JP2013157134A - Solid oxide fuel cell system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide fuel cell system capable of securing steam from startup to start of power generation without enlarging the scale of a device.SOLUTION: Fuel reformed by a reformer 4 is supplied to the anode 2 of a stack 1, a part of anode off-gas discharged from the anode 2 is circulated to the reformation passage of the reformer 4, and the remaining anode off-gas is mixed with cathode off-gas discharged from the cathode 3 of the stack 1 and used for heating of the reformer 4. In such a solid oxide fuel cell system, the cathode 3 and the reformer 4 are heated upon startup, a gas containing steam is circulated to the anode 2, and a combustor 11 for startup that supplies steam to an anode circulation route for startup is provided in an anode circulation route during startup operation.

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池システムに係り、特に、起動から発電までの間にアノード循環経路内の水蒸気を確保する技術に関する。   The present invention relates to a fuel cell system using a solid oxide fuel cell, and more particularly to a technique for securing water vapor in an anode circulation path from startup to power generation.

従来の固体酸化物型燃料電池として、非特許文献1に記載されたものが知られている。この非特許文献1では、アノード排ガスを高温のまま改質器に再循環させる方式を採用しており、改質器、固体酸化物形燃料電池スタック等、システム全体の熱バランスのあらゆる可能性を追求し、アノード排ガスの熱を改質器、或いはカソードガスの加熱に利用し、カソードガスの排ガスを蒸発器に利用し、でき得る限りの熱回収を行えるようにしている。   As a conventional solid oxide fuel cell, one described in Non-Patent Document 1 is known. This non-patent document 1 adopts a system in which anode exhaust gas is recirculated to the reformer at a high temperature, and all the possibilities of the heat balance of the entire system, such as the reformer and the solid oxide fuel cell stack, are adopted. In pursuit of this, the heat of anode exhaust gas is used for reformer or cathode gas heating, and the exhaust gas of cathode gas is used for evaporator so that heat recovery can be performed as much as possible.

また、発電中においては、アノード排ガスを改質器に再循環することにより、電気化学反応によって生成された水を改質用に利用しており、理論的には外部からの水の供給や水の蒸発器が不要となる。   During power generation, the anode exhaust gas is recirculated to the reformer, so that water produced by electrochemical reaction is used for reforming. This eliminates the need for an evaporator.

三輪博通 他1名,“車載用システムスペックの決定と性能評価”,成果報告書,財団法人福岡県産業・科学技術振興財団,平成20年3月,p28‐37Hiromichi Miwa and 1 other, "Determining the specifications and performance evaluation for in-vehicle systems", results report, Fukuoka Industrial and Science and Technology Foundation, March 2008, p28-37

しかしながら、上述した非特許文献1に開示された従来例は、燃料電池の起動から発電に至るまでの間に水蒸気が不足する場合があり、炭素析出に起因する管路系の閉塞や、改質触媒が劣化する等の問題が発生する可能性がある。また、この問題を解決するために、起動用の水タンクや水蒸気を生成するための蒸発器を設けると、装置全体が大規模化してしまう。   However, in the conventional example disclosed in Non-Patent Document 1 described above, there may be a shortage of water vapor from the start of the fuel cell to power generation. Problems such as deterioration of the catalyst may occur. In order to solve this problem, if an activation water tank and an evaporator for generating water vapor are provided, the entire apparatus becomes large-scale.

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、装置を大規模化することなく起動から発電開始までの水蒸気を確保することが可能な固体酸化物型燃料電池システムを提供することにある。   The present invention has been made to solve such a conventional problem, and the object of the present invention is to secure water vapor from start-up to the start of power generation without increasing the scale of the apparatus. The object is to provide a solid oxide fuel cell system.

本発明に係る固体酸化物型燃料電池システムは、起動時に前記カソード及び改質器の加熱を行うと共に、前記アノードに水蒸気含有ガスを循環させ、起動運転中のアノード循環経路の水蒸気量を可変とする機構を備える。   The solid oxide fuel cell system according to the present invention heats the cathode and the reformer during startup, circulates a steam-containing gas to the anode, and varies the amount of water vapor in the anode circulation path during startup operation. It has a mechanism to do.

本発明によれば、スタックの起動時に、アノード循環流路内に水蒸気含有ガスを供給するので、スタックによる発電の開始前に改質器による燃料の改質が開始する前に、任意量の水蒸気をアノード循環流路内に循環させて貯留することができる。従って、改質器に改質用燃料と改質用空気を供給し始めた際に、炭素析出が発生することを防止できる。その結果、起動から発電に至るまで外部から水を供給することなく燃料電池システムによる発電を開始することができる。   According to the present invention, since the steam-containing gas is supplied into the anode circulation flow path when the stack is started, an arbitrary amount of steam is supplied before fuel reforming by the reformer is started before power generation by the stack is started. Can be circulated and stored in the anode circulation channel. Accordingly, it is possible to prevent carbon deposition from occurring when the reforming fuel and the reforming air are supplied to the reformer. As a result, power generation by the fuel cell system can be started without supplying water from the outside from the start to power generation.

本発明の第1実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システムの構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a configuration of a solid oxide fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システムに用いられる起動用燃焼器の構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of the starting combustor used for the solid oxide fuel cell system which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the solid oxide fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システムに用いられるアノード循環用ガス発生器の構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of the gas generator for anode circulation used for the solid oxide fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係り、アノード循環ガスの供給量と、改質ガスの供給量の変化を示す特性図である。FIG. 10 is a characteristic diagram illustrating changes in the supply amount of anode circulation gas and the supply amount of reformed gas according to the second embodiment of the present invention.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システム100の構成を示すブロック図である。図1に示すように、この燃料電池システム100は、アノード2、及びカソード3を有するスタック1と、燃料を改質してスタック1のアノード2に改質燃料を供給する改質器4と、起動時にスタック1のカソードに燃焼ガスを供給する起動用燃焼器11と、を備えている。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a solid oxide fuel cell system 100 according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 100 includes a stack 1 having an anode 2 and a cathode 3, a reformer 4 that reforms the fuel and supplies the reformed fuel to the anode 2 of the stack 1, And a start-up combustor 11 that supplies combustion gas to the cathode of the stack 1 at the time of start-up.

