JP2014137976A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress an increase in facility cost in a fuel cell system including a fuel cell.SOLUTION: There is provided a fuel cell system 7 including: a cell stack 101 having cells that generate power through a reaction between hydrogen and oxygen-containing oxidant gas O1 and including a catalyst having a reforming ability of producing hydrogen from hydrocarbon and steam; a steam supply means 30 supplying steam to the cell stack 101 during power generation stops; and a vaporizer 31 heating water with heat generated by the cell stack 101 to produce steam.

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system.

燃料電池は、低公害で発電効率が高いため、近年、各種分野での利用が期待されている。燃料電池を用いた燃料電池システムとしては、燃料電池単体の運転システムや、燃料電池とガスタービンとを連携したコンバインド発電システムが知られている。   Fuel cells are expected to be used in various fields in recent years because of their low pollution and high power generation efficiency. As a fuel cell system using a fuel cell, an operation system of a single fuel cell and a combined power generation system in which a fuel cell and a gas turbine are linked are known.

また、燃料電池は、燃料ガスと空気等の酸化性ガスとから発電を行うカートリッジが圧力容器内に収容された構成である。カートリッジは、燃料電池セル集合体であるセルスタックの束で構成されている。   The fuel cell has a configuration in which a cartridge that generates power from a fuel gas and an oxidizing gas such as air is housed in a pressure vessel. The cartridge is composed of a bundle of cell stacks that are fuel cell assemblies.

ところで、燃料電池システムでは、電力負荷系統との電気的接続が断たれるなどして燃料電池モジュールでの発電が停止した場合、セルスタックの燃料極が損傷することを防止する観点から、セルスタックの燃料極側に還元性ガスに供給している。即ち、停止時において、セルスタックの燃料極側に還元性ガスが供給されることによって、セルスタックが保護される。
そこで、特許文献2では、気化器、改質器、及びこれらを加熱するためのバーナを設け、停止時においても改質器により生成される水素をセルスタックの燃料極側に供給してセルスタックを保護する技術が開示されている。
By the way, in the fuel cell system, the cell stack is prevented from being damaged when power generation in the fuel cell module is stopped due to disconnection of the electrical connection with the power load system. The reducing gas is supplied to the fuel electrode side. That is, at the time of stoppage, the cell stack is protected by supplying reducing gas to the fuel electrode side of the cell stack.
Therefore, in Patent Document 2, a vaporizer, a reformer, and a burner for heating them are provided, and hydrogen generated by the reformer is supplied to the fuel electrode side of the cell stack even when stopped. A technique for protecting the image is disclosed.

特開2010−80192号公報JP 2010-80192 A

ところで、上記従来のシステムにおいては、水素を発生させるために、改質器、気化器、及び加熱バーナが設けられた構成であり、内部改質を利用する燃料電池システムであり発電システムに改質器を有していない場合は従来のシステムを適用することができない。また、内部改質を利用する燃料電池システムにおいて、改質器等の水素供給設備を附帯させることもできるが、設備コスト、及び商品性の面で好ましくない。   By the way, in the above conventional system, in order to generate hydrogen, a reformer, a vaporizer, and a heating burner are provided, which is a fuel cell system utilizing internal reforming and reforming into a power generation system. The conventional system cannot be applied if it does not have a vessel. In addition, in a fuel cell system using internal reforming, a hydrogen supply facility such as a reformer can be attached, but this is not preferable in terms of facility cost and merchantability.

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、燃料電池の停止動作において、セルスタックの保護を確実にできると共に、内部改質を利用する燃料電池システムにおいて、設備コストを抑えられる燃料電池システムを提供することにある。   The present invention has been made in consideration of such circumstances, and an object of the present invention is to ensure the protection of the cell stack in the stop operation of the fuel cell, and to provide the equipment in the fuel cell system using internal reforming. The object is to provide a fuel cell system capable of reducing costs.

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
即ち、本発明の燃料電池システムは、酸素を含む酸化剤ガスと水素との反応で発電するセルを有し、炭化水素と水蒸気とから水素を生成する改質能を有する触媒を含むセルスタックと、停止時に、前記セルスタックに水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、前記セルスタックが発生する熱で水を加熱し、水蒸気を発生させる気化器と、を備えていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.
That is, the fuel cell system of the present invention has a cell that generates power by a reaction between an oxidant gas containing oxygen and hydrogen, and a cell stack that includes a catalyst having a reforming ability to generate hydrogen from hydrocarbon and steam. And a water vapor supply means for supplying water vapor to the cell stack when stopped, and a vaporizer for generating water vapor by heating water with heat generated by the cell stack.

上記構成によれば、停止時において、セルスタックの有する顕熱で水を加熱し、セルスタックに水蒸気を燃料極側に供給することで、セルスタックの触媒機能を利用した改質による水素の生成が可能となり、水蒸気から水素を生成する改質器や、水素ボンベなどの水素を保有するための設備が不用となり、設備コストの増大を抑えることができる。
また、セルスタックに供給される水蒸気は、セルスタックが発する熱で水を加熱することによって発生させるため、停電時においても水蒸気を発生させることが可能となる。
According to the above configuration, at the time of stoppage, water is heated by sensible heat of the cell stack, and steam is supplied to the cell stack to the fuel electrode side, thereby generating hydrogen by reforming using the catalytic function of the cell stack. This eliminates the need for a reformer that generates hydrogen from water vapor and a facility for holding hydrogen such as a hydrogen cylinder, thereby suppressing an increase in facility cost.
Moreover, since water vapor | steam supplied to a cell stack is generated by heating water with the heat | fever which a cell stack emits, it becomes possible to generate water vapor | steam also at the time of a power failure.

上記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムは、前記セルスタックが収容される圧力容器を備え、前記水蒸気供給手段は、前記圧力容器の内部に設けられた前記気化器と、前記圧力容器の外部に設けられた水供給源と前記気化器とを接続する配管と、を有することが好ましい。   In the fuel cell system, the fuel cell system includes a pressure vessel in which the cell stack is accommodated, and the water vapor supply means is provided outside the pressure vessel and the vaporizer provided inside the pressure vessel. It is preferable to have a pipe for connecting the provided water supply source and the vaporizer.

上記構成によれば、気化器が圧力容器の内部であって、セルスタックの周囲に配置されることによって、セルスタックが発する熱が気化器により伝わり、水蒸気の発生効率を向上させることができる。   According to the above configuration, the vaporizer is disposed inside the pressure vessel and around the cell stack, whereby the heat generated by the cell stack is transmitted by the vaporizer, and the efficiency of water vapor generation can be improved.

上記燃料電池システムにおいて、前記水蒸気供給手段は、前記配管に設けられ、停止時に開状態となる弁を有することが好ましい。   In the fuel cell system, it is preferable that the water vapor supply means includes a valve provided in the pipe and opened when stopped.

上記燃料電池システムにおいて、内部に気体が圧縮状態で封入され、前記水供給源から供給される水を加圧する蓄圧器を備えていることが好ましい。   The fuel cell system preferably includes a pressure accumulator in which gas is sealed in a compressed state and pressurizes water supplied from the water supply source.

本発明によれば、内部改質を利用する発電システムのトリップ時を含む停止動作において、セルスタックの燃料極側に水蒸気を供給し、燃料極の触媒作用によって、燃料ガスと水蒸気から水素が生成されることで燃料極側の還元雰囲気を確保することができるため、改質器や水素ボンベなどの水素供給設備を保有するための設備が不用となり、発電室の熱を利用して設備コストを抑える燃料電池システムを提供することができる。   According to the present invention, in a stop operation including a trip of a power generation system using internal reforming, water vapor is supplied to the fuel electrode side of the cell stack, and hydrogen is generated from the fuel gas and water vapor by the catalytic action of the fuel electrode. As a result, it is possible to secure a reducing atmosphere on the fuel electrode side, so facilities for holding hydrogen supply facilities such as reformers and hydrogen cylinders are not required, and equipment costs are reduced by using heat from the power generation chamber. A fuel cell system can be provided.

