion. The fuel electrode exhaust gas has a reduced concentration (ratio) of hydrogen gas, but contains carbon monoxide, water vapor and the like together with hydrogen, as with the reformed fuel gas.
リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９に分岐された燃料極排出ガス（リサイクル用燃料極排出ガス）は、まず、リサイクル用熱交換器１０９で一度温度を下げられる。次いで、リサイクル用燃料極排出ガスは、ブロア１０８により流量が調整され、再びリサイクル用熱交換器１０９で昇温される。リサイクル用熱交換器１０９では、ブロア１０８に供給されるリサイクル用燃料極排出ガスと、ブロア１０８より排出されるリサイクル用燃料極排出ガスとの間で熱交換する。この後、リサイクル用燃料極排出ガスは、燃料供給経路１１２に合流し、燃料供給経路１１２により供給されている燃料ガスと共に、水蒸気改質器１０４に導入される。このようにして水蒸気改質器１０４に導入されるリサイクル用燃料極排出ガス中の水蒸気は、水蒸気改質反応に必要な水蒸気として利用される。 The temperature of the fuel electrode exhaust gas (recycle fuel electrode exhaust gas) branched into the recycle fuel electrode exhaust gas path 119 is first lowered once by the recycle heat exchanger 109. Next, the flow rate of the recycling fuel electrode exhaust gas is adjusted by the blower 108, and the temperature is raised again by the recycling heat exchanger 109. In the recycle heat exchanger 109, heat is exchanged between the recycle fuel electrode exhaust gas supplied to the blower 108 and the recycle fuel electrode exhaust gas discharged from the blower 108. Thereafter, the recycle fuel electrode exhaust gas joins the fuel supply path 112 and is introduced into the steam reformer 104 together with the fuel gas supplied through the fuel supply path 112. Thus, the water vapor in the recycle fuel electrode exhaust gas introduced into the water vapor reformer 104 is used as water vapor necessary for the water vapor reforming reaction.
また、燃焼用燃料極排出ガス経路１２０に分岐された燃料極排出ガス（燃焼用燃料極排出ガス）は、排出ガス燃焼器１０６において、空気極排出ガス経路１２１より供給される空気極排出ガスによって燃焼処理される。燃焼処理された後の燃焼ガスは、燃焼ガス経路１２２により排出される。この、燃焼用燃料極排出ガス経路１２０に分岐される燃焼用燃料極排出ガスの量（流量）は、ブロア１０８によるリサイクル用燃料極排出ガス経路１１９の方へのリサイクル用燃料極排出ガスの流量制御により制御される。 Further, the fuel electrode exhaust gas (combustion fuel electrode exhaust gas) branched into the combustion fuel electrode exhaust gas path 120 is caused by the air electrode exhaust gas supplied from the air electrode exhaust gas path 121 in the exhaust gas combustor 106. It is burned. The combustion gas after being subjected to the combustion treatment is discharged through the combustion gas path 122. The amount (flow rate) of the combustion fuel electrode exhaust gas branched into the combustion fuel electrode exhaust gas path 120 is the flow rate of the recycle fuel electrode exhaust gas toward the recycle fuel electrode exhaust gas path 119 by the blower 108. Controlled by control.
また、空気は、空気供給経路１１５より導入され、第１熱交換器１１０及び第２熱交換器１１１により、燃焼ガス経路１２２により排出される燃焼ガスとの間で熱交換されて昇温され、この後、燃料電池スタック１００の空気極１０２に供給される。なお、空気に限らず、酸素ガスや酸素を含む他の酸化剤ガスであっても良い。 In addition, air is introduced from the air supply path 115, and heat is exchanged with the combustion gas discharged from the combustion gas path 122 by the first heat exchanger 110 and the second heat exchanger 111, and the temperature is raised. Thereafter, the air is supplied to the air electrode 102 of the fuel cell stack 100. In addition, not only air but oxygen gas and other oxidant gas containing oxygen may be used.
