JP2016062796A - Solid oxide type fuel cell system - Google Patents
Solid oxide type fuel cell system Download PDFInfo
- Publication number
- JP2016062796A JP2016062796A JP2014190951A JP2014190951A JP2016062796A JP 2016062796 A JP2016062796 A JP 2016062796A JP 2014190951 A JP2014190951 A JP 2014190951A JP 2014190951 A JP2014190951 A JP 2014190951A JP 2016062796 A JP2016062796 A JP 2016062796A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- vaporizer
- exhaust gas
- fuel cell
- flow path
- water
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
Abstract
Description
本発明は、炭化水素系燃料ガスを改質して生成された燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物形燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell system that generates power by oxidizing and reducing a fuel gas and an oxidant produced by reforming a hydrocarbon fuel gas.
従来から、酸素イオンを伝導する膜として固体電解質を用いた燃料電池セルを備え、その片側に燃料ガスを酸化するための燃料極が設けられ、その他側に酸化材(例えば、空気中の酸素)を還元するための酸化極が設けられた固体酸化物形燃料電池システムが知られている。この固体酸化物形燃料電池システムでは、一般的に、固体電解質としてイットリアをドープしたジルコニアが用いられ、700〜1000℃の高温で、燃料ガスを改質した改質燃料ガス中の水素、一酸化炭素、炭化水素と酸化材としての酸素とを電気化学反応させて発電が行われる。このような固体酸化物形燃料電池システムは、他の燃料電池システムやガスエンジンなどに比べて、特に高発電効率での発電が可能なことから、有望な発電技術として開発が行われている。 Conventionally, a fuel cell using a solid electrolyte as a membrane for conducting oxygen ions has been provided, a fuel electrode for oxidizing fuel gas is provided on one side, and an oxidizing material (for example, oxygen in the air) is provided on the other side. There is known a solid oxide fuel cell system provided with an oxidation electrode for reducing the oxygen. In this solid oxide fuel cell system, zirconia doped with yttria is generally used as the solid electrolyte, and hydrogen and monoxide in the reformed fuel gas obtained by reforming the fuel gas at a high temperature of 700 to 1000 ° C. Electricity is generated by electrochemical reaction of carbon, hydrocarbons and oxygen as an oxidizing material. Such a solid oxide fuel cell system has been developed as a promising power generation technology because it can generate power with particularly high power generation efficiency as compared with other fuel cell systems and gas engines.
このような固体酸化物形燃料電池システムおいては、複数の燃料電池セルを積層したセルスタックが用いられ、このセルスタックの作動温度が高いために、セルスタックの発電に寄与しない改質燃料ガス(所謂、余剰燃料ガス)を燃焼させて得られる燃焼熱を、改質水を気化して水蒸気を得るための気化器や、燃料ガスを水蒸気改質するための改質器に直接与えるように構成することができる(例えば、特許文献1参照)。 In such a solid oxide fuel cell system, a cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked is used, and the reformed fuel gas that does not contribute to power generation of the cell stack because the operating temperature of the cell stack is high. Combustion heat obtained by burning (so-called surplus fuel gas) is directly applied to a vaporizer for vaporizing reformed water to obtain water vapor or a reformer for steam reforming the fuel gas. (For example, refer patent document 1).
この固体酸化物形燃料電池システムでは、セルスタックの上方に燃焼域が配設され、セルスタックの燃焼極側から発電に寄与しない改質燃料ガス(余剰燃料ガス)が燃焼域に排出され、その酸素極側から排出される酸化材により燃焼域にて燃焼される。気化器及び改質器は、セルスタックとともに燃料電池ハウジング内に収容され、この燃料電池ハウジング内の燃焼域付近、例えばセルスタックの上方に配設される。気化器での水蒸気発生、また改質器での水蒸気改質は吸熱反応であることから、この燃焼域にて生成される燃焼熱が、これらの水蒸気発生、水蒸気改質に利用され、このように燃焼熱を利用することにより、高温の作動温度を保ちながらセルスタックでの発電反応を維持することができる。 In this solid oxide fuel cell system, a combustion zone is arranged above the cell stack, and reformed fuel gas (excess fuel gas) that does not contribute to power generation is discharged from the combustion pole side of the cell stack to the combustion zone. It is burned in the combustion zone by the oxidant discharged from the oxygen electrode side. The vaporizer and the reformer are accommodated in the fuel cell housing together with the cell stack, and are disposed near the combustion zone in the fuel cell housing, for example, above the cell stack. Since steam generation in the vaporizer and steam reforming in the reformer are endothermic reactions, the combustion heat generated in this combustion zone is used for these steam generation and steam reforming. By using the combustion heat, it is possible to maintain the power generation reaction in the cell stack while maintaining a high operating temperature.