改質器4は、加熱用通路6、及び改質用通路5を有しており、改質用通路5には、燃料ポンプ(図示省略)より出力される改質用燃料、及びコンプレッサ(図示省略)より送出される改質用空気が供給される。そして、改質した燃料を流路18を介してスタック1のアノードに送出する。加熱用通路6は、スタック1のカソード3出口に流路14を介して接続されており、カソード3より出力されるカソードオフガスの熱により改質用通路5に供給される改質用燃料を加熱する。   The reformer 4 has a heating passage 6 and a reforming passage 5. The reforming passage 5 has a reforming fuel output from a fuel pump (not shown) and a compressor (not shown). (Omitted) is supplied with reforming air. Then, the reformed fuel is sent to the anode of the stack 1 through the flow path 18. The heating passage 6 is connected to the outlet of the cathode 3 of the stack 1 via a flow path 14, and heats the reforming fuel supplied to the reforming passage 5 by the heat of the cathode offgas output from the cathode 3. To do.

また、スタック1のアノード2出口は、流路19を介して循環装置7に接続され、更に、該循環装置7の出力側は分岐装置8に接続されている。分岐装置8は、循環装置7より供給されるアノードオフガスを2系統に分岐するものであり、一つ目の分岐路である加熱用ガス通路16はスタック1のカソード3出口に接続され、二つ目の分岐路である循環ガス通路17は改質器4の改質用通路5入口に接続されている。   In addition, the anode 2 outlet of the stack 1 is connected to the circulation device 7 via the flow path 19, and the output side of the circulation device 7 is connected to the branch device 8. The branching device 8 branches the anode off-gas supplied from the circulation device 7 into two systems, and the heating gas passage 16 as the first branching path is connected to the cathode 3 outlet of the stack 1, A circulation gas passage 17, which is an eye branch, is connected to the reforming passage 5 inlet of the reformer 4.

起動用燃焼器11は、燃料及び空気が供給されて燃焼し、発生した燃焼ガスをスタック1のカソード3に供給すると共に、燃焼ガス通路20を経由して燃焼ガスの一部を改質器4の改質用通路5に供給する。起動用燃焼器11の詳細については後述する。   The start-up combustor 11 is supplied with fuel and air and combusts, supplies the generated combustion gas to the cathode 3 of the stack 1, and partially converts the combustion gas via the combustion gas passage 20 to the reformer 4. To the reforming passage 5. Details of the start-up combustor 11 will be described later.

また、改質器4の加熱用通路6出口は、流路15を経由して空気予熱器12の高温側に接続され、該空気予熱器12の低温側に導入される空気を加熱し、その後排気される。一方、空気予熱器12の低温側はカソード3入口に接続されている。従って、空気予熱器12に導入された空気は、改質器4の加熱用通路6より排出されたガスにより加熱された後、スタック1のカソード3に供給される。   The outlet of the heating passage 6 of the reformer 4 is connected to the high temperature side of the air preheater 12 via the flow path 15 to heat the air introduced to the low temperature side of the air preheater 12, and then Exhausted. On the other hand, the low temperature side of the air preheater 12 is connected to the cathode 3 inlet. Therefore, the air introduced into the air preheater 12 is heated by the gas discharged from the heating passage 6 of the reformer 4 and then supplied to the cathode 3 of the stack 1.

そして、本実施形態では、スタック1を起動させてから発電を開始するまでの間に、起動用燃焼器11により発生する燃焼ガスの一部を、燃焼ガス通路20を経由して改質用通路5に循環させることにより、アノード循環経路(改質用通路5、アノード2、流路19及び循環ガス通路17を循環する経路)に水蒸気を供給する。更に、循環装置7、及び分岐装置8を調整することにより、アノードオフガスの循環量が所望する流量となるように調整する。即ち、起動用燃焼器11、循環装置7、及び分岐装置8は、起動運転中のアノード循環経路の水蒸気量を可変とする機構として機能する。   In the present embodiment, a part of the combustion gas generated by the start-up combustor 11 between the start of the stack 1 and the start of power generation is transferred to the reforming passage via the combustion gas passage 20. 5, water vapor is supplied to the anode circulation path (path that circulates the reforming passage 5, the anode 2, the flow path 19, and the circulation gas passage 17). Further, the circulation device 7 and the branch device 8 are adjusted so that the circulation amount of the anode off gas becomes a desired flow rate. That is, the start-up combustor 11, the circulation device 7, and the branch device 8 function as a mechanism that varies the amount of water vapor in the anode circulation path during the start-up operation.

次に、図2を参照して起動用燃焼器11の詳細な構成について説明する。起動用燃焼器11は、スタック1の起動時において燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスをカソード3、及び加熱用通路6に供給して昇温し、更に、燃焼ガスの一部を燃焼ガス通路20を経由して改質器4の改質用通路5に循環させる。即ち、水蒸気含有ガスをアノード循環経路に供給する。   Next, the detailed configuration of the start-up combustor 11 will be described with reference to FIG. The start-up combustor 11 generates a combustion gas when the stack 1 is started, supplies the combustion gas to the cathode 3 and the heating passage 6 and raises the temperature. Further, a part of the combustion gas is burned into the combustion gas passage. It is circulated through the reforming passage 5 of the reformer 4 via 20. That is, the steam-containing gas is supplied to the anode circulation path.

図2に示すように、起動用燃焼器11は、予燃焼器として機能する小型拡散燃焼器21と、主燃焼器として機能する触媒燃焼器22が接続された2段式(多段式)の構成を有している。   As shown in FIG. 2, the start-up combustor 11 has a two-stage (multi-stage) configuration in which a small diffusion combustor 21 that functions as a precombustor and a catalytic combustor 22 that functions as a main combustor are connected. have.