本発明の実施形態に係る燃料電池システムを含むコンバインド発電システムの系統図である。1 is a system diagram of a combined power generation system including a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る気化器の構成を説明する斜視図である。It is a perspective view explaining the structure of the vaporizer | carburetor which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールの概略構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows schematic structure of the fuel cell module which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るセルスタックの要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the cell stack which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るカートリッジの断面図である。It is sectional drawing of the cartridge which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るカートリッジの斜視図である。It is a perspective view of the cartridge which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る燃料電池システムのトリップ発生後の発電室温度を示すグラフである。It is a graph which shows the power generation chamber temperature after trip generation | occurrence | production of the fuel cell system which concerns on embodiment of this invention.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1に示すように、本実施形態のコンバインド発電システム1は燃料電池モジュール2を含む燃料電池システム7と、ガスタービン3とを組み合わせた発電システムである。
ガスタービン3は、外気を吸入して圧縮する空気圧縮機4と、空気圧縮機4の下流側に設けられた燃焼器5と、燃焼器5の下流側に設けられたタービン6とを主な構成要素として有している。さらに、ガスタービン3には、発電機8が接続されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the combined power generation system 1 of this embodiment is a power generation system in which a fuel cell system 7 including a fuel cell module 2 and a gas turbine 3 are combined.
The gas turbine 3 mainly includes an air compressor 4 that sucks and compresses outside air, a combustor 5 provided on the downstream side of the air compressor 4, and a turbine 6 provided on the downstream side of the combustor 5. It has as a component. Furthermore, a generator 8 is connected to the gas turbine 3.

燃焼器5は、空気に燃料ガスを噴射して、高温燃焼ガスを生成する。本実施形態の燃焼器5には、後述する排酸化剤ガス配管340から供給される排酸化剤ガスO2と、排燃料配管320から供給される排燃料ガスF2と、第二燃料供給源21から供給される燃料ガスが供給される。
タービン6は、燃焼器5により生成された高温燃焼ガスの供給を受けて回転駆動力を発生させ、圧縮機4を回転駆動させるとともに、発電機8を駆動する。タービン6には、タービン6を回転駆動した後の高温燃焼ガス、即ち、排ガスが導入されるガスタービン排ガスダクト9が設けられている。ガスタービン排ガスダクト9は、排ガスを外部に導く配管である。
The combustor 5 injects fuel gas into the air to generate high-temperature combustion gas. The combustor 5 of the present embodiment includes a waste oxidant gas O2 supplied from a later-described exhaust oxidant gas pipe 340, a waste fuel gas F2 supplied from the exhaust fuel pipe 320, and a second fuel supply source 21. The supplied fuel gas is supplied.
The turbine 6 receives the supply of the high-temperature combustion gas generated by the combustor 5 to generate a rotational driving force, rotationally drives the compressor 4, and drives the generator 8. The turbine 6 is provided with a gas turbine exhaust gas duct 9 into which high-temperature combustion gas after rotating the turbine 6, that is, exhaust gas is introduced. The gas turbine exhaust gas duct 9 is a pipe that guides the exhaust gas to the outside.

燃料電池システム7は、燃料電池モジュール2と、燃料電池モジュール2が停止した際に燃料電池モジュール2の燃料配管310に水蒸気を供給する水蒸気供給装置30とを有している。ここで、停止とはセルスタック101での電気化学反応を停止し、燃料電池モジュールによる発電を停止させることを意味している。
燃料電池モジュール2は圧力容器10と圧力容器10の内部に収納された複数のカートリッジ201とを有している。カートリッジ201は、セルスタック101が複数束ねられることで構成されており、燃料ガスF1及び酸化剤ガスO1の供給を受けて発電を行うものである。セルスタック101の詳細については後述する。
The fuel cell system 7 includes the fuel cell module 2 and a water vapor supply device 30 that supplies water vapor to the fuel pipe 310 of the fuel cell module 2 when the fuel cell module 2 is stopped. Here, the stop means stopping the electrochemical reaction in the cell stack 101 and stopping the power generation by the fuel cell module.
The fuel cell module 2 includes a pressure vessel 10 and a plurality of cartridges 201 housed in the pressure vessel 10. The cartridge 201 is configured by bundling a plurality of cell stacks 101, and generates power by receiving supply of the fuel gas F1 and the oxidant gas O1. Details of the cell stack 101 will be described later.

カートリッジ201には、ガスタービン3から酸化剤ガスO1を供給する酸化剤ガス配管330と、燃料供給源20から燃料ガスF1を供給する燃料配管310が接続されている。燃料配管310には、燃料配管310を介してカートリッジ201に供給される燃料ガスF1の流量を調整する流量調整弁22が設けられている。   An oxidant gas pipe 330 that supplies the oxidant gas O1 from the gas turbine 3 and a fuel pipe 310 that supplies the fuel gas F1 from the fuel supply source 20 are connected to the cartridge 201. The fuel pipe 310 is provided with a flow rate adjustment valve 22 that adjusts the flow rate of the fuel gas F <b> 1 supplied to the cartridge 201 via the fuel pipe 310.

なお、本実施形態のコンバインド発電システム1においては、燃料供給源20はカートリッジ201のみに燃料ガスを供給する構成となっているが、燃料供給源20からカートリッジ201に加えて、燃焼器5に燃料ガスを供給する構成としてもよい。即ち、前述した第二燃料供給源21を廃して、燃料供給源20と燃焼器5とを接続する構成としてもよい。   In the combined power generation system 1 of the present embodiment, the fuel supply source 20 is configured to supply fuel gas only to the cartridge 201, but in addition to the cartridge 201 from the fuel supply source 20, fuel is supplied to the combustor 5. It is good also as a structure which supplies gas. That is, the second fuel supply source 21 described above may be eliminated and the fuel supply source 20 and the combustor 5 may be connected.

燃料ガスF1としては、例えば、水素、一酸化炭素、メタン等の炭化水素系ガス、石炭等の炭素質原料のガス化により得られたガス、又は、これらの2以上の成分を含むガス等が利用される。また、酸化剤ガスO1としては、例えば、酸素を15〜30vol%含むガス等が利用される。代表的な酸化剤ガスO1としては、空気であるが、排燃焼ガスと空気との混合ガスや、酸素と空気との混合ガスを利用してもよい。   Examples of the fuel gas F1 include hydrocarbon gases such as hydrogen, carbon monoxide, and methane, gases obtained by gasification of carbonaceous raw materials such as coal, and gases containing two or more of these components. Used. Further, as the oxidant gas O1, for example, a gas containing 15 to 30 vol% oxygen is used. The representative oxidant gas O1 is air, but a mixed gas of exhaust combustion gas and air or a mixed gas of oxygen and air may be used.

さらに、コンバインド発電システム1には、カートリッジ201における発電に用いられた後の排酸化剤ガスO2を、ガスタービン3の燃焼器5に供給する排酸化剤ガス配管340と、カートリッジ201から排出される燃料ガス(排燃料ガスF2)を燃焼器5に供給する排燃料配管320とが設けられている。排燃料ガスF2とは、燃料電池モジュール2において発電に用いられた後の燃料ガスである。   Further, in the combined power generation system 1, the exhaust oxidant gas O 2 after being used for power generation in the cartridge 201 is discharged from the cartridge 201 and the exhaust oxidant gas pipe 340 that supplies the combustor 5 of the gas turbine 3. An exhaust fuel pipe 320 that supplies fuel gas (exhaust fuel gas F2) to the combustor 5 is provided. The exhaust fuel gas F <b> 2 is a fuel gas after being used for power generation in the fuel cell module 2.