上述したような燃料電池システムでは、よく知られているように、発電動作による燃料電池スタック１００からの発熱及び排出ガス燃焼器１０６からの発熱を、例えば水蒸気改質器１０４の動作に必要な熱源として用いている。 In the fuel cell system as described above, as is well known, the heat generated from the fuel cell stack 100 and the heat generated from the exhaust gas combustor 106 due to the power generation operation are used as a heat source necessary for the operation of the steam reformer 104, for example. It is used as
ここで、本実施の形態１における燃料電池システムでは、燃料極１０１より排出される燃料極排出ガスの少なくとも５０％を、リサイクル用燃料極排出ガスとして、リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９を介して燃料供給経路１１２に再循環させるようにした。例えば、ブロア１０８による供給流量を増加させることで、燃料極排出ガス経路１１８に排出された燃料極排出ガスの少なくとも５０％が、リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９の方に取り込まれるようにすればよい。 Here, in the fuel cell system according to Embodiment 1, at least 50% of the fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode 101 is used as the recycle fuel electrode exhaust gas via the recycle fuel electrode exhaust gas path 119. It was made to recirculate to the fuel supply path 112. For example, if the supply flow rate by the blower 108 is increased, at least 50% of the fuel electrode exhaust gas discharged to the fuel electrode exhaust gas passage 118 is taken into the fuel electrode exhaust gas passage 119 for recycling. Good.
このようにすることで、例えば、燃料電池スタック１００の発電動作の温度が低下するなどにより、水蒸気改質器１０４の温度が例えば７００℃以下になった場合でも、９０％以上の改質率を保つことができるようになる。なお、この改質率は、燃料電池スタック１００における燃料利用率を８０％とした場合の値である。また、燃料極排出ガスの６０％〜７０％がリサイクル用燃料極排出ガスとして用いられるようにすることで、本システムの動作温度が７００℃と低下しても、改質率をより向上させることができる。 By doing so, for example, even when the temperature of the steam reformer 104 becomes 700 ° C. or less, for example, because the temperature of the power generation operation of the fuel cell stack 100 decreases, a reforming rate of 90% or more is achieved. Will be able to keep. This reforming rate is a value when the fuel utilization rate in the fuel cell stack 100 is 80%. In addition, by making 60% to 70% of the fuel electrode exhaust gas be used as the fuel electrode exhaust gas for recycling, even if the operating temperature of the system is lowered to 700 ° C., the reforming rate can be further improved. Can do.
また、図１に示すように、水蒸気改質器１０４における動作温度を温度センサ（温度測定手段）１３１により測定し、温度センサ１３１による温度測定結果を用いたリサイクルガス量制御部１３２によるブロア１０８の動作制御で、リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９の側に取り込まれるリサイクル用燃料極排出ガスの割合を制御しても良い。このように制御することで、動作温度の低下による水蒸気改質器１０４の改質率の低下が抑制できる。 Further, as shown in FIG. 1, the operating temperature in the steam reformer 104 is measured by a temperature sensor (temperature measuring means) 131, and the recycle gas amount control unit 132 uses the temperature measurement result by the temperature sensor 131 to control the blower 108. The ratio of the recycle fuel electrode exhaust gas taken into the recycle fuel electrode exhaust gas path 119 may be controlled by the operation control. By controlling in this way, the reduction | decrease of the reforming rate of the steam reformer 104 by the fall of operating temperature can be suppressed.
例えば、温度センサ１３１による温度測定結果が、予め設定されている７００℃以下になると、この状態を検出したリサイクルガス量制御部１３２の制御により、ブロア１０８による供給量を増加させ、燃料極排出ガスの少なくとも５０％が、リサイクル用燃料極排出ガスとして用いられるようにすればよい。また、温度センサ１３１により測定される温度により、燃料極排出ガスの６０％〜７０％がリサイクル用燃料極排出ガスとして用いられるように、ブロア１０８による供給量を制御しても良い。このように制御することで、本システムの動作温度が７００℃と低下しても、改質率をより向上させることができる。 For example, when the temperature measurement result by the temperature sensor 131 becomes 700 ° C. or less which is set in advance, the supply amount by the blower 108 is increased by the control of the recycle gas amount control unit 132 which detects this state, and the fuel electrode exhaust gas It is sufficient that at least 50% is used as the fuel electrode exhaust gas for recycling. Further, the supply amount by the blower 108 may be controlled so that 60% to 70% of the fuel electrode exhaust gas is used as the fuel electrode exhaust gas for recycling depending on the temperature measured by the temperature sensor 131. By controlling in this way, even if the operating temperature of this system is lowered to 700 ° C., the reforming rate can be further improved.