小型拡散燃焼器21は、燃焼用空気が導入される空気導入路24と、燃料を噴射する燃料噴射弁23と、着火装置25を備えており、燃料と空気を混合したガスを燃焼させることにより予燃焼ガスを生成し、この予燃焼ガスを触媒燃焼器22の空気導入口に導入する。また、予燃焼ガスの一部は、燃焼ガス取り出し口26から取り出され、図1に示す燃焼ガス通路20を介して改質器4に供給されてアノード循環用ガスとされる。   The small diffusion combustor 21 includes an air introduction path 24 into which combustion air is introduced, a fuel injection valve 23 that injects fuel, and an ignition device 25, and burns a gas that is a mixture of fuel and air. Pre-combustion gas is generated, and this pre-combustion gas is introduced into the air inlet of the catalytic combustor 22. A part of the precombustion gas is taken out from the combustion gas outlet 26 and supplied to the reformer 4 through the combustion gas passage 20 shown in FIG.

この際、小型拡散燃焼器21にて生成される予燃焼ガスがストイキ燃焼ガスである場合には、そのまま改質器4に導入することができ、ストイキ燃焼ガスでない場合でも、改質器4に供給する改質用燃料、或いは改質用空気を追加供給することにより、ストイキ燃焼ガスとして改質器4に導入することができる。   At this time, if the pre-combustion gas generated in the small diffusion combustor 21 is stoichiometric combustion gas, it can be introduced into the reformer 4 as it is, and even if it is not stoichiometric combustion gas, By additionally supplying the reforming fuel to be supplied or the reforming air, it can be introduced into the reformer 4 as a stoichiometric combustion gas.

触媒燃焼器22は、2次空気供給口28、及び燃料供給口27を備えており、該燃料供給口27より供給される燃料と、2次空気供給口より供給される空気、及び小型拡散燃焼器21より送出される予燃焼ガスを混合し、この混合ガスを燃焼部29で燃焼させることにより、大量の主燃焼ガスを生成し、これをカソード加熱用ガスとしてスタック1のカソード3に供給する。これにより、スタック1の起動時において、カソード3及び改質器4を昇温することができる。   The catalytic combustor 22 includes a secondary air supply port 28 and a fuel supply port 27, fuel supplied from the fuel supply port 27, air supplied from the secondary air supply port, and small diffusion combustion. The pre-combustion gas delivered from the vessel 21 is mixed, and this mixed gas is combusted in the combustion section 29 to generate a large amount of main combustion gas, which is supplied to the cathode 3 of the stack 1 as a cathode heating gas. . Thereby, the temperature of the cathode 3 and the reformer 4 can be raised when the stack 1 is started.

触媒燃焼器22に設けられる燃料供給装置として、燃料噴射弁による噴霧燃料や燃料蒸発器による燃料ガス供給等の選択肢がある。また、触媒燃焼器22の燃焼部29としては、触媒燃焼器や予蒸発予混合希薄燃焼器などがシステムで使用する燃料の組成や、排気要求などに応じて選択できる。   As the fuel supply device provided in the catalyst combustor 22, there are options such as sprayed fuel by a fuel injection valve and fuel gas supply by a fuel evaporator. Further, the combustion section 29 of the catalytic combustor 22 can be selected according to the composition of fuel used in the system by the catalytic combustor, the pre-evaporation premixed lean combustor, the exhaust requirement, and the like.

また、本実施形態では、予燃焼器として小型拡散燃焼器21を用いる例を示したが、これ以外にも、燃料と空気の温度状態によって、電気加熱触媒や低温活性な触媒を用いて、触媒燃焼を行わせることも可能である。   In the present embodiment, an example in which the small diffusion combustor 21 is used as the precombustor has been shown. However, in addition to this, an electric heating catalyst or a low-temperature active catalyst is used depending on the temperature state of the fuel and air, and a catalyst is used. It is also possible to cause combustion.

次に、上述のように構成された本実施形態に係る燃料電池システム100の動作について説明する。初めに、通常発電時における動作を説明する。   Next, the operation of the fuel cell system 100 according to the present embodiment configured as described above will be described. First, the operation during normal power generation will be described.

通常発電時には、空気予熱器12にて加熱された空気がスタック1のカソードに供給される。また、改質用燃料、改質用空気、及びアノードオフガスの一部が混合して改質器4の改質用通路5に供給され、改質用通路5にて改質される。そして、改質ガスは流路18を経由してスタック1のアノード2に供給され、該スタック1にて発電が行われる。即ち、スタック1は、水素を含むガスがアノード2に供給され、酸素を含むガスがカソード3に供給されて発電が行われる。   During normal power generation, air heated by the air preheater 12 is supplied to the cathode of the stack 1. Further, a part of the reforming fuel, reforming air, and anode off gas are mixed and supplied to the reforming passage 5 of the reformer 4, and reformed in the reforming passage 5. The reformed gas is supplied to the anode 2 of the stack 1 via the flow path 18, and power generation is performed in the stack 1. That is, the stack 1 is supplied with a gas containing hydrogen to the anode 2 and a gas containing oxygen to the cathode 3 to generate power.

スタック1で発電された後のアノードオフガスは、流路19を経由し循環装置7に供給され、該循環装置7により分岐装置8に圧送され、その一部は循環ガス通路17を経由して改質器4の改質用通路5に再導入される。即ち、アノードオフガスが循環されている。この際、アノードオフガスには、水蒸気が多く含まれているので、該アノードオフガスをアノード循環経路に循環させることにより、炭素析出の発生を防止することができる。また、アノード循環経路に循環されないアノードオフガスは、加熱用ガス通路16を経由して改質器4の加熱用通路6に供給され、改質用の熱源となる。   The anode off-gas generated in the stack 1 is supplied to the circulation device 7 via the flow path 19 and is pumped to the branch device 8 by the circulation device 7, and part of the anode off-gas is improved via the circulation gas passage 17. Reintroduced into the reforming passage 5 of the mass device 4. That is, the anode off gas is circulated. At this time, since the anode off gas contains a large amount of water vapor, it is possible to prevent the occurrence of carbon deposition by circulating the anode off gas through the anode circulation path. Further, the anode off-gas that is not circulated through the anode circulation path is supplied to the heating passage 6 of the reformer 4 via the heating gas passage 16 and becomes a heat source for reforming.