酸化剤ガス配管330は、ガスタービン3の空気圧縮機4において圧縮された酸化剤ガスをカートリッジ201に導く配管である。
排燃料配管320には、排燃料ガスF2の一部を燃料配管310に再循環させる燃料再循環配管325が接続されている。即ち、燃料再循環配管325の一方の端部は排燃料配管320に接続され、他方の端部は燃料配管310に接続されている。燃料再循環配管325には、燃料再循環配管325を流れる排燃料ガスF2を燃料配管310に送給する為の燃料再循環ブロア15が設けられている。
The oxidant gas pipe 330 is a pipe that guides the oxidant gas compressed in the air compressor 4 of the gas turbine 3 to the cartridge 201.
A fuel recirculation pipe 325 that recirculates a part of the exhaust fuel gas F2 to the fuel pipe 310 is connected to the exhaust fuel pipe 320. That is, one end of the fuel recirculation pipe 325 is connected to the exhaust fuel pipe 320 and the other end is connected to the fuel pipe 310. The fuel recirculation pipe 325 is provided with a fuel recirculation blower 15 for supplying the exhaust fuel gas F2 flowing through the fuel recirculation pipe 325 to the fuel pipe 310.

そして、本実施形態の燃料電池システム7を含むコンバインド発電システム1は、燃料電池モジュール2のセルスタック101に水蒸気を供給する水蒸気供給装置30(水蒸気供給手段)を備えている。   The combined power generation system 1 including the fuel cell system 7 of this embodiment includes a water vapor supply device 30 (water vapor supply means) that supplies water vapor to the cell stack 101 of the fuel cell module 2.

水蒸気供給装置30は、圧力容器10の内部に配置された気化器31と、圧力容器10の外部に配置された水供給源32と、気化器31と水供給源32とを接続する第一配管33と、気化器31と燃料配管310とを接続する第二配管34とを有している。水供給源32は蓄圧器38を有しており、蓄圧器38の圧力によって、水が第一配管33に供給される。蓄圧器38の内部には気体が圧縮状態で封入されており、水を加圧することができる。   The water vapor supply device 30 includes a vaporizer 31 arranged inside the pressure vessel 10, a water supply source 32 arranged outside the pressure vessel 10, and a first pipe connecting the vaporizer 31 and the water supply source 32. 33, and a second pipe 34 that connects the vaporizer 31 and the fuel pipe 310. The water supply source 32 has a pressure accumulator 38, and water is supplied to the first pipe 33 by the pressure of the pressure accumulator 38. Gas is sealed in the pressure accumulator 38 in a compressed state, and water can be pressurized.

また、第一配管33には弁39が設けられている。弁39はシステムの停止時に開状態となるように構成されている。即ち、システムの停止時に弁39が開状態となり、第一配管33に加圧された水が流入する。   The first pipe 33 is provided with a valve 39. The valve 39 is configured to be opened when the system is stopped. That is, when the system is stopped, the valve 39 is opened, and pressurized water flows into the first pipe 33.

気化器31は、圧力容器10の内部であって、セルスタック101を構成するカートリッジ201の近傍に配置されている。即ち、発電室の温度が700℃以上の高温型の燃料電池の停止時において、カートリッジ201の発する熱が気化器31に十分伝わるような位置に配置されている。   The vaporizer 31 is disposed inside the pressure vessel 10 and in the vicinity of the cartridge 201 constituting the cell stack 101. That is, the heat generating chamber is disposed at a position where the heat generated by the cartridge 201 is sufficiently transmitted to the vaporizer 31 when the high temperature fuel cell having a temperature of 700 ° C. or higher is stopped.

図2に示すように、気化器31は、例えば、SUSなどの金属によって形成された矩形の板部材である気化器本体35と、気化器本体35の内部を蛇行するように形成された蛇行孔36とから構成されている。蛇行孔36は、その両端が気化器本体35の端面で開口されており、蛇行孔36の一端に第一配管33が接続されているとともに、蛇行孔36の他端に第二配管34が接続されている。なお、気化器本体35の形状は、矩形に限ることはなく、配置箇所の形状により適宜変更することができる。   As shown in FIG. 2, the vaporizer 31 includes, for example, a vaporizer body 35 that is a rectangular plate member made of metal such as SUS, and a serpentine hole formed so as to meander inside the vaporizer body 35. 36. Both ends of the meandering hole 36 are opened at the end face of the vaporizer body 35, the first pipe 33 is connected to one end of the meandering hole 36, and the second pipe 34 is connected to the other end of the meandering hole 36. Has been. Note that the shape of the vaporizer body 35 is not limited to a rectangular shape, and can be changed as appropriate depending on the shape of the arrangement location.

また、本実施形態のコンバインド発電システム1は、燃料配管310に窒素(N2)を供給する窒素発生源81を備えている。窒素発生源81は、配管を介して燃料配管310に接続されている。窒素発生源81は、例えば窒素ボンベを採用することができる。
また、酸化剤ガス配管330からは、酸化剤ガスO1を排酸化剤ガス配管340へ分岐する空気分岐配管18が設けられている。
In addition, the combined power generation system 1 of this embodiment includes a nitrogen generation source 81 that supplies nitrogen (N 2) to the fuel pipe 310. The nitrogen generation source 81 is connected to the fuel pipe 310 via a pipe. As the nitrogen generation source 81, for example, a nitrogen cylinder can be adopted.
Further, an air branch pipe 18 that branches the oxidant gas O1 to the exhaust oxidant gas pipe 340 is provided from the oxidant gas pipe 330.

次に、燃料電池モジュール2の詳細構造について説明する。
図3に示すように、燃料電池モジュール2は、容器中心軸Avを中心として容器中心軸方向Dvに延びる円筒形状の圧力容器10と、この圧力容器10内に配置されている複数のカートリッジ201を有している。
Next, the detailed structure of the fuel cell module 2 will be described.
As shown in FIG. 3, the fuel cell module 2 includes a cylindrical pressure vessel 10 that extends in the vessel central axis direction Dv around the vessel central axis Av, and a plurality of cartridges 201 arranged in the pressure vessel 10. Have.

圧力容器10は、例えば、内部の圧力が0.1MPa〜約5MPa、内部の温度が大気温度〜約550℃で運用される。このため、この圧力容器10は、耐圧性を考慮して、円筒形状の胴部11と、胴部11の中心軸方向における両端部に形成されている半球状の鏡部12とを有している。この圧力容器10は、全体として円筒形状を成し、その容器中心軸Avが上下方向に延びるよう設置されている。また、この圧力容器10は、耐圧性と共に、酸化剤ガスO1中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性も要求されるため、例えば、SUS304などのステンレス系材で形成されている。   The pressure vessel 10 is operated, for example, at an internal pressure of 0.1 MPa to about 5 MPa and an internal temperature of atmospheric temperature to about 550 ° C. For this reason, in consideration of pressure resistance, the pressure vessel 10 has a cylindrical body 11 and hemispherical mirrors 12 formed at both ends in the central axis direction of the body 11. Yes. The pressure vessel 10 has a cylindrical shape as a whole, and is installed such that the vessel central axis Av extends in the vertical direction. Further, the pressure vessel 10 is formed of a stainless steel material such as SUS304 because it is required to have a pressure resistance and a corrosion resistance against an oxidant such as oxygen contained in the oxidant gas O1.