ところで、本システムでは、図１に示すように、気化器（水蒸気供給手段）１０５及び起動用燃焼器１０７を備えるようにしている。本システムでは、水供給経路１１４より供給された水を気化器１０５で気化して水蒸気とし、これを水蒸気改質器１０４に供給可能としている。この燃料電池システムを起動するときに、水蒸気改質器１０４における水蒸気改質反応に必要な水蒸気を、気化器１０５により供給可能としている。 By the way, in this system, as shown in FIG. 1, a vaporizer (steam supply means) 105 and a start-up combustor 107 are provided. In this system, the water supplied from the water supply path 114 is vaporized by the vaporizer 105 into steam, and this can be supplied to the steam reformer 104. When the fuel cell system is started, the vaporizer 105 can supply water vapor necessary for the steam reforming reaction in the steam reformer 104.
また、本システムでは、起動時に、起動用燃焼器１０７において、起動用燃料供給経路１１３より供給される起動用燃料を、起動用空気供給経路１１６より供給される起動用空気により燃焼させ、この燃焼温度により、燃料電池スタック１００の温度を発電に適した温度にまで上昇させる。ただし、起動の後に定常運転状態となった後は、水供給経路１１４による水の供給を停止して気化器１０５による水蒸気の供給を停止する。また、起動用燃料供給経路１１３による起動用燃料の供給を停止し、起動用空気供給経路１１６による起動用空気の供給を停止し、起動用燃焼器１０７による熱供給を停止する。 Further, in this system, at startup, the startup combustor 107 burns startup fuel supplied from the startup fuel supply path 113 with startup air supplied from the startup air supply path 116, and this combustion. The temperature of the fuel cell stack 100 is raised to a temperature suitable for power generation according to the temperature. However, after a steady operation state is established after the start-up, the supply of water by the water supply path 114 is stopped and the supply of water vapor by the vaporizer 105 is stopped. In addition, the supply of the start fuel by the start fuel supply path 113 is stopped, the start air supply by the start air supply path 116 is stopped, and the heat supply by the start combustor 107 is stopped.
次に、他の燃料電池システムについて説明する。図３は、他の燃料電池システムの構成例を示す構成図である。このシステムは、燃料極１０１，空気極１０２，及び電解質１０３よりなる単セルをスタックした燃料電池スタック１００と、水蒸気改質器１０４と、排出ガス燃焼器１０６と、エジェクタ（燃料極排出ガス再循環手段）３０８と、第１熱交換器１１０及び第２熱交換器１１１とを備えている。 Next, another fuel cell system will be described. FIG. 3 is a configuration diagram showing a configuration example of another fuel cell system. This system includes a fuel cell stack 100 in which single cells made of a fuel electrode 101, an air electrode 102, and an electrolyte 103 are stacked, a steam reformer 104, an exhaust gas combustor 106, and an ejector (fuel electrode exhaust gas recirculation). Means) 308 and a first heat exchanger 110 and a second heat exchanger 111.
また、このシステムは、燃料供給経路１１２，空気供給経路１１５，燃料極排出ガス経路１１８，リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９，燃焼用燃料極排出ガス経路１２０，空気極排出ガス経路１２１，及び燃焼ガス経路１２２を備えている。なお、図示していないが、燃料極１０１と空気極１０２との間には電解質の層が設けられている。また、図１では、１組の燃料極１０１及び空気極１０２よりなる単セルを示しているが、実際には、燃料電池スタック１００は、複数の単セルから構成されている。 The system also includes a fuel supply path 112, an air supply path 115, a fuel electrode exhaust gas path 118, a recycling fuel electrode exhaust gas path 119, a combustion fuel electrode exhaust gas path 120, an air electrode exhaust gas path 121, and a combustion. A gas path 122 is provided. Although not shown, an electrolyte layer is provided between the fuel electrode 101 and the air electrode 102. Further, in FIG. 1, a single cell including a pair of the fuel electrode 101 and the air electrode 102 is shown, but actually, the fuel cell stack 100 is composed of a plurality of single cells.
また、本システムにおいても、前述した実施の形態１と同様に、気化器１０５，起動用燃焼器１０７、水供給経路１１４，起動用燃料供給経路１１３，及び起動用空気供給経路１１６を備え、システム起動時に、水蒸気改質器１０４への水蒸気の供給及び燃料電池スタック１００の加熱とを行うようにしている。 The system also includes a vaporizer 105, a start-up combustor 107, a water supply path 114, a start-up fuel supply path 113, and a start-up air supply path 116, as in the first embodiment. At the time of start-up, supply of steam to the steam reformer 104 and heating of the fuel cell stack 100 are performed.