このような燃料電池システムでは、燃料利用率を考慮して、燃料ガスの供給制御などが行われる。燃料利用率とは、燃料ガスの流量に比例するところの燃料ガスの価電子の供給速度に対してどれだけの発電電流を取り出すかの割合であり、この燃料利用率が高くなるほど発電に寄与しない余剰燃料ガスが少なくなって発電効率が高くなり、また燃料利用率が低くなるほど発電に寄与しない余剰燃料ガスが多くなって発電効率が低下する。ところが、燃料利用率が高くなり過ぎると、燃焼域での余剰燃料ガスの燃焼による燃焼熱が少なくなり、燃料電池ハウジング内を高温に維持するための熱量が不足して逆に温度低下を招き、セルスタックの発電性能が低下するために、この燃料利用率はある値よりも大きくすることが難しい。 In such a fuel cell system, fuel gas supply control and the like are performed in consideration of the fuel utilization rate. The fuel utilization rate is a ratio of how much generated current is taken out with respect to the supply rate of the valence electrons of the fuel gas, which is proportional to the flow rate of the fuel gas, and does not contribute to power generation as the fuel utilization rate increases. As the surplus fuel gas decreases, the power generation efficiency increases, and as the fuel utilization rate decreases, the surplus fuel gas that does not contribute to power generation increases and the power generation efficiency decreases. However, if the fuel utilization rate becomes too high, the heat of combustion due to the combustion of surplus fuel gas in the combustion zone is reduced, and the amount of heat for maintaining the inside of the fuel cell housing at a high temperature is insufficient, and conversely, the temperature decreases. Since the power generation performance of the cell stack is reduced, it is difficult to increase the fuel utilization rate beyond a certain value.
そこで、この燃料利用率を高くしても高い作動温度を保ち、高い発電効率を維持することができる固体酸化物形燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献2参照)。この固体酸化物形燃料電池システムでは、改質水を気化させるための第1及び第2気化器が設けられ、改質水は第1及び第2気化器に選択的に供給される。そして、第1又は第2気化器にて気化された水蒸気が、水蒸気改質を行う改質器に送給される。第1気化器は、燃料電池ハウジング内に配設され、燃焼域での余剰燃料ガスの燃焼により生成される燃焼熱により加熱され、また第2気化器は、燃料電池ハウジング外に配設され、燃焼域から燃料電池ハウジング外に排出された燃焼排気ガスにより加熱される。 Therefore, a solid oxide fuel cell system has been proposed that can maintain a high operating temperature and maintain high power generation efficiency even when the fuel utilization rate is increased (see, for example, Patent Document 2). In this solid oxide fuel cell system, first and second vaporizers for vaporizing reformed water are provided, and the reformed water is selectively supplied to the first and second vaporizers. Then, the steam vaporized in the first or second vaporizer is supplied to a reformer that performs steam reforming. The first carburetor is disposed in the fuel cell housing and is heated by combustion heat generated by combustion of surplus fuel gas in the combustion zone, and the second carburetor is disposed outside the fuel cell housing, It is heated by the combustion exhaust gas discharged out of the fuel cell housing from the combustion zone.