そして、スタック1による発電中においては、アノードオフガスが改質器4に再循環することにより、電気化学反応にて生成された水を改質用に利用することができるので、外部からの水の供給が不要である。   During power generation by the stack 1, the anode off gas is recirculated to the reformer 4 so that water generated by the electrochemical reaction can be used for reforming. Supply is unnecessary.

次に、スタック1の起動時における動作について説明する。スタック1の起動時においては、起動用燃焼器11が作動し、該起動用燃焼器11で生成された燃焼ガスがカソード3に供給され、スタック1を昇温させる。更に、カソード3より排出されたガスは、カソードオフガスとして改質器4の加熱用通路6に導入され、改質器4を昇温させる。   Next, the operation at the time of starting the stack 1 will be described. When the stack 1 is activated, the activation combustor 11 is operated, and the combustion gas generated by the activation combustor 11 is supplied to the cathode 3 to raise the temperature of the stack 1. Further, the gas discharged from the cathode 3 is introduced into the heating passage 6 of the reformer 4 as a cathode off gas, and the reformer 4 is heated.

一方、アノード2に接続されるアノード循環経路には、起動用燃焼器11の燃焼ガスの一部が燃焼ガス通路20を介して取り出され、この燃焼ガス(水蒸気含有ガス)は改質器4の改質用通路5に導入される。更に、流路18を介してアノード2に供給され、その後、アノードオフガスは流路19を経由して循環装置7を通り、分岐装置8、循環ガス通路17を経由して改質用通路5に戻される。即ち、アノード用燃焼ガスの循環経路が形成される。アノード循環経路中の燃焼ガスの一部は、加熱用ガス通路16を経由して、カソード系流路に流出する。その流出量は、循環装置7が一定条件で運転を行っている場合は、燃焼ガス通路20を介して供給される燃焼ガスの供給量に応じた量となる。   On the other hand, in the anode circulation path connected to the anode 2, a part of the combustion gas of the start-up combustor 11 is taken out through the combustion gas passage 20, and this combustion gas (steam-containing gas) is discharged from the reformer 4. It is introduced into the reforming passage 5. Further, the anode off-gas is supplied to the anode 2 via the flow path 18, and thereafter, the anode off-gas passes through the circulation device 7 via the flow path 19, and enters the reforming passage 5 via the branch device 8 and the circulation gas passage 17. Returned. That is, a circulation path for the combustion gas for the anode is formed. A part of the combustion gas in the anode circulation path flows out to the cathode system flow path via the heating gas path 16. The outflow amount is an amount corresponding to the supply amount of the combustion gas supplied through the combustion gas passage 20 when the circulation device 7 is operating under a constant condition.

この際、循環装置7を分岐装置8の上流側に設けており、循環装置7を制御することにより、加熱用ガス通路16と循環ガス通路17に分岐されるガス量の比率を調整することができる。例えば、燃焼ガス通路20より供給される燃焼ガス量が一定の場合は、循環装置7の吐出量を増加させると、加熱用ガス通路16よりも循環ガス通路17に循環するガス量の比率が高くなる。従って、改質器4の改質用通路5、流路18、アノード2、流路19、循環装置7、及び循環ガス通路17で形成されるアノード循環経路中に流れる燃焼ガス量を増やすことができる。このため、燃焼ガス中に含まれる水蒸気を増加することができ、循環装置7を調整することにより、アノード循環経路中に含まれる水蒸気量を調整することができる。   At this time, the circulation device 7 is provided on the upstream side of the branch device 8, and by controlling the circulation device 7, the ratio of the amount of gas branched into the heating gas passage 16 and the circulation gas passage 17 can be adjusted. it can. For example, when the amount of combustion gas supplied from the combustion gas passage 20 is constant, increasing the discharge amount of the circulation device 7 increases the ratio of the amount of gas circulated to the circulation gas passage 17 rather than the heating gas passage 16. Become. Accordingly, the amount of combustion gas flowing in the anode circulation path formed by the reforming passage 5, the flow path 18, the anode 2, the flow path 19, the circulation device 7, and the circulation gas path 17 of the reformer 4 can be increased. it can. For this reason, the water vapor contained in the combustion gas can be increased, and the amount of water vapor contained in the anode circulation path can be adjusted by adjusting the circulation device 7.

また、分岐装置8で加熱用ガス通路16と、循環ガス通路17とに分岐されるガス量の比率を一定に保った状態で、燃焼ガス通路20より供給される燃焼ガス量を増加させることでも、アノード循環経路中に流れる燃焼ガス量を増やすことができる。   Alternatively, the amount of combustion gas supplied from the combustion gas passage 20 can be increased in a state where the ratio of the amount of gas branched into the heating gas passage 16 and the circulation gas passage 17 in the branch device 8 is kept constant. The amount of combustion gas flowing in the anode circulation path can be increased.

また、分岐装置8により、循環ガス通路17に分岐されるガス量を減らすことでもアノード循環経路中に流れる燃焼ガス量を増やすことができる。   Further, the amount of combustion gas flowing in the anode circulation path can also be increased by reducing the amount of gas branched into the circulation gas passage 17 by the branch device 8.