この燃料電池システムでは、燃料供給経路１１２により供給される燃料ガス（例えば天然ガス）は、水蒸気改質器１０４で水蒸気改質反応により改質され、水素と共に一酸化炭素や水蒸気などを含む水素リッチなガスに変換され、この後、燃料電池スタック１００の燃料極１０１に供給され、発電に用いられる。この発電の結果、燃料極１０１より排出される燃料極排出ガスは、燃料極排出ガス経路１１８を通り、リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９及び燃焼用燃料極排出ガス経路１２０に分岐される。燃料極排出ガスは、水素ガスの濃度（比率）が低下しているが、改質された燃料ガスと同様に、水素と共に一酸化炭素や水蒸気などを含んでいる。 In this fuel cell system, the fuel gas (for example, natural gas) supplied through the fuel supply path 112 is reformed by a steam reforming reaction in the steam reformer 104 and is rich in hydrogen containing carbon monoxide, steam, and the like together with hydrogen. After that, the gas is supplied to the fuel electrode 101 of the fuel cell stack 100 and used for power generation. As a result of this power generation, the fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode 101 passes through the fuel electrode exhaust gas path 118 and is branched into the fuel electrode exhaust gas path 119 for recycling and the fuel electrode exhaust gas path 120 for combustion. The fuel electrode exhaust gas has a reduced concentration (ratio) of hydrogen gas, but contains carbon monoxide, water vapor and the like together with hydrogen, as with the reformed fuel gas.
リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９に分岐された燃料極排出ガス（リサイクル用燃料極排出ガス）は、エジェクタ３０８により、流量が調整されて燃料供給経路１１２に合流し、燃料供給経路１１２により供給されている燃料ガスと共に、水蒸気改質器１０４に導入される。エジェクタ３０８では、内部に配置されたノズルより噴出される燃料ガスの流れ（超音速流）による得られる吸引力で、リサイクル用燃料極排出ガスを吸引して燃料ガスに混合している。例えば、リサイクル用燃料極排出ガスの吸引経路に設けた絞りにより、リサイクル用燃料極排出ガスの導入（混合）量を制御する。このようにして水蒸気改質器１０４に導入されるリサイクル用燃料極排出ガス中の水蒸気は、水蒸気改質反応に必要な水蒸気として利用される。 The fuel electrode exhaust gas (recycled fuel electrode exhaust gas) branched into the recycling fuel electrode exhaust gas path 119 is adjusted in flow rate by the ejector 308, merged with the fuel supply path 112, and supplied through the fuel supply path 112. Together with the fuel gas, the steam reformer 104 is introduced. In the ejector 308, the fuel electrode exhaust gas for recycling is sucked and mixed with the fuel gas by the suction force obtained by the flow (supersonic flow) of the fuel gas ejected from the nozzle disposed inside. For example, the amount of introduction (mixing) of the recycle fuel electrode exhaust gas is controlled by a restriction provided in the suction path of the recycle fuel electrode exhaust gas. Thus, the water vapor in the recycle fuel electrode exhaust gas introduced into the water vapor reformer 104 is used as water vapor necessary for the water vapor reforming reaction.
また、燃焼用燃料極排出ガス経路１２０に分岐された燃料極排出ガス（燃焼用燃料極排出ガス）は、排出ガス燃焼器１０６において、空気極排出ガス経路１２１より供給される空気極排出ガスによって燃焼処理される。燃焼処理された後の燃焼ガスは、燃焼ガス経路１２２により排出される。この、燃焼用燃料極排出ガス経路１２０に分岐される燃焼用燃料極排出ガスの量（流量）は、エジェクタ３０８によるリサイクル用燃料極排出ガス経路１１９の方へのリサイクル用燃料極排出ガスの流量制御により制御される。 Further, the fuel electrode exhaust gas (combustion fuel electrode exhaust gas) branched into the combustion fuel electrode exhaust gas path 120 is caused by the air electrode exhaust gas supplied from the air electrode exhaust gas path 121 in the exhaust gas combustor 106. It is burned. The combustion gas after being subjected to the combustion treatment is discharged through the combustion gas path 122. The amount (flow rate) of the combustion fuel electrode exhaust gas branched into the combustion fuel electrode exhaust gas path 120 is the flow rate of the recycling fuel electrode exhaust gas toward the recycling fuel electrode exhaust gas path 119 by the ejector 308. Controlled by control.