この固体酸化物形燃料電池システムにおいては、起動時などでは改質水は第1気化器に供給され、燃焼域での燃焼熱を利用して第1気化器にて改質水の気化が行われるが、通常の稼働状態では改質水は第2気化器に供給され、燃焼域から燃料電池ハウジング外に排出された燃焼排気ガスの熱を利用して第2気化器にて改質水の気化が行われる。この通常稼働状態では、燃料電池ハウジング内の燃焼域での燃焼熱を利用しないことから、第2気化器での気化熱の熱量分だけ余剰燃料ガスの消費を減らすことができ、その結果、高い燃料利用率を保ちながら燃料電池ハウジング内を高い温度状態に維持して発電運転を継続して行うことができる。 In this solid oxide fuel cell system, the reforming water is supplied to the first vaporizer at the time of startup or the like, and the reforming water is vaporized by the first vaporizer using the combustion heat in the combustion zone. However, under normal operating conditions, the reforming water is supplied to the second vaporizer, and the heat of the combustion exhaust gas discharged from the combustion zone to the outside of the fuel cell housing is used to reform the water at the second vaporizer. Vaporization takes place. In this normal operation state, since the combustion heat in the combustion zone in the fuel cell housing is not used, the consumption of surplus fuel gas can be reduced by the amount of heat of vaporization in the second vaporizer, resulting in high While maintaining the fuel utilization rate, the fuel cell housing can be maintained at a high temperature to continue the power generation operation.
しかしながら、このような固体酸化物形燃料電池システムでは、次のような解決すべき課題がある。第1に、燃料電池ハウジング外に設けられる第2気化器では、燃料電池ハウジング内に設けられる第1気化器に比して、改質水に熱を与える高温流体(即ち、燃焼排気ガス)の温度が低く、このように温度が低いと、改質水との熱交換に必要な伝熱面積を大きくする必要がある。このように伝熱面積を大きくすると、第2気化器内で滞留する改質水の量が第1気化器に比して多くなり、このような改質水の滞留は、突沸現象(滞留した改質水が気化して一気に流れる現象)の原因となり、この突沸現象が生じると、S/C(スチーム/カーボン比)が急峻に変動し、セルスタックが破損に至る原因の一つとなる。 However, such a solid oxide fuel cell system has the following problems to be solved. First, in the second carburetor provided outside the fuel cell housing, compared with the first carburetor provided in the fuel cell housing, a high-temperature fluid (that is, combustion exhaust gas) that gives heat to the reforming water is used. If the temperature is low and thus the temperature is low, it is necessary to increase the heat transfer area required for heat exchange with the reforming water. When the heat transfer area is increased in this way, the amount of reforming water staying in the second vaporizer becomes larger than that in the first vaporizer, and the staying of such reforming water is caused by a bumping phenomenon (residence). If this bumping phenomenon occurs, the S / C (steam / carbon ratio) fluctuates abruptly and becomes one of the causes of the cell stack being damaged.
第2に、セルスタックの発電出力の変化に伴い、燃料電池ハウジング内の燃焼域に排出される余剰燃料ガスの量(即ち、燃焼排気ガスの保有熱量)も変動し、この変動に伴い、気化器内の改質水の滞留量も経時的変動を繰り返すようになる。このような滞留水の変動は、改質水を第1気化器に供給するときの稼働状態よりも改質水を第2気化器に供給するときの稼働状態の方がより大きくなり、この変動は、稼働運転の目標となるS/C(スチーム/カーボン比)の目標値に対する揺らぎとなって現れる。この滞留水の時間的変動が緩やかなときは問題は生じないが、この時間的変動が急峻になると、セルスタックが破損に至る原因の一つとなる。例えば、S/Cが小さい側に振れたときには、水蒸気が少なくなって炭素が析出するおそれが生じ、またS/Cが大きい側に振れたときには、燃料ガスが少なくなって燃料不足となるおそれがある。このような滞留水の経時的変動は、改質水の滞留が生じ易い第2気化器の方が第1気化器に比してより大きくなり易く、セルスタックが破損に至るリスクもより大きくなる。 Second, as the power output of the cell stack changes, the amount of surplus fuel gas discharged to the combustion zone in the fuel cell housing (that is, the amount of heat stored in the combustion exhaust gas) also fluctuates. The amount of reforming water staying in the vessel also changes over time. Such fluctuation of the accumulated water is larger in the operating state when the reforming water is supplied to the second vaporizer than in the operating state when the reforming water is supplied to the first vaporizer. Appears as a fluctuation with respect to the target value of S / C (steam / carbon ratio), which is the target of operation operation. When the temporal fluctuation of the staying water is moderate, no problem occurs. However, when the temporal fluctuation becomes steep, it becomes one of the causes of the cell stack being damaged. For example, when the S / C swings to the small side, the water vapor may decrease and carbon may be deposited, and when the S / C swings to the large side, the fuel gas may decrease and fuel shortage may occur. is there. Such time-dependent fluctuation of the staying water is more likely to occur in the second vaporizer where the reforming water is likely to stay than the first vaporizer, and the risk that the cell stack is damaged is also greater. .