カートリッジ201は、複数のセルスタックの束で構成されている。図4に示すように、セル集合体であるセルスタック101は、円筒形状(又は管形状)の基体管103と、基体管103の外周面に形成されている複数の燃料電池セル105と、隣り合う燃料電池セル105の間に形成されているインターコネクタ107とを有する。燃料電池セル105は、燃料極112と固体電解質111と空気極113とが積層して形成されている。セルスタック101は、さらに、基体管103の外周面に形成されている複数の燃料電池セル105のうちで、基体管103の軸方向において最も端に形成されている燃料電池セル105の空気極113に、インターコネクタ107を介して電気的に接続されているリード膜115を有する。   The cartridge 201 is composed of a bundle of a plurality of cell stacks. As shown in FIG. 4, the cell stack 101 as a cell assembly includes a cylindrical (or tube-shaped) base tube 103 and a plurality of fuel cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103. And an interconnector 107 formed between the matching fuel cells 105. The fuel cell 105 is formed by stacking a fuel electrode 112, a solid electrolyte 111, and an air electrode 113. The cell stack 101 further includes an air electrode 113 of the fuel cell 105 formed at the end in the axial direction of the base tube 103 among the plurality of fuel cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103. The lead film 115 is electrically connected through the interconnector 107.

本実施形態では、この円筒形状(又は管形状)のセルスタック101の内周側に燃料ガスF1が通り、外周側に酸化剤ガスO1が通る。   In the present embodiment, the fuel gas F1 passes through the inner peripheral side of the cylindrical (or tube-shaped) cell stack 101, and the oxidant gas O1 passes through the outer peripheral side.

基体管103は、例えば、CaO安定化ZrO(CSZ)、Y安定化ZrO(YSZ)、MgAl等のいずれかで形成されている多孔質体である。この基体管103は、燃料電池セル105とインターコネクタ107とリード膜115とを支持する役目を担っている。さらに、この基体管103は、内周側に供給された燃料ガスF1を基体管103の細孔を介して基体管103の外周面に形成される燃料電池セル105に拡散させる役目も担っている。 The base tube 103 is a porous body formed of, for example, any one of CaO stabilized ZrO 2 (CSZ), Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 (YSZ), MgAl 2 O 4, and the like. The base tube 103 plays a role of supporting the fuel cell 105, the interconnector 107, and the lead film 115. Further, the base tube 103 also has a function of diffusing the fuel gas F1 supplied to the inner peripheral side to the fuel cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103 through the pores of the base tube 103. .

燃料極112は、例えば、Ni/YSZ等、Niとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で形成されている。この場合、燃料極112は、燃料極112の成分であるNiが燃料ガスF1に対して触媒として作用する。この触媒としての作用は、基体管103を介して供給された燃料ガスF1中に、例えば、メタン(CH)と水蒸気とが含まれている場合、これら相互を反応させ、水素(H)と一酸化炭素(CO)に改質する作用である。 The fuel electrode 112 is made of, for example, an oxide of a composite material of Ni and zirconia-based electrolyte material such as Ni / YSZ. In this case, in the fuel electrode 112, Ni which is a component of the fuel electrode 112 acts as a catalyst for the fuel gas F1. For example, when the fuel gas F1 supplied through the base tube 103 contains methane (CH 4 ) and water vapor, the catalyst acts as a hydrogen (H 2 ). And carbon monoxide (CO).

空気極113は、例えば、LaSrMnO系酸化物、又はLaCoO系酸化物で形成されている。この空気極113は、固体電解質111との界面付近において、供給される酸化剤ガスO1中の酸素を解離させて酸素イオン(O2−)を生成する。 The air electrode 113 is made of, for example, a LaSrMnO 3 oxide or a LaCoO 3 oxide. The air electrode 113 generates oxygen ions (O 2− ) by dissociating oxygen in the supplied oxidant gas O 1 in the vicinity of the interface with the solid electrolyte 111.

固体電解質111は、例えば、主としてYSZで形成されている。このYSZは、ガスを通しにくい気密性と、高温下での高い酸素イオン導電性とを有している。この固体電解質111は、空気極113で生成された酸素イオン(O2−)を燃料極112に移動させる。 The solid electrolyte 111 is mainly made of YSZ, for example. This YSZ has gas tightness that prevents gas from passing through and high oxygen ion conductivity at high temperatures. The solid electrolyte 111 moves oxygen ions (O 2− ) generated at the air electrode 113 to the fuel electrode 112.

前述の燃料極112では、固体電解質111との界面付近において、改質により得られた水素(H)及び一酸化炭素(CO)と、固体電解質111から供給された酸素イオン(O2−)とが反応し、水(HO)及び二酸化炭素(CO)が生成される。この燃料電池セル105では、この反応過程で酸素イオンから電子が放出されて、発電が行われる。 In the fuel electrode 112 described above, in the vicinity of the interface with the solid electrolyte 111, hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) obtained by reforming, and oxygen ions (O 2− ) supplied from the solid electrolyte 111. React with each other to produce water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ). In the fuel cell 105, electrons are released from oxygen ions during this reaction process, and electric power is generated.

インターコネクタ107は、例えば、SrTiO系などのM1−xLxTiO(Mはアルカリ土類金属元素、Lはランタノイド元素)で表される導電性ペロブスカイト型酸化物で形成されている。このインターコネクタ107は、燃料ガスF1と酸化剤ガスO1とが混合しないように緻密な膜で、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した電気導電性を有する。このインターコネクタ107は、隣り合う燃料電池セル105において、一方の燃料電池セル105の空気極113と他方の燃料電池セル105の燃料極112とを電気的に接続する。つまり、このインターコネクタ107は、隣り合う燃料電池セル105同士を電気的に直列接続する。 The interconnector 107 is made of, for example, a conductive perovskite oxide represented by M1-xLxTiO 3 such as SrTiO 3 (M is an alkaline earth metal element and L is a lanthanoid element). The interconnector 107 is a dense film so that the fuel gas F1 and the oxidant gas O1 are not mixed, and has stable electrical conductivity in both an oxidizing atmosphere and a reducing atmosphere. The interconnector 107 electrically connects the air electrode 113 of one fuel cell 105 and the fuel electrode 112 of the other fuel cell 105 in adjacent fuel cells 105. That is, the interconnector 107 electrically connects adjacent fuel cells 105 in series.

リード膜115は、電子伝導性を有すること、及びセルスタック101を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、例えば、Ni/YSZ等のNiとジルコニア系電解質材料との複合材で形成されている。このリード膜115は、インターコネクタ107により電気的に直列接続されている複数の燃料電池セル105で発電された直流電力をセルスタック101の端部付近まで導出する役目を担っている。   Since the lead film 115 needs to have electronic conductivity and a thermal expansion coefficient close to that of other materials constituting the cell stack 101, for example, Ni such as Ni / YSZ and a zirconia-based electrolyte material And a composite material. The lead film 115 plays a role of leading the direct-current power generated by the plurality of fuel cells 105 electrically connected in series by the interconnector 107 to the vicinity of the end portion of the cell stack 101.

カートリッジ201は、図5及び図6に示すように、複数のセルスタック101と、複数のセルスタック101の束の一方の端部を覆う第一カートリッジヘッダ220aと、複数のセルスタック101の束の他方の端部を覆う第二カートリッジヘッダ220bと、を有している。複数のセルスタック101は、互いに平行で且つその長手方向における互いの位置が揃って、全体として円柱形状を成している。また、第一カートリッジヘッダ220a及び第二カートリッジヘッダ220bは、円柱形状を成している複数のセルスタック101の束の外径よりわずかに大きな外径の円筒形状を成している。このため、カートリッジ201は、全体として、セルスタック101の長手方向に長い円柱形状を成している。   As shown in FIGS. 5 and 6, the cartridge 201 includes a plurality of cell stacks 101, a first cartridge header 220 a that covers one end of a bundle of the plurality of cell stacks 101, and a bundle of the plurality of cell stacks 101. And a second cartridge header 220b covering the other end. The plurality of cell stacks 101 are parallel to each other and aligned in the longitudinal direction thereof, and form a cylindrical shape as a whole. The first cartridge header 220a and the second cartridge header 220b have a cylindrical shape having an outer diameter slightly larger than the outer diameter of the bundle of the plurality of cell stacks 101 having a columnar shape. Therefore, the cartridge 201 as a whole has a cylindrical shape that is long in the longitudinal direction of the cell stack 101.