即ち、これらの手段により、アノード循環経路中に流れる燃焼ガス量を増やすことで、スタック1を起動してから発電に到るまでの間に、アノード循環経路中に窒素や二酸化炭素と一緒に水蒸気を蓄積した状態を作り出すことができる。この状態からであれば、改質器に改質用燃料と改質用空気を供給し始める際もアノード系内の水蒸気により炭素析出を防止できる。   That is, by increasing the amount of combustion gas flowing in the anode circulation path by these means, the steam along with nitrogen and carbon dioxide is fed into the anode circulation path from the start of the stack 1 until power generation. Can be created. From this state, carbon deposition can be prevented by water vapor in the anode system even when the reforming fuel and reforming air are supplied to the reformer.

このようにして、第1実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システム100では、スタック1の起動運転中に、アノード循環経路に水蒸気含有ガスを循環させ、更に、水蒸気量を可変とする機構を備えたので、スタック1の起動時において、炭素析出の発生を防止することができる。   In this way, in the solid oxide fuel cell system 100 according to the first embodiment, during the start-up operation of the stack 1, a mechanism that circulates the steam-containing gas in the anode circulation path and further varies the amount of steam is provided. Since it is provided, it is possible to prevent the occurrence of carbon deposition when the stack 1 is activated.

また、起動用燃焼器11で生成される燃焼ガス(水蒸気含有ガス)の一部を、燃焼ガス通路20を介してアノード循環経路に導入するので、スタック1を起動してから発電が行われるまでの間におけるアノード循環経路内の水蒸気量を確保することができる。   In addition, since a part of the combustion gas (steam-containing gas) generated by the start-up combustor 11 is introduced into the anode circulation path through the combustion gas passage 20, from the start of the stack 1 until power generation is performed. It is possible to ensure the amount of water vapor in the anode circulation path between the two.

更に、起動用燃焼器11によるストイキ燃焼による燃焼ガスを水蒸気含有ガスとして、アノード循環経路に供給することにより、不純物の少ない水蒸気含有ガスの供給が可能となる。   Furthermore, by supplying the combustion gas obtained by stoichiometric combustion by the start-up combustor 11 as a steam-containing gas to the anode circulation path, it is possible to supply a steam-containing gas with less impurities.

また、アノード2出口の流路19に循環装置7を設置し、更にその出口側に分岐装置8を設置してアノードオフガスを分岐するので、循環ガス通路17に循環させる水蒸気量を調整することができ、炭素析出の発生を防止できる。   Further, since the circulation device 7 is installed in the flow path 19 at the outlet of the anode 2 and the branch device 8 is further installed on the outlet side to branch the anode off gas, the amount of water vapor circulated in the circulation gas passage 17 can be adjusted. And the occurrence of carbon deposition can be prevented.

更に、アノード循環経路に導入する水蒸気含有ガス量が、スタック1の起動開始から徐々に多くなるように制御することにより、アノード循環経路内に導入される水蒸気量が急変することを防止でき、炭素析出の発生を防止できる。   Furthermore, by controlling the amount of water vapor-containing gas introduced into the anode circulation path to gradually increase from the start of the stack 1, the amount of water vapor introduced into the anode circulation path can be prevented from changing suddenly, and carbon The occurrence of precipitation can be prevented.

また、起動用燃焼器11を、小型拡散燃焼器(予燃焼器)21と触媒燃焼器(主燃焼器)22の2段式(複数段式)とすることにより、効率よく燃焼ガスを生成してカソード3に供給することができ、更に、小型拡散燃焼器21より送出される予燃焼ガスの一部を、アノード循環経路に導入する水蒸気含有ガスとして用いることができる。   Further, the start-up combustor 11 is a two-stage type (multiple-stage type) of a small diffusion combustor (pre-combustor) 21 and a catalytic combustor (main combustor) 22 to efficiently generate combustion gas. In addition, a part of the precombustion gas sent from the small diffusion combustor 21 can be used as a water vapor-containing gas introduced into the anode circulation path.

[第2実施形態の説明]
次に、本発明の第2実施形態について説明する。図3は、本発明の第2実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システム101の構成を示すブロック図である。第2実施形態に係る燃料電池システム101は、前述した第1実施形態で示した燃料電池システム100と対比して、起動用燃焼器11から燃焼ガス通路20を経由する燃焼ガスの経路が存在しない点、及び、アノード循環用ガス発生器30が設けられている点で相違する。それ以外の構成は、図1と同様であるので、同一符号を付して構成説明を省略する。
[Description of Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the solid oxide fuel cell system 101 according to the second embodiment of the present invention. The fuel cell system 101 according to the second embodiment has no combustion gas path from the start-up combustor 11 via the combustion gas passage 20 as compared with the fuel cell system 100 shown in the first embodiment. This is different from the above point in that an anode circulation gas generator 30 is provided. Since the other configuration is the same as that of FIG. 1, the same reference numerals are given and the description of the configuration is omitted.

第2実施形態に係る燃料電池システム101では、改質用通路5に改質用燃料と改質用空気の混合ガスを供給する流路に対して、並列的にアノード循環用ガス発生器30(以下、「循環ガス発生器30」という)が設けられている。   In the fuel cell system 101 according to the second embodiment, the anode circulation gas generator 30 (in parallel with the flow path for supplying the reformed fuel and the reformed air to the reforming passage 5 is provided. Hereinafter, a “circulation gas generator 30” is provided.

循環ガス発生器30には、コンプレッサ(図示省略)より供給される改質用空気路から燃焼用空気が導入され、ガス発生用燃料31と共に燃焼ガスが生成され、ストイキ燃焼ガスとしてアノード循環流路に供給される。   Combustion air is introduced into the circulation gas generator 30 from a reforming air passage supplied from a compressor (not shown), combustion gas is generated together with the gas generating fuel 31, and anode circulation passage as stoichiometric combustion gas. To be supplied.