第3に、第1及び第2気化器に選択的に改質水を供給する構成であるために、改質水を供給するための改質水供給系が2系統必要となり、また改質水供給系統を切り換えるための切換弁も必要となり、その構造及び切換制御が複雑になるとともに、その製造コストも高くなる。また、改質水供給系統を切換制御することに関連して、その切換前後においてS/Cの不連続的変化が発生し易くなる。 Third, since the reforming water is selectively supplied to the first and second vaporizers, two reforming water supply systems for supplying the reforming water are required, and the reforming water is also provided. A switching valve for switching the supply system is also required, and its structure and switching control become complicated, and its manufacturing cost also increases. Further, in connection with the switching control of the reforming water supply system, a discontinuous change in S / C is likely to occur before and after the switching.
本発明の目的は、高い燃料利用率を維持しながら高い発電効率で運転することができ、加えて改質水の滞留を抑えて安定して発電運転することができる固体酸化物形燃料電池システムを提供することである。 An object of the present invention is a solid oxide fuel cell system that can be operated with high power generation efficiency while maintaining a high fuel utilization rate, and that can be stably operated for power generation by suppressing retention of reforming water. Is to provide.
本発明の請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池システムは、炭化水素系燃料ガスと改質水による水蒸気とを改質反応させるための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行う燃料電池セルを備えたセルスタックと、前記セルスタックにおいて発電に寄与しない余剰燃料ガスを燃焼させるための燃焼域と、前記セルスタックに送給される酸化材を前記燃焼域を通して排出される燃焼排気ガスとの間で熱交換を行うための酸化材予熱器と、前記改質器、前記セルスタック及び前記酸化材予熱器を収容するための燃料電池ハウジングと、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
改質水を気化させて水蒸気を生成するための第1及び第2気化器が設けられ、前記第1気化器は、前記燃料電池ハウジング内に収容され、前記燃焼域における余剰燃料ガスの燃焼により加熱され、前記第2気化器は、前記燃料電池ハウジング外に配設され、前記燃焼域から前記酸化材予熱器を通して排出される燃焼排気ガスにより加熱され、改質水は、前記第2気化器から改質水送給流路を通して前記第1気化器に送給され、
また、前記第2気化器は、前記第1気化器よりも上方に配設され、前記改質水送給流路は、前記第2気化器から前記第1気化器まで鉛直乃至下り勾配で延びていることを特徴とする。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a solid oxide fuel cell system comprising a reformer for reforming a hydrocarbon-based fuel gas and water vapor from reformed water, and reforming by the reformer. A cell stack including fuel cells that generate power by oxidizing and reducing the reformed fuel gas and the oxidant, a combustion zone for burning surplus fuel gas that does not contribute to power generation in the cell stack, and the cell stack An oxidizing material preheater for exchanging heat between the oxidizing material fed to the combustion exhaust gas discharged through the combustion zone, the reformer, the cell stack, and the oxidizing material preheater are accommodated A fuel cell housing comprising: a solid oxide fuel cell system comprising:
First and second vaporizers are provided for vaporizing the reformed water to generate water vapor. The first vaporizer is accommodated in the fuel cell housing and is burned by surplus fuel gas in the combustion zone. The second carburetor is disposed outside the fuel cell housing and heated by combustion exhaust gas discharged from the combustion zone through the oxidant preheater, and the reformed water is heated by the second carburetor. To the first vaporizer through the reforming water supply flow path,
The second vaporizer is disposed above the first vaporizer, and the reforming water supply passage extends from the second vaporizer to the first vaporizer with a vertical or downward gradient. It is characterized by.