第一カートリッジヘッダ220a及び第二カートリッジヘッダ220bは、いずれも、複数のセルスタック101の束の端部が開口228から内部に入り込む円筒形状のケーシング229a,229bと、ケーシング229a,229bの開口228を塞ぐ断熱体227a,227bと、ケーシング229a,229bの内部空間をセルスタック101の長手方向で2つの空間に仕切る管板225a,225bと、を有している。管板225a,225b等は、インコネル(ニッケル基合金に対するスペシャルメタルズ社の登録商標)等の高温耐久性のある金属材料で形成されている。管板225a,225b及び断熱体227a,227bには、複数のセルスタック101の端部のそれぞれが挿通可能な貫通孔が形成されている。管板225a,225bは、その貫通孔に挿通されたセルスタック101の端部をシール部材又は接着剤237を介して支持する。このため、この管板225a,225bには貫通孔が形成されているものの、この管板225a,225bを基準にしてケーシング229a,229b内の一方の空間に対する他方の空間の気密性が確保されている。断熱体227a,227bの貫通孔の内径は、ここに挿通されるセルスタック101の外径よりも大きく形成されている。つまり、断熱体227a,227bの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されたセルスタック101の外周面との間には隙間235a,235bが存在する。   Each of the first cartridge header 220a and the second cartridge header 220b includes cylindrical casings 229a and 229b in which end portions of a bundle of the plurality of cell stacks 101 enter the inside from the opening 228, and openings 228 of the casings 229a and 229b. The heat insulating bodies 227a and 227b to be closed and the tube plates 225a and 225b that partition the internal space of the casings 229a and 229b into two spaces in the longitudinal direction of the cell stack 101 are provided. The tube plates 225a, 225b and the like are formed of a metal material having high temperature durability such as Inconel (registered trademark of Special Metals Co., Ltd. for nickel-based alloys). The tube plates 225a and 225b and the heat insulators 227a and 227b are formed with through holes through which the end portions of the plurality of cell stacks 101 can be inserted. The tube plates 225a and 225b support the end portion of the cell stack 101 inserted through the through holes via a seal member or an adhesive 237. Therefore, though the tube plates 225a and 225b are formed with through holes, the air tightness of the other space with respect to one space in the casings 229a and 229b is ensured with reference to the tube plates 225a and 225b. Yes. The inner diameters of the through holes of the heat insulators 227a and 227b are formed larger than the outer diameter of the cell stack 101 inserted therethrough. That is, gaps 235a and 235b exist between the inner peripheral surfaces of the through holes of the heat insulators 227a and 227b and the outer peripheral surface of the cell stack 101 inserted through the through holes.

第一カートリッジヘッダ220aのケーシング229aと管板225aとで形成されている空間は、燃料ガスF1が供給される燃料ガス供給室217を形成している。このケーシング229aには、燃料配管310からの燃料ガスF1を燃料ガス供給室217に導くための燃料ガス供給孔231aが形成されている。この燃料ガス供給室217内には、複数のセルスタック101における基体管103の端部が位置し、ここで開放している。燃料配管310から燃料ガス供給室217に導かれた燃料ガスF1は、複数のセルスタック101の基体管103の内部に流れ込む。この際、燃料ガスF1は、燃料ガス供給室217により、複数のセルスタック101の各基体管103に対してほぼ均等流量に配分される。このため、複数のセルスタック101における各発電量の均一化を図ることができる。   A space formed by the casing 229a and the tube plate 225a of the first cartridge header 220a forms a fuel gas supply chamber 217 to which the fuel gas F1 is supplied. A fuel gas supply hole 231a for guiding the fuel gas F1 from the fuel pipe 310 to the fuel gas supply chamber 217 is formed in the casing 229a. In the fuel gas supply chamber 217, the ends of the base tube 103 in the plurality of cell stacks 101 are located and open here. The fuel gas F 1 guided from the fuel pipe 310 to the fuel gas supply chamber 217 flows into the base tube 103 of the plurality of cell stacks 101. At this time, the fuel gas F <b> 1 is distributed at a substantially uniform flow rate to the base tube 103 of the plurality of cell stacks 101 by the fuel gas supply chamber 217. For this reason, each power generation amount in the plurality of cell stacks 101 can be made uniform.

第二カートリッジヘッダ220bのケーシング229bと管板225bとで形成されている空間は、セルスタック101の基体管103内を通過した燃料ガスF1が流れ込む燃料ガス排出室219を形成している。このケーシング229bには、燃料ガス排出室219に流れ込んだ排燃料ガスF2を排燃料配管320に導くための燃料ガス排出孔231bが形成されている。この燃料ガス排出室219内には、複数のセルスタック101における基体管103の端部が位置し、ここで開放している。複数のセルスタック101の各基体管103内を通過した燃料ガスF1は、前述したように、燃料ガス排出室219に流入した後、排燃料配管320を通って、圧力容器10外へ排出される。   A space formed by the casing 229b and the tube plate 225b of the second cartridge header 220b forms a fuel gas discharge chamber 219 into which the fuel gas F1 that has passed through the base tube 103 of the cell stack 101 flows. The casing 229b has a fuel gas discharge hole 231b for guiding the exhaust fuel gas F2 flowing into the fuel gas discharge chamber 219 to the exhaust fuel pipe 320. In the fuel gas discharge chamber 219, the ends of the base tube 103 in the plurality of cell stacks 101 are located and open here. As described above, the fuel gas F1 that has passed through the base tube 103 of the plurality of cell stacks 101 flows into the fuel gas discharge chamber 219, and then is discharged out of the pressure vessel 10 through the exhaust fuel pipe 320. .

第二カートリッジヘッダ220bのケーシング229bと断熱体227bと管板225bとで形成されている空間は、酸化剤ガス供給室216を形成している。このケーシング229bには、酸化剤ガス配管330からの酸化剤ガスO1を酸化剤ガス供給室216に導くための酸化剤ガス供給孔233bが形成されている。この酸化剤ガス供給室216内に導かれた酸化剤ガスO1は、断熱体227bの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されているセルスタック101の外周面との間の隙間235bから、第一カートリッジヘッダ220aと第二カートリッジヘッダ220bとの間の発電室215へと流出する。   A space formed by the casing 229b, the heat insulator 227b, and the tube plate 225b of the second cartridge header 220b forms an oxidant gas supply chamber 216. An oxidant gas supply hole 233b for guiding the oxidant gas O1 from the oxidant gas pipe 330 to the oxidant gas supply chamber 216 is formed in the casing 229b. The oxidant gas O1 introduced into the oxidant gas supply chamber 216 is a gap 235b between the inner peripheral surface of the through hole of the heat insulator 227b and the outer peripheral surface of the cell stack 101 inserted through the through hole. From the first cartridge header 220a and the second cartridge header 220b.