図4は、図3に示した循環ガス発生器30の構成を示す説明図である。図4に示すように、循環ガス発生器30は、燃料供給装置(図示省略)より燃料が供給され、且つ、燃焼用空気供給口34より空気が供給されて、予燃焼部35、及び主燃焼部36にて燃焼して燃焼ガスが生成される。そして、この燃焼ガスは、熱交換部37にて燃焼用空気供給口34に供給される空気との間で熱交換が行われ、その後、アノード循環用ガスとして、図3に示す改質用通路5に供給される。主燃焼部36としては、触媒を用いるのが装置の容量的にも有利である。なお、燃料供給装置、及び燃焼用空気供給口34には、加熱用のヒータ38,39が設けられている。   FIG. 4 is an explanatory diagram showing a configuration of the circulating gas generator 30 shown in FIG. As shown in FIG. 4, the circulating gas generator 30 is supplied with fuel from a fuel supply device (not shown), and is supplied with air from a combustion air supply port 34. Combustion gas is generated by combustion in the section 36. Then, this combustion gas is heat-exchanged with the air supplied to the combustion air supply port 34 in the heat exchanging portion 37, and thereafter, as the anode circulation gas, the reforming passage shown in FIG. 5 is supplied. Use of a catalyst as the main combustion section 36 is advantageous in terms of the capacity of the apparatus. The fuel supply device and the combustion air supply port 34 are provided with heaters 38 and 39 for heating.

第2実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システムでは、起動用燃焼器11とは別個にアノード循環用ガス発生器30を設けることにより、アノード循環経路中に蓄える水蒸気量をより精密に制御することが可能になる。   In the solid oxide fuel cell system according to the second embodiment, the amount of water vapor stored in the anode circulation path is more precisely controlled by providing the anode circulation gas generator 30 separately from the start-up combustor 11. It becomes possible.

次に、第2実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システム101の、スタック起動時の動作について説明する。   Next, the operation at the time of stack activation of the solid oxide fuel cell system 101 according to the second embodiment will be described.

スタック1の起動時においては、起動用燃焼器11で生成された加熱用ガスがカソード3に供給され、スタック1を昇温させると共に、カソードオフガスが改質器4の加熱用通路6に導入され、該改質器4を昇温させる。   At the time of starting the stack 1, the heating gas generated by the starting combustor 11 is supplied to the cathode 3 to raise the temperature of the stack 1, and the cathode off gas is introduced into the heating passage 6 of the reformer 4. The reformer 4 is heated.

一方、起動用燃焼器11の起動によりスタック1、及び改質器4の温度が上昇し始め、水蒸気の凝縮が起こらない温度に達すると、循環ガス発生器30を作動させる。そして、該循環ガス発生器30にて発生する燃焼ガス量を徐々に増加させることにより、発生した燃焼ガスは流路32を経由して改質器4の改質用通路5に導入される。即ち、改質用通路5には燃焼ガスが徐々に増加しながら導入されることとなる。更に、この燃焼ガスは、流路18を経てアノード2に導入され、更に、流路19、循環装置7を通り、分岐装置8で分岐され、循環ガス通路17経由して改質用通路5に戻される。即ち、循環ガス発生器30より送出される燃焼ガスは、アノード用燃焼ガスの循環経路中に供給され、スタック1起動中の発電に到る状態の前にアノード循環経路内に水蒸気を蓄積した状態を作り出すこととなる。   On the other hand, when the temperature of the stack 1 and the reformer 4 starts to rise due to the start of the start-up combustor 11 and reaches a temperature at which steam condensation does not occur, the circulating gas generator 30 is operated. Then, by gradually increasing the amount of combustion gas generated in the circulating gas generator 30, the generated combustion gas is introduced into the reforming passage 5 of the reformer 4 via the flow path 32. That is, the combustion gas is introduced into the reforming passage 5 while gradually increasing. Further, the combustion gas is introduced into the anode 2 through the flow path 18, further passes through the flow path 19 and the circulation device 7, is branched by the branch device 8, and passes through the circulation gas passage 17 to the reforming passage 5. Returned. That is, the combustion gas delivered from the circulation gas generator 30 is supplied into the circulation path of the anode combustion gas, and the water vapor is accumulated in the anode circulation path before the power generation during the activation of the stack 1 is reached. Will be created.

そして、暖機が終了し、改質器4に改質用燃料と改質用空気を供給し始めても、アノード循環経路内の水蒸気により改質用燃料による炭素析出を起こすことがない。即ち、スタック1の起動時から発電が開始されるまでの間に、循環ガス発生器30による燃焼ガス(水蒸気含有ガス)がアノード循環経路に導入されるので、アノード循環経路内に水蒸気を供給することができ、炭素析出の発生を防止できる。   Even when the warm-up is completed and the reformer 4 starts to supply the reforming fuel and the reforming air, carbon deposition due to the reforming fuel is not caused by the water vapor in the anode circulation path. That is, since the combustion gas (steam-containing gas) by the circulating gas generator 30 is introduced into the anode circulation path from when the stack 1 is started to when power generation is started, water vapor is supplied into the anode circulation path. And the occurrence of carbon deposition can be prevented.

図5は、起動用燃焼器11の起動を開始してから、暖気が完了し、更にスタック1の起動に至る時間経過中の、アノード循環経路の循環ガス量の変化を示す特性図である。   FIG. 5 is a characteristic diagram showing a change in the amount of circulating gas in the anode circulation path during the time elapsed from the start of the start-up combustor 11 to the completion of warm-up until the stack 1 is started.

図5に示す時刻t0にて起動用燃焼器11が起動すると、スタック1及び改質器4の温度が上昇し始める。そして、時刻t1にて、スタック1、及び改質器4が水蒸気の凝縮が起こらない温度に達すると、循環ガス発生器30の作動を開始する。   When the start-up combustor 11 is started at time t0 shown in FIG. 5, the temperature of the stack 1 and the reformer 4 starts to rise. At time t1, when the stack 1 and the reformer 4 reach a temperature at which steam condensation does not occur, the operation of the circulating gas generator 30 is started.