また、本発明の請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記第2気化器は、改質水が流れる改質水流路及び燃焼排気ガスが流れる排気ガス流路を規定する気化器本体を備え、前記気化器本体の上端部に改質水流入部が設けられ、その下端部に改質水流出部が設けられ、前記改質水流出部が前記改質水送給流路に連通され、前記改質水流路は、前記改質水流入部から前記改質水流出部まで鉛直乃至下り勾配で延びていることを特徴とする。 Further, in the solid oxide fuel cell system according to claim 2 of the present invention, the second carburetor defines a reforming water passage through which reforming water flows and an exhaust gas passage through which combustion exhaust gas flows. A reformer water inflow portion is provided at the upper end portion of the vaporizer body, a reforming water outflow portion is provided at the lower end portion thereof, and the reforming water outflow portion is the reforming water supply flow path. The reforming water flow path extends from the reforming water inflow portion to the reforming water outflow portion with a vertical or downward gradient.
また、本発明の請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記酸化材予熱器と前記第2気化器の記排気ガス流路とは排気ガス送給流路を介して接続され、前記排気ガス送給流路及び/又は前記第2気化器の前記排気ガス流路に燃焼触媒が配設されていることを特徴とする。 In the solid oxide fuel cell system according to claim 3 of the present invention, the oxidizing material preheater and the exhaust gas passage of the second vaporizer are connected via an exhaust gas supply passage. A combustion catalyst is disposed in the exhaust gas supply channel and / or the exhaust gas channel of the second carburetor.
また、本発明の請求項4に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記第2気化器、前記改質水送給流路及び前記燃焼触媒の少なくとも一つに関連して、これらの少なくとも一つを加熱するための予熱加熱手段が設けられていることを特徴とする。
In the solid oxide fuel cell system according to
また、本発明の請求項5に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記第2気化器、前記改質水送給流路及び前記排気ガス送給流路の少なくとも1箇所に温度検知手段が配設され、前記温度検知手段の検知温度に基づいて、炭化水素系燃料ガス、改質水及び空気の少なくとも一つの供給流量及び/又は前記セルスタックの発電出力が制御されることを特徴とする。 Further, in the solid oxide fuel cell system according to claim 5 of the present invention, temperature detecting means is provided at least at one of the second vaporizer, the reforming water supply passage, and the exhaust gas supply passage. And at least one supply flow rate of hydrocarbon fuel gas, reforming water and air and / or power generation output of the cell stack is controlled based on the temperature detected by the temperature detecting means. To do.
また、本発明の請求項6に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記第2気化器、前記改質水供給流路及び前記排気ガス送給流路の少なくとも1箇所に温度検知手段が配設され、高い燃料利用率での定常運転状態において前記温度検知手段の検知温度が急激に低下すると、システムにおける燃料利用率を大きくするように制御することを特徴とする。
Further, in the solid oxide fuel cell system according to
また、本発明の請求項7に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記第2気化器、前記改質水送給流路及び前記排気ガス送給流路の少なくとも1箇所に温度検知手段が設けられ、前記温度検知手段の検知温度に基づいて、前記予熱加熱手段の加熱量が制御されることを特徴とする。 Further, in the solid oxide fuel cell system according to claim 7 of the present invention, temperature detecting means is provided at least at one of the second vaporizer, the reforming water supply passage, and the exhaust gas supply passage. Is provided, and the heating amount of the preheating heating means is controlled based on the temperature detected by the temperature detecting means.
更に、本発明の請求項8に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、炭化水素系燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路は、前記第1又は第2気化器に接続され、炭化水素系燃料ガスは、前記第1又は第2気化器にて発生した水蒸気と混合されることを特徴とする。 Furthermore, in the solid oxide fuel cell system according to claim 8 of the present invention, a fuel gas supply channel for supplying hydrocarbon fuel gas is connected to the first or second vaporizer, and carbonized. The hydrogen-based fuel gas is mixed with water vapor generated in the first or second vaporizer.