第一カートリッジヘッダ220aと第二カートリッジヘッダ220bとの間の発電室215には、複数のセルスタック101の燃料電池セル105が配置されている。このため、この発電室215では、燃料ガスF1と酸化剤ガスO1とが電気化学的反応して、発電が行われる。なお、この発電室215で、セルスタック101の長手方向における中央部付近の温度は、燃料電池モジュール2の定常運転時に、およそ700℃〜1100℃の高温雰囲気になる。また、この発電室215は、第一カートリッジヘッダ220aと第二カートリッジヘッダ220bとの間であって、外周側が後述の内側断熱材16で囲まれた空間である。   In the power generation chamber 215 between the first cartridge header 220a and the second cartridge header 220b, the fuel cells 105 of the plurality of cell stacks 101 are arranged. For this reason, in this power generation chamber 215, the fuel gas F1 and the oxidant gas O1 react electrochemically to generate power. In this power generation chamber 215, the temperature near the center in the longitudinal direction of the cell stack 101 becomes a high temperature atmosphere of about 700 ° C. to 1100 ° C. during steady operation of the fuel cell module 2. Further, the power generation chamber 215 is a space between the first cartridge header 220a and the second cartridge header 220b and whose outer peripheral side is surrounded by an inner heat insulating material 16 described later.

第一カートリッジヘッダ220aのケーシング229aと断熱体227aと管板225aとで形成されている空間は、発電室215を通った排酸化剤ガスO2が流入する空気排出室218を形成している。このケーシング229aには、空気排出室218に流れ込んだ排酸化剤ガスO2を排酸化剤ガス配管340に導くための空気排出孔233aが形成されている。発電室215中の酸化剤ガスO1は、断熱体227aの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されているセルスタック101の外周面との間の隙間235aから空気排出室218内に流入した後、排酸化剤ガス配管340を通って、圧力容器10外へ排酸化剤ガスO2として排出される。   A space formed by the casing 229a, the heat insulator 227a, and the tube plate 225a of the first cartridge header 220a forms an air discharge chamber 218 into which the exhaust oxidant gas O2 that has passed through the power generation chamber 215 flows. The casing 229a has an air discharge hole 233a for guiding the exhaust oxidant gas O2 flowing into the air discharge chamber 218 to the exhaust oxidant gas pipe 340. The oxidant gas O1 in the power generation chamber 215 enters the air discharge chamber 218 from the gap 235a between the inner peripheral surface of the through hole of the heat insulator 227a and the outer peripheral surface of the cell stack 101 inserted through the through hole. After flowing in, the exhaust gas passes through the exhaust oxidant gas pipe 340 and is discharged out of the pressure vessel 10 as the exhaust oxidant gas O2.

発電室215の高温化に伴って、各カートリッジヘッダ220a,220bの管板225a,225bが高温化する。第一カートリッジヘッダ220a及び第二カートリッジヘッダ220bの断熱体227a,227bは、この管板225a,225bが高温化による強度低下や酸化剤ガスO1中に含まれている酸化剤による腐食を抑える。さらに、この断熱体227a,227bは、管板225a,225bの熱変形も抑える。   As the temperature of the power generation chamber 215 increases, the tube plates 225a and 225b of the cartridge headers 220a and 220b increase in temperature. The heat insulators 227a and 227b of the first cartridge header 220a and the second cartridge header 220b suppress the strength of the tube plates 225a and 225b from being reduced due to high temperature and corrosion due to the oxidizing agent contained in the oxidizing gas O1. Further, the heat insulators 227a and 227b suppress thermal deformation of the tube plates 225a and 225b.

前述したように、発電室215中の酸化剤ガスO1と、この発電室215に配置されている複数のセルスタック101の内側を通る燃料ガスF1とは、セルスタック101における複数の燃料電池セル105で電気化学反応する。この結果、複数の燃料電池セル205で発電が行われる。   As described above, the oxidant gas O1 in the power generation chamber 215 and the fuel gas F1 passing through the inside of the plurality of cell stacks 101 arranged in the power generation chamber 215 are the plurality of fuel cells 105 in the cell stack 101. Electrochemical reaction with As a result, power generation is performed by the plurality of fuel cells 205.

複数の燃料電池セル205での発電で得られた直流電流は、複数の燃料電池セル205相互間に設けられているインターコネクタ107を経て、セルスタック101の端部側へ流れ、このセルスタック101のリード膜115に流れ込む。そして、この直流電流は、リード膜115から、集電板(不図示)を介して、カートリッジ201の集電棒(不図示)に流れ、カートリッジ201外部へ取り出される。複数の集電棒は、互いに直列及び/又は並列接続されている。集電棒のうち、最も下流側の集電棒は、例えば、図示されていないインバータに接続されている。カートリッジ201外部に取り出された直流電流は、直列及び/又は並列接続されている複数の集電棒を経て、例えば、インバータに流れ、ここで交流電流に変換されて、電力負荷へと供給される。   The direct current obtained by the power generation in the plurality of fuel cells 205 flows to the end side of the cell stack 101 through the interconnector 107 provided between the plurality of fuel cells 205, and this cell stack 101 Into the lead film 115. Then, this direct current flows from the lead film 115 to the current collecting rod (not shown) of the cartridge 201 via the current collecting plate (not shown), and is taken out of the cartridge 201. The plurality of current collecting rods are connected in series and / or in parallel to each other. Of the current collecting rods, the most downstream current collecting rod is connected to, for example, an inverter not shown. The direct current taken out of the cartridge 201 flows through, for example, an inverter through a plurality of current collector rods connected in series and / or in parallel, where it is converted into an alternating current and supplied to an electric power load.

セルスタック101の内周側を流れる燃料ガスF1とセルスタック101の外周側を流れる酸化剤ガスO1とは、このセルスタック101を介して熱交換する。この結果、燃料ガスF1は、酸化剤ガスO1により加熱され、酸化剤ガスO1は、逆に燃料ガスF1により冷却される。本実施形態では、これら燃料ガスF1と酸化剤ガスO1とがセルスタック101の内周側と外周側とを対向して流れる。このため、燃料ガスF1と酸化剤ガスO1との熱交換率が高まり、燃料ガスF1による酸化剤ガスO1の冷却効率、及び酸化剤ガスO1による燃料ガスF1の加熱効率が高まる。よって、本実施形態において、酸化剤ガスO1は、第一カートリッジヘッダ220aを形成する管板225a等が座屈変形等しない温度に冷却されてから、この第一カートリッジヘッダ220aの酸化剤ガス排出室218に流れ込む。また、本実施形態において、燃料ガスF1は、発電室215内のセルスタック101内で、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温される。   The fuel gas F <b> 1 flowing on the inner peripheral side of the cell stack 101 and the oxidant gas O <b> 1 flowing on the outer peripheral side of the cell stack 101 exchange heat through the cell stack 101. As a result, the fuel gas F1 is heated by the oxidant gas O1, and the oxidant gas O1 is cooled by the fuel gas F1. In the present embodiment, the fuel gas F1 and the oxidant gas O1 flow oppositely on the inner peripheral side and the outer peripheral side of the cell stack 101. For this reason, the heat exchange rate between the fuel gas F1 and the oxidant gas O1 is increased, and the cooling efficiency of the oxidant gas O1 by the fuel gas F1 and the heating efficiency of the fuel gas F1 by the oxidant gas O1 are increased. Therefore, in this embodiment, the oxidant gas O1 is cooled to a temperature at which the tube plate 225a and the like forming the first cartridge header 220a are not buckled and deformed, and then the oxidant gas discharge chamber of the first cartridge header 220a. 218 flows into. In the present embodiment, the fuel gas F1 is preheated to a temperature suitable for power generation in the cell stack 101 in the power generation chamber 215 without using a heater or the like.