また、空気は、空気供給経路１１５より導入され、第１熱交換器１１０及び第２熱交換器１１１により、燃焼ガス経路１２２により排出される燃焼ガスとの間で熱交換されて昇温され、この後、燃料電池スタック１００の空気極１０２に供給される。なお、空気に限らず、酸素ガスや酸素を含む他の酸化剤ガスであっても良い。 In addition, air is introduced from the air supply path 115, and heat is exchanged with the combustion gas discharged from the combustion gas path 122 by the first heat exchanger 110 and the second heat exchanger 111, and the temperature is raised. Thereafter, the air is supplied to the air electrode 102 of the fuel cell stack 100. In addition, not only air but oxygen gas and other oxidant gas containing oxygen may be used.
上述したような燃料電池システムでは、よく知られているように、発電動作による燃料電池スタック１００からの発熱及び排出ガス燃焼器１０６からの発熱を、例えば水蒸気改質器１０４の動作に必要な熱源として用いている。 In the fuel cell system as described above, as is well known, the heat generated from the fuel cell stack 100 and the heat generated from the exhaust gas combustor 106 due to the power generation operation are used as a heat source necessary for the operation of the steam reformer 104, for example. It is used as.
ここで、上記燃料電池システムでは、エジェクタ３０８による供給流量を増加させることで、燃料極１０１より排出される燃料極排出ガスの少なくとも５０％を、リサイクル用燃料極排出ガスとして、リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９を介して燃料供給経路１１２に再循環させるようにした。このようにすることで、前述同様に、水蒸気改質器１０４の温度（動作温度）が例えば７００℃以下になった場合でも、９０％以上の改質率を保つことができるようになる。なお、この改質率は、燃料電池スタック１００における燃料利用率を８０％とした場合の値である。また、燃料極排出ガスの６０％〜７０％がリサイクル用燃料極排出ガスとして用いられるようにすることで、本システムの動作温度が７００℃と低下しても、改質率をより向上させることができる。 Here, in the above fuel cell system, by increasing the supply flow rate by the ejector 308, at least 50% of the fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode 101 is used as the fuel electrode exhaust gas for recycling. The gas is recirculated to the fuel supply path 112 via the gas path 119. In this way, as described above, even when the temperature (operating temperature) of the steam reformer 104 becomes 700 ° C. or lower, for example, a reforming rate of 90% or higher can be maintained. This reforming rate is a value when the fuel utilization rate in the fuel cell stack 100 is 80%. In addition, by making 60% to 70% of the fuel electrode exhaust gas be used as the fuel electrode exhaust gas for recycling, even if the operating temperature of the system is lowered to 700 ° C., the reforming rate can be further improved. Can do.
また、上記燃料電池システムにおいても、図３に示すように、水蒸気改質器１０４における動作温度を温度センサ１３１により測定し、温度センサ１３１による温度測定結果を用いたリサイクルガス量制御部３３２によるエジェクタ３０８の動作制御で、リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９の側に取り込まれるリサイクル用燃料極排出ガスの割合を制御しても良い。 Also in the fuel cell system, as shown in FIG. 3, the operating temperature in the steam reformer 104 is measured by the temperature sensor 131, and the ejector by the recycle gas amount control unit 332 using the temperature measurement result by the temperature sensor 131. The ratio of the recycle fuel electrode exhaust gas taken into the recycle fuel electrode exhaust gas path 119 may be controlled by the operation control 308.
例えば、温度センサ１３１による温度測定結果が、予め設定されている７００℃以下になると、この状態を検出したリサイクルガス量制御部３３２の制御により、エジェクタ３０８におけるリサイクル用燃料極排出ガスの供給量を増加させ、燃料極排出ガスの少なくとも５０％が、リサイクル用燃料極排出ガスとして用いられるようにすればよい。また、温度センサ１３１により測定される温度により、燃料極排出ガスの６０％〜７０％がリサイクル用燃料極排出ガスとして用いられるように、エジェクタ３０８の動作を制御しても良い。このように制御することで、本システムの動作温度が７００℃と低下しても、改質率をより向上させることができる。 For example, when the temperature measurement result by the temperature sensor 131 becomes 700 ° C. or lower, which is set in advance, the supply amount of the recycle fuel electrode exhaust gas in the ejector 308 is controlled by the control of the recycle gas amount control unit 332 that detects this state. The fuel electrode exhaust gas may be increased so that at least 50% of the fuel electrode exhaust gas is used as the fuel electrode exhaust gas for recycling. The operation of the ejector 308 may be controlled so that 60% to 70% of the fuel electrode exhaust gas is used as the fuel electrode exhaust gas for recycling, depending on the temperature measured by the temperature sensor 131. By controlling in this way, even if the operating temperature of this system is lowered to 700 ° C., the reforming rate can be further improved.