本発明の請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、第1気化器は、燃料電池ハウジング内に収容され、燃焼域における余剰燃料ガスの燃焼により加熱され、また第2気化器は、燃料電池ハウジング外に配設され、燃焼域から酸化材予熱器を通して排出される燃焼排気ガスにより加熱され、改質水は、第2気化器から改質水送給流路を通して第1気化器に送給されるので、改質器に送給される改質水は、まず、燃料電池ハウジング外に排出された燃焼排気ガスの熱で加熱される第2気化器にて気化され、その後燃料電池ハウジング内の燃焼域での余剰燃料ガスの燃焼により加熱される第1気化器にて気化される。従って、燃料電池ハウジング外に排出された燃焼排気ガスの熱をも改質水の気化に利用しており、それ故に、この第2気化器での気化熱分だけ余剰燃料ガスの消費を少なくすることができ、その結果、高い燃料利用率を維持しながら高い発電効率でシステムを運転することができる。 According to the solid oxide fuel cell system of the first aspect of the present invention, the first carburetor is accommodated in the fuel cell housing, heated by the combustion of excess fuel gas in the combustion zone, and the second vaporization. The regenerator is disposed outside the fuel cell housing and is heated by the combustion exhaust gas discharged from the combustion zone through the oxidant preheater, and the reforming water is supplied from the second vaporizer through the reforming water supply passage. Since it is fed to the vaporizer, the reformed water fed to the reformer is first vaporized in the second vaporizer heated by the heat of the combustion exhaust gas discharged outside the fuel cell housing, Thereafter, it is vaporized by a first vaporizer heated by combustion of surplus fuel gas in the combustion zone in the fuel cell housing. Therefore, the heat of the combustion exhaust gas discharged out of the fuel cell housing is also used for vaporization of the reforming water. Therefore, the consumption of surplus fuel gas is reduced by the amount of heat of vaporization in the second vaporizer. As a result, the system can be operated with high power generation efficiency while maintaining a high fuel utilization rate.
また、第2気化器は、第1気化器よりも上方に配設され、改質水送給流路は、第2気化器から第1気化器に向けて鉛直乃至下り勾配で延びているので、第2気化器から改質水送給流路に改質水が流れると、この改質水は、改質水送給流路を通して第1気化器に流下し、この第1気化器にて燃焼域での余剰燃料ガスの燃料による熱でもって気化されて改質器に送給される。従って、改質水送給流路での改質水の滞留を少なくすることができ、これによって、S/C(スチーム/カーボン比)の変動を抑え、水蒸気を安定して改質器に送給することができる。 Further, the second vaporizer is disposed above the first vaporizer, and the reforming water supply flow path extends from the second vaporizer to the first vaporizer with a vertical or downward gradient. When the reformed water flows from the second vaporizer to the reformed water feed channel, the reformed water flows down to the first vaporizer through the reformed water feed channel, and in this first vaporizer The surplus fuel gas in the combustion zone is vaporized by the heat of the fuel and fed to the reformer. Accordingly, the retention of reforming water in the reforming water supply flow path can be reduced, thereby suppressing fluctuations in S / C (steam / carbon ratio) and stably supplying steam to the reformer. Can be paid.
更に、第2気化器は、第1気化器よりも上方に配設され、改質水は、第2気化器から改質水送給流路を通して第1気化器に送給されるので、改質水供給系は一系統で切換弁なども必要とせず、改質水供給系に関する構成を簡単にすることができるとともに、その製作コストの低減を図ることができる。 Further, the second vaporizer is disposed above the first vaporizer, and the reformed water is fed from the second vaporizer through the reformed water feed channel to the first vaporizer. The quality water supply system is a single system and does not require a switching valve or the like, so that the configuration relating to the reformed water supply system can be simplified and the production cost can be reduced.