なお、本実施形態では、燃料ガスF1と酸化剤ガスO1とがセルスタック101の内周側と外周側とを対向して流れる、つまり燃料ガスF1と酸化剤ガスO1とが逆向きに流れるが、必ずしもこの必要はなく、例えば、燃料ガスF1と酸化剤ガスO1とがセルスタック101の内周側と外周側で同じ向きに流れてもよいし、酸化剤ガスO1が燃料ガスF1の流れに対して直交する方向に流れてもよい。   In the present embodiment, the fuel gas F1 and the oxidant gas O1 flow oppositely on the inner peripheral side and the outer peripheral side of the cell stack 101, that is, the fuel gas F1 and the oxidant gas O1 flow in opposite directions. However, this is not always necessary. For example, the fuel gas F1 and the oxidant gas O1 may flow in the same direction on the inner peripheral side and the outer peripheral side of the cell stack 101, or the oxidant gas O1 may flow into the fuel gas F1. It may flow in a direction perpendicular to the direction.

円柱形状の複数のカートリッジ201は、図3に示すように、いずれも、カートリッジ中心軸Acが圧力容器10の容器中心軸Avと平行になるよう、圧力容器10内に配置されている。つまり、本実施形態では、カートリッジ中心軸Acは、容器中心軸Avと同様、上下方向に延びている。   As shown in FIG. 3, the plurality of cylindrical cartridges 201 are all arranged in the pressure vessel 10 such that the cartridge central axis Ac is parallel to the vessel central axis Av of the pressure vessel 10. That is, in the present embodiment, the cartridge center axis Ac extends in the vertical direction, like the container center axis Av.

なお、カートリッジ201の構成は上記したものに限らず、カートリッジを圧力容器の中心軸と直交する方向に延びるように配置してもよい。また、カートリッジは円柱形状に限らず、角柱形状としてもよい。   The configuration of the cartridge 201 is not limited to that described above, and the cartridge may be arranged so as to extend in a direction orthogonal to the central axis of the pressure vessel. Further, the cartridge is not limited to a cylindrical shape, and may be a prismatic shape.

次に、上記の構成からなるコンバインド発電システム1の動作について説明する。
コンバインド発電システム1が定常運転されている場合には、ガスタービン3の運転により、空気圧縮機4は空気供給部より酸化剤ガスO1を吸入して圧縮する。圧縮された酸化剤ガスO1は空気圧縮機4から酸化剤ガス配管330を介して燃料電池モジュール2のカートリッジ201に流入する。
Next, the operation of the combined power generation system 1 having the above configuration will be described.
When the combined power generation system 1 is in steady operation, the air compressor 4 sucks and compresses the oxidant gas O1 from the air supply unit by the operation of the gas turbine 3. The compressed oxidant gas O <b> 1 flows from the air compressor 4 into the cartridge 201 of the fuel cell module 2 through the oxidant gas pipe 330.

一方、燃料供給源20より供給された燃料ガスF1は、燃料配管310を介して燃料電池モジュール2のカートリッジ201に供給される。カートリッジ201は、酸化剤ガスO1、及び燃料ガスF1を用いて発電を行う。発電に使用された排酸化剤ガスO2は、カートリッジ201から排酸化剤ガス配管340を介して燃焼器5に導入される。   On the other hand, the fuel gas F <b> 1 supplied from the fuel supply source 20 is supplied to the cartridge 201 of the fuel cell module 2 via the fuel pipe 310. The cartridge 201 generates power using the oxidant gas O1 and the fuel gas F1. The exhaust oxidant gas O2 used for power generation is introduced from the cartridge 201 into the combustor 5 through the exhaust oxidant gas pipe 340.

一方、排燃料ガスF2は、排燃料配管320を介して燃焼器5に導入される。排燃料ガスF2の一部は、燃料再循環ブロア15が駆動していることによって、燃料再循環配管325を介して燃料配管310に流入する。   On the other hand, the exhaust fuel gas F <b> 2 is introduced into the combustor 5 through the exhaust fuel pipe 320. A part of the exhaust fuel gas F2 flows into the fuel pipe 310 via the fuel recirculation pipe 325 when the fuel recirculation blower 15 is driven.

燃焼器5では、排燃料ガスF2が燃焼され、高温高圧の排気ガスが生成される。高温高圧の排気ガスは、燃焼器5からタービン6に導入され、タービン6を回転駆動させる。タービン6は、導入された高温燃焼ガスによって回転駆動力を発生させ、ロータの一端に設けられたタービン6の駆動力がロータの他端に設けられた圧縮機4を回転駆動させる。回転駆動力は発電機8にも伝達され、発電が行われる。
このように、コンバインド発電システム1では、燃料電池モジュール2とガスタービン3とで発電が行われる。
In the combustor 5, the exhaust fuel gas F <b> 2 is burned, and high-temperature and high-pressure exhaust gas is generated. The high-temperature and high-pressure exhaust gas is introduced from the combustor 5 to the turbine 6 to rotate the turbine 6. The turbine 6 generates a rotational driving force by the introduced high-temperature combustion gas, and the driving force of the turbine 6 provided at one end of the rotor rotates the compressor 4 provided at the other end of the rotor. The rotational driving force is also transmitted to the generator 8 to generate power.
As described above, in the combined power generation system 1, power generation is performed by the fuel cell module 2 and the gas turbine 3.

次に、電力負荷系統との電気的接続が断たれるなどして燃料電池モジュール2が停止した場合の動作について説明する。電力負荷系統との電気的接続が断たれると、運転を継続することができないので、コンバイン発電システム1を停止する動作に移行する。まず、図示しない開閉弁を閉じることで、燃料電池システム7とガスタービン3との連携を解除する。
それと同時に、燃料電池モジュール2からの電力の取り出しを停止することで、即ちセルスタック101での水素と酸素との電気化学反応を停止させる。この状態において燃料電池システム7のカートリッジ201の温度は発電温度であることから、700℃以上を保持している。また、燃料電池モジュールの停止前に燃料配管310を流れていた燃料ガスF1と再循環された排燃料ガスF2の混合ガス中には、セルスタック101における電気化学反応で生成される水蒸気を多量に含んでいる 。しかし、電気化学反応が停止することで、水蒸気が発生しなくなる。よって、燃料電池モジュール2が停止した後において、燃料極における改質反応を継続すると、燃料配管310の水蒸気(水分)量が少なくなり、炭化水素を含む燃料ガスF1がセルスタック101に供給されても水素が生成されないばかりか、炭素が析出する可能性がある。なお、水蒸気の供給量としては燃料配管310における水蒸気と炭素の比(S/C)がS/C>3であることが望ましい。
Next, an operation when the fuel cell module 2 stops due to disconnection of electrical connection with the power load system will be described. Since the operation cannot be continued if the electrical connection with the power load system is cut off, the operation shifts to the operation of stopping the combine power generation system 1. First, the cooperation between the fuel cell system 7 and the gas turbine 3 is canceled by closing an on-off valve (not shown).
At the same time, the extraction of electric power from the fuel cell module 2 is stopped, that is, the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the cell stack 101 is stopped. In this state, since the temperature of the cartridge 201 of the fuel cell system 7 is the power generation temperature, it is kept at 700 ° C. or higher. Further, a large amount of water vapor generated by the electrochemical reaction in the cell stack 101 is contained in the mixed gas of the fuel gas F1 flowing through the fuel pipe 310 and the recirculated exhaust fuel gas F2 before the fuel cell module is stopped. Contains. However, when the electrochemical reaction stops, water vapor is not generated. Therefore, if the reforming reaction at the fuel electrode is continued after the fuel cell module 2 is stopped, the amount of water vapor (moisture) in the fuel pipe 310 decreases, and the fuel gas F1 containing hydrocarbons is supplied to the cell stack 101. However, not only hydrogen is generated but also carbon may be deposited. As for the supply amount of water vapor, it is desirable that the ratio of water vapor to carbon (S / C) in the fuel pipe 310 is S / C> 3.