循環ガス発生器30では、時間の経過に伴って送出する燃焼ガスの量を徐々に増加する。そして、時刻t2にて暖気が終了すると、この時点において、改質器4に改質用燃料と改質用空気を供給し始めたときに炭素析出が発生しない水蒸気量がアノード循環経路内に貯留されることとなる。   In the circulating gas generator 30, the amount of combustion gas to be sent out gradually increases with time. When the warm-up is completed at time t2, at this time, the amount of water vapor that does not cause carbon deposition when the reforming fuel and reforming air are supplied to the reformer 4 is stored in the anode circulation path. Will be.

炭素析出が発生しない水蒸気量は、燃料電池が発電に必要とする改質ガス成分の水素や一酸化炭素を発生させるのに必要な外部からの燃料供給量と、アノード系が燃焼ガスで充填された状態から燃料電池が発電するまでの間に、改質燃料と空気をどのような量と配分で増加させていくか、更に、カソード系の昇温用ガス量とアノード循環ガス量とによってスタック内で生じるカソードとアノードの間の圧力差の許容値によっても左右され、運転状態によって細かく制御される。   The amount of water vapor that does not cause carbon deposition is determined by the amount of fuel supplied from the outside necessary for generating hydrogen and carbon monoxide as reformed gas components required for power generation by the fuel cell, and the anode system filled with combustion gas. Depending on the amount and distribution of the reformed fuel and air from when the fuel cell is generated until the fuel cell generates power, the stack is further increased depending on the amount of gas used for raising the temperature of the cathode system and the amount of circulating anode gas. It depends on the tolerance of the pressure difference between the cathode and the anode generated in the inside, and is finely controlled by the operating state.

暖気が完了すると、循環ガス発生器30からのガスが供給される一方で、改質器4の改質用通路5に、改質用燃料、及び改質用空気が供給され、改質ガスがアノード循環経路内に混入し始める。これに従って、循環ガス発生器30からのガス供給を減量させていき、最終的には時刻t3において、循環ガス発生器30からのガス供給を停止する。これにより、アノード循環経路内を循環するガスは全て改質ガスに置換される。   When the warm air is completed, the gas from the circulating gas generator 30 is supplied, while the reforming fuel and the reforming air are supplied to the reforming passage 5 of the reformer 4, and the reformed gas is supplied. Start mixing in the anode circulation path. In accordance with this, the gas supply from the circulating gas generator 30 is reduced, and finally the gas supply from the circulating gas generator 30 is stopped at time t3. Thereby, all the gas circulating in the anode circulation path is replaced with the reformed gas.

こうして、循環ガス発生器30より送出する燃焼ガスの量をきめ細かく制御することにより、燃焼ガスの供給量を徐々に増加させ、暖気が完了した後においては燃焼ガスの供給量を徐々に減少させ、最終的に循環ガス全体を改質ガスに置き換えることができるのである。   Thus, by finely controlling the amount of combustion gas delivered from the circulating gas generator 30, the supply amount of the combustion gas is gradually increased, and after the warm air is completed, the supply amount of the combustion gas is gradually decreased, Eventually, the entire circulating gas can be replaced with the reformed gas.

このようにして、第2実施形態に係る固体酸化物型燃料電池システム101では、改質用通路5の入口側に循環ガス発生器30を設置し、スタック1の起動時に該循環ガス発生器30を作動させて燃焼ガス(水蒸気含有ガス)をアノード循環流路内に供給するので、スタック1が起動してから発電を開始するまでの間に、アノード循環流路内に水蒸気を供給することができ、炭素析出の発生を防止することができる。   Thus, in the solid oxide fuel cell system 101 according to the second embodiment, the circulating gas generator 30 is installed on the inlet side of the reforming passage 5 and the circulating gas generator 30 is activated when the stack 1 is started. Is operated to supply combustion gas (steam-containing gas) into the anode circulation channel, so that steam can be supplied into the anode circulation channel after the stack 1 is activated until power generation is started. And the occurrence of carbon deposition can be prevented.

また、循環ガス発生器30より出力する燃焼ガス量を調整することにより、循環する水蒸気量を調整することができ、更に、燃焼ガスの供給量を徐々に増加することができる。従って、アノード循環流路内に供給する水蒸気量を徐々に増加させることができ、急激な水蒸気量の変化を防止できるので、炭素析出の発生を防止できる。   Further, by adjusting the amount of combustion gas output from the circulating gas generator 30, the amount of water vapor circulating can be adjusted, and the supply amount of combustion gas can be gradually increased. Therefore, the amount of water vapor supplied into the anode circulation channel can be gradually increased, and a rapid change in the amount of water vapor can be prevented, so that the occurrence of carbon deposition can be prevented.

更に、スタックの暖気が終了した後で、改質燃料、及び空気がアノード循環流路内に循環した後に、循環ガス発生器30による燃焼ガスの出力を停止するので、アノード循環流路内の循環ガスを円滑に改質ガスに置き換えることができ、炭素析出の発生を防止できる。   Further, after the stack warming is finished, the reformed fuel and the air are circulated in the anode circulation flow path, and then the output of the combustion gas by the circulation gas generator 30 is stopped. Therefore, the circulation in the anode circulation flow path is stopped. The gas can be smoothly replaced with the reformed gas, and the occurrence of carbon deposition can be prevented.

以上、本発明の固体酸化物型燃料電池システムを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。   The solid oxide fuel cell system of the present invention has been described based on the illustrated embodiment. However, the present invention is not limited to this, and the configuration of each part is an arbitrary configuration having the same function. Can be replaced with something.

本発明は、起動から発電に至るまでの間に外部から水を供給することなくスタックによる発電を行うことに利用することができる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used to perform power generation by a stack without supplying water from the outside during startup to power generation.