１０１…燃料極、１０２…空気極、１０３…電解質、１０４…水蒸気改質器、１０５…気化器（水蒸気供給手段）、１０６…排出ガス燃焼器、１０７…起動用燃焼器、１０８…ブロア（燃料極排出ガス再循環手段）、１０９…リサイクル用熱交換器、１１０…第１熱交換器、１１１…第２熱交換器、１１２…燃料供給経路、１１３…起動用燃料供給経路、１１４…水供給経路、１１５…空気供給経路（酸化剤ガス供給手段）、１１６…起動用空気供給経路、１１８…燃料極排出ガス経路、１１９…リサイクル用燃料極排出ガス経路、１２０…燃焼用燃料極排出ガス経路、１２１…空気極排出ガス経路、１２２…燃焼ガス経路、１３１…温度センサ（温度測定手段）、１３２…リサイクルガス量制御部、３０８…エジェクタ（燃料極排出ガス再循環手段）、３３２…リサイクルガス量制御部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Fuel electrode, 102 ... Air electrode, 103 ... Electrolyte, 104 ... Steam reformer, 105 ... Vaporizer (steam supply means), 106 ... Exhaust gas combustor, 107 ... Start-up combustor, 108 ... Blower (fuel) Pole exhaust gas recirculation means), 109 ... recycling heat exchanger, 110 ... first heat exchanger, 111 ... second heat exchanger, 112 ... fuel supply path, 113 ... starting fuel supply path, 114 ... water supply 115, air supply path (oxidant gas supply means), 116 ... start-up air supply path, 118 ... fuel electrode exhaust gas path, 119 ... fuel electrode exhaust gas path for recycling, 120 ... fuel electrode exhaust gas path for combustion 121 ... Air electrode exhaust gas path, 122 ... Combustion gas path, 131 ... Temperature sensor (temperature measuring means), 132 ... Recycle gas amount control unit, 308 ... Ejector (removal of fuel electrode exhaust gas) Ring means), 332 ... recycle gas amount control unit.
Claims (3)
前記空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給手段に供給される燃料ガスを水蒸気改質反応により改質する水蒸気改質手段と、
前記燃料電池スタックの発電動作により前記燃料極より排出された燃料極排出ガスの少なくとも５０％を、前記水蒸気改質手段に供給される前記燃料ガスの供給経路に再循環させる燃料極排出ガス再循環手段であるブロアと、
前記ブロアに対して供給される前記燃料極排出ガスと前記ブロアより排出される前記燃料極排出ガスとの間で熱交換する熱交換器と
を少なくとも備え、
前記ブロアに対して供給される前記燃料極排出ガスの温度を低下させることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell stack comprising a plurality of single cells having an air electrode, an electrolyte, and a fuel electrode;
An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the air electrode;
Fuel gas supply means for supplying fuel gas;
Steam reforming means for reforming the fuel gas supplied to the fuel gas supply means by a steam reforming reaction;
Fuel electrode exhaust gas recirculation in which at least 50% of the fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode by the power generation operation of the fuel cell stack is recirculated to the fuel gas supply path supplied to the steam reforming means A blower as a means,
A heat exchanger for exchanging heat between the fuel electrode exhaust gas supplied to the blower and the fuel electrode exhaust gas discharged from the blower,
A fuel cell system, wherein the temperature of the fuel electrode exhaust gas supplied to the blower is lowered.
前記ブロアは、前記燃料極排出ガスの６０％〜７０％を前記燃料ガスの供給経路に再循環させることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The fuel cell system, wherein the blower recirculates 60% to 70% of the fuel electrode exhaust gas to the fuel gas supply path.
前記水蒸気改質手段の温度を測定する温度測定手段と、
前記温度測定手段が測定した温度により、前記ブロアによる前記燃料極排出ガスの再循環量を制御するリサイクルガス量制御手段と
を少なくとも備えることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2,
Temperature measuring means for measuring the temperature of the steam reforming means;
A fuel cell system, comprising: a recycle gas amount control means for controlling a recirculation amount of the fuel electrode exhaust gas by the blower according to the temperature measured by the temperature measuring means.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20131022 |