本実施形態の燃料電池システム7は、セルスタック101による発電が停止した場合、水蒸気供給装置30を作動させる。即ち、水蒸気供給装置30の水供給源32から第一配管33を介して気化器31に水が供給される。気化器31に供給された水は、圧力容器内部の顕熱を気化器31が回収することによって水蒸気となる。即ち、図7に示すように、停止時直後から徐々に低下するが、発電室の温度の熱を利用して、で気化器31内の水を加熱し、水蒸気を発生させる。   The fuel cell system 7 of the present embodiment operates the water vapor supply device 30 when the power generation by the cell stack 101 is stopped. That is, water is supplied from the water supply source 32 of the water vapor supply device 30 to the vaporizer 31 via the first pipe 33. The water supplied to the vaporizer 31 becomes water vapor when the vaporizer 31 recovers sensible heat inside the pressure vessel. That is, as shown in FIG. 7, the temperature gradually decreases immediately after stopping, but the water in the vaporizer 31 is heated by using the heat of the temperature of the power generation chamber to generate water vapor.

また、コンバインド発電システム1が停止すると、窒素発生源81から燃料配管310に窒素が導入される。
気化器31で発生した水蒸気は、第二配管34を介して燃料配管310に流入し、窒素とともに、カートリッジ201のセルスタック101内に流入する。上述したように、セルスタック101の燃料極112は、燃料極112の成分であるNiが燃料ガスF1に対して触媒として作用する。よって、水蒸気は、燃料ガスF1中に含まれるメタン(炭化水素、CH)と反応し、水素(H)と一酸化炭素(CO)に改質する。
改質によって発生した水素は、窒素とともにセルスタック101内に流入し、セルスタック101内を還元性雰囲気に保持する。
When the combined power generation system 1 is stopped, nitrogen is introduced from the nitrogen generation source 81 into the fuel pipe 310.
The water vapor generated in the vaporizer 31 flows into the fuel pipe 310 through the second pipe 34 and flows into the cell stack 101 of the cartridge 201 together with nitrogen. As described above, in the fuel electrode 112 of the cell stack 101, Ni that is a component of the fuel electrode 112 acts as a catalyst for the fuel gas F1. Therefore, the water vapor reacts with methane (hydrocarbon, CH 4 ) contained in the fuel gas F1, and reforms into hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO).
Hydrogen generated by the reforming flows into the cell stack 101 together with nitrogen, and keeps the inside of the cell stack 101 in a reducing atmosphere.

上記実施形態によれば、トリップ発生時などのコンバインド発電システム1の停止時において、水蒸気供給装置30よりセルスタック101に水蒸気が供給され、セルスタック101の燃料極112の触媒によってこの水蒸気から水素が生成される。これにより、水素ボンベなどの水素を保有するための設備が不用となり、発電室の熱を利用して設備コストを抑える水蒸気の供給手段を提供することができる。   According to the above embodiment, when the combined power generation system 1 is stopped, such as when a trip occurs, water vapor is supplied from the water vapor supply device 30 to the cell stack 101, and hydrogen is generated from this water vapor by the catalyst of the fuel electrode 112 of the cell stack 101. Generated. Thereby, the facilities for holding hydrogen, such as a hydrogen cylinder, are not required, and it is possible to provide a steam supply means that uses the heat of the power generation chamber to reduce the facility cost.

また、停止時においてセルスタック101に供給される水蒸気は、セルスタック101が発する熱で水を加熱することによって発生させるため、コンバインド発電システム1の停電時においても水蒸気を発生させることが可能となる。また、セルスタック101の熱を利用するのでセルスタック101の冷却にも寄与することができる。   Moreover, since water vapor | steam supplied to the cell stack 101 at the time of a stop is generated by heating water with the heat | fever which the cell stack 101 emits, it becomes possible to generate water vapor | steam also at the time of the power failure of the combined power generation system 1. . Further, since the heat of the cell stack 101 is used, it is possible to contribute to cooling of the cell stack 101.

さらに、気化器31が圧力容器10の内部であって、セルスタック101の周囲に配置されることによって、セルスタック101が発する熱が気化器31により伝わり、水蒸気の発生効率を向上させることができる。   Furthermore, by disposing the vaporizer 31 inside the pressure vessel 10 and around the cell stack 101, the heat generated by the cell stack 101 is transmitted by the vaporizer 31, and the generation efficiency of water vapor can be improved. .

なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態においては、燃料電池モジュール2を含む燃料電池システム7と、ガスタービン3とを有するコンバインドサイクル発電システム1を用いて、本発明の燃料電池システム7を説明したが、これに限ることはない。本発明の燃料電池システムは、単体の燃料電池モジュールを有する燃料電池システムや、マイクロガスタービン複合発電システムにも応用可能である。
The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
For example, in the above embodiment, the fuel cell system 7 of the present invention has been described using the combined cycle power generation system 1 having the fuel cell system 7 including the fuel cell module 2 and the gas turbine 3, but the present invention is not limited thereto. There is nothing. The fuel cell system of the present invention can be applied to a fuel cell system having a single fuel cell module and a micro gas turbine combined power generation system.

1 コンバインド発電システム
2 燃料電池モジュール(燃料電池)
7 燃料電池システム
10 圧力容器
30 水蒸気供給装置(水蒸気供給手段)
31 気化器
32 水供給源
33 第一配管(配管)
101 セルスタック
112 燃料極(触媒)
F1 燃料ガス
F2 排燃料ガス
O1 酸化剤ガス
O2 排酸化剤ガス
1 Combined power generation system 2 Fuel cell module (fuel cell)
7 Fuel Cell System 10 Pressure Vessel 30 Water Vapor Supply Device (Water Vapor Supply Means)
31 Vaporizer 32 Water supply source 33 First piping (piping)
101 Cell stack 112 Fuel electrode (catalyst)
F1 fuel gas F2 exhaust fuel gas O1 oxidant gas O2 exhaust oxidant gas

Claims (4)

酸素を含む酸化剤ガスと水素との反応で発電するセルを有し、炭化水素と水蒸気とから水素を生成する改質能を有する触媒を含むセルスタックと、
前記セルスタックにおける発電の停止時に、前記セルスタックに水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、
前記セルスタックが発生する熱で水を加熱し、水蒸気を発生させる気化器と、を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
A cell stack including a cell that generates electricity by a reaction between an oxidant gas containing oxygen and hydrogen, and a catalyst having a reforming ability to generate hydrogen from hydrocarbon and steam;
Water vapor supply means for supplying water vapor to the cell stack when power generation is stopped in the cell stack;
A fuel cell system comprising: a vaporizer that heats water with heat generated by the cell stack to generate water vapor.
前記燃料電池システムは、前記セルスタックが収容される圧力容器を備え、
前記水蒸気供給手段は、前記圧力容器の内部に設けられた前記気化器と、前記圧力容器の外部に設けられた水供給源と前記気化器とを接続する配管と、を有することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
The fuel cell system includes a pressure vessel in which the cell stack is accommodated,
The water vapor supply means includes the vaporizer provided inside the pressure vessel, and a pipe connecting the water supply source provided outside the pressure vessel and the vaporizer. The fuel cell system according to claim 1.
前記水蒸気供給手段は、前記配管に設けられ、前記停止時に開状態となる弁を有することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。   3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the water vapor supply unit includes a valve that is provided in the pipe and is opened when the vehicle is stopped. 前記配管に接続され、内部に気体が圧縮状態で封入されて、前記水供給源から供給される水を加圧する蓄圧器を備えていることを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の燃料電池システム。   4. The pressure accumulator according to claim 2, further comprising a pressure accumulator connected to the pipe and filled with gas in a compressed state to pressurize water supplied from the water supply source. 5. Fuel cell system.
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