1 スタック
2 アノード
3 カソード
4 改質器
5 改質用通路
6 加熱用通路
7 循環装置
8 分岐装置
11 起動用燃焼器
12 空気予熱器
14,15,18,19,32 流路
16 加熱用ガス通路
17 循環ガス通路
20 燃焼ガス通路
21 小型拡散燃焼器
22 触媒燃焼器
23 燃料噴射弁
24 空気導入路
25 着火装置
26 燃焼ガス取り出し口
27 燃料供給口
28 2次空気供給口
29 燃焼部
30 循環ガス発生器(アノード循環用ガス発生器)
31 ガス発生用燃料
34 燃焼用空気供給口
35 予燃焼部
36 主燃焼部
37 熱交換部
38,39 ヒータ
100,101 固体酸化物型燃料電池システム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Stack 2 Anode 3 Cathode 4 Reformer 5 Reforming passage 6 Heating passage 7 Circulating device 8 Branching device 11 Start-up combustor 12 Air preheater 14, 15, 18, 19, 32 Flow path 16 Heating gas passage DESCRIPTION OF SYMBOLS 17 Circulation gas path 20 Combustion gas path 21 Small diffusion combustor 22 Catalytic combustor 23 Fuel injection valve 24 Air introduction path 25 Ignition device 26 Combustion gas extraction port 27 Fuel supply port 28 Secondary air supply port 29 Combustion part 30 Circulation gas generation (Anode circulation gas generator)
Reference Signs List 31 Gas generating fuel 34 Combustion air supply port 35 Precombustion section 36 Main combustion section 37 Heat exchange section 38, 39 Heater 100, 101 Solid oxide fuel cell system

Claims (8)

新規燃料を改質器に導入し、改質後の燃料を燃料電池スタックのアノードに供給し、前記アノードより排出されるアノードオフガスの一部を前記改質器の改質用通路に循環させると共に、残りのアノードオフガスを前記燃料電池スタックのカソードより排出されるカソードオフガスに混合して前記改質器の加熱に用いるようにした固体酸化物型燃料電池システムにおいて、
起動時に前記カソード及び改質器の加熱を行うと共に、前記アノードに水蒸気含有ガスを循環させ、起動運転中のアノード循環経路の水蒸気量を可変とする機構を備えたことを特徴とする固体酸化物型燃料電池システム。
A new fuel is introduced into the reformer, the reformed fuel is supplied to the anode of the fuel cell stack, and a part of the anode off-gas discharged from the anode is circulated through the reforming passage of the reformer. In the solid oxide fuel cell system, the remaining anode off gas is mixed with the cathode off gas discharged from the cathode of the fuel cell stack and used for heating the reformer.
A solid oxide comprising a mechanism that heats the cathode and the reformer at the time of start-up, circulates water vapor-containing gas to the anode, and makes the amount of water vapor in the anode circulation path during start-up operation variable. Type fuel cell system.
前記燃料電池スタックの起動時に、カソードを昇温する起動用燃焼器を備え、前記起動用燃焼器で生成される燃焼ガスの一部を、前記アノードに循環させる水蒸気含有ガスとすることを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池システム。   A startup combustor that raises the temperature of the cathode at the time of startup of the fuel cell stack is provided, and a part of the combustion gas generated in the startup combustor is a steam-containing gas that is circulated to the anode. The solid oxide fuel cell system according to claim 1. 前記起動用燃焼器は、ストイキ燃焼により前記水蒸気含有ガスを生成することを特徴とする請求項2に記載の固体酸化物型燃料電池システム。   The solid oxide fuel cell system according to claim 2, wherein the start-up combustor generates the water vapor-containing gas by stoichiometric combustion. 前記起動用燃焼器は、複数段式の燃焼器であり、最も上流側となる第1段の燃焼器より送出される燃焼ガスを前記水蒸気含有ガスとして、前記アノードに導入することを特徴とする請求項2または請求項3のいずれかに記載の固体酸化物型燃料電池システム。   The start-up combustor is a multi-stage combustor, and the combustion gas delivered from the most upstream first-stage combustor is introduced into the anode as the steam-containing gas. The solid oxide fuel cell system according to any one of claims 2 and 3. アノード循環経路に燃焼ガスを供給するアノード循環用ガス発生器を備え、該アノード循環用ガス発生器により、前記アノード循環経路に水蒸気含有ガスを導入することを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池システム。   2. The solid according to claim 1, further comprising an anode circulation gas generator for supplying combustion gas to the anode circulation path, and introducing the steam-containing gas into the anode circulation path by the anode circulation gas generator. Oxide fuel cell system. 前記アノードの出口側となる流路に循環装置、及び該循環装置により循環されるアノードオフガスを分岐してその一部をアノード系に循環させる分岐装置を更に備え、前記循環装置の調整及び燃焼ガス量の増減のうちの、少なくとも一方により、アノードに循環する水蒸気含有ガス量を調整することを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の固体酸化物型燃料電池システム。   A circulation device and a branching device for branching the anode off-gas circulated by the circulation device and circulating a part thereof to the anode system in the flow path on the outlet side of the anode, and adjusting the circulation device and combustion gas The solid oxide fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein the amount of water vapor-containing gas circulating to the anode is adjusted by at least one of the increase and decrease of the amount. アノードに循環する水蒸気含有ガス量を、前記スタックの起動開始から徐々に多くなるようにすることを特徴とする請求項6に記載の固体酸化物型燃料電池システム。   7. The solid oxide fuel cell system according to claim 6, wherein the amount of water vapor-containing gas circulated to the anode is gradually increased from the start of startup of the stack. 前記燃料電池スタックの暖気終了後に、前記水蒸気含有ガスに改質燃料、及び改質空気を加えてアノード循環経路に循環させた後、前記水蒸気含有ガスの導入を停止することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の固体酸化物型燃料電池システム。   2. After the end of warming of the fuel cell stack, the reformed fuel and reformed air are added to the steam-containing gas and circulated through the anode circulation path, and then the introduction of the steam-containing gas is stopped. The solid oxide fuel cell system according to any one of 1 to 7.
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