また、本発明の請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、第2気化器の改質水流路は、気化器本体の上端部の改質水流入部からその下端部の改質水流出部まで鉛直乃至下り勾配で延びているので、改質水流入部から流入した改質水は改質水流路を通して流下し、この第2気化器における改質水の滞留を少なくすることができ、これによって、S/C(スチーム/カーボン比)の変動を更に抑えることができる。 In the solid oxide fuel cell system according to claim 2 of the present invention, the reforming water flow path of the second vaporizer extends from the reforming water inflow portion at the upper end portion of the vaporizer body to the lower end portion thereof. Since it extends vertically or downwardly to the reforming water outflow portion, the reforming water that has flowed in from the reforming water inflow portion flows down through the reforming water flow path to reduce the retention of the reforming water in the second vaporizer. As a result, fluctuations in S / C (steam / carbon ratio) can be further suppressed.
また、本発明の請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、酸化材予熱器と第2気化器の排気ガス流路とは排気ガス送給流路を介して接続され、この排気ガス送給流路及び/又は第2気化器の排気ガス流路に燃焼触媒が配設されているので、燃焼排気ガス中に含まれている未燃焼ガスを燃焼触媒により燃焼させ、この未燃焼ガスの燃焼熱を第2気化器での改質水の気化に利用することができる。 In the solid oxide fuel cell system according to claim 3 of the present invention, the oxidant preheater and the exhaust gas passage of the second vaporizer are connected via the exhaust gas supply passage, Since the combustion catalyst is disposed in the exhaust gas supply flow path and / or the exhaust gas flow path of the second carburetor, the unburned gas contained in the combustion exhaust gas is burned by the combustion catalyst. The combustion heat of the unburned gas can be used for vaporizing the reforming water in the second vaporizer.
また、本発明の請求項4に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、第2気化器、改質水送給流路及び燃焼触媒の少なくとも一つに関連して予熱加熱手段が設けられているので、第2気化器にあっては、第2気化器を流れる改質水を加熱することができ、改質水送給流路にあっては、改質水送給流路を流下する改質水を加熱することができ、また燃焼触媒にあっては、燃焼触媒を加熱してその活性化を図って未燃焼ガスの燃焼を促進することができる。
In the solid oxide fuel cell system according to
また、本発明の請求項5に記載の固体酸化物形燃料電池によれば、第2気化器、改質水送給流路及び排気ガス送給流路の少なくとも1箇所に温度検知手段が配設され、この温度検知手段の検知温度に基づいて、炭化水素系燃料ガス、改質水及び空気の少なくとも一つの供給流量(及び/又はセルスタックの発電出力)が制御されるので、第2気化器にあっては第2気化器を流れる改質水に関連する温度、改質水送給流路にあっては改質水送給流路を流下する改質水に関連する温度、また排気ガス送給流路にあっては排気ガス送給流路を流れる燃焼排気ガスに関連する温度に基づいて、炭化水素系燃料ガス、改質水及び空気の少なくとも1つ(及び/又はセルスタックの発電出力)を所要の通りに制御して燃料電池システムを安定して発電運転することができる。 In the solid oxide fuel cell according to claim 5 of the present invention, the temperature detecting means is arranged at least in one place of the second vaporizer, the reforming water feed channel and the exhaust gas feed channel. And at least one supply flow rate of hydrocarbon fuel gas, reforming water and air (and / or power generation output of the cell stack) is controlled based on the temperature detected by the temperature detecting means. The temperature associated with the reformed water flowing through the second vaporizer, the temperature associated with the reformed water flowing down the reformed water supply channel for the reformed water supply channel, and the exhaust gas. In the gas feed channel, based on the temperature associated with the combustion exhaust gas flowing through the exhaust gas feed channel, at least one of hydrocarbon fuel gas, reforming water and air (and / or cell stack) Power generation output) is controlled as required to stabilize the fuel cell system and generate power Rukoto can.
また、本発明の請求項6に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、高い燃料利用率での定常運転状態において、第2気化器(改質水供給流路、排気ガス送給流路など)に配設された温度検知手段の検知温度が急激に低下して第2気化器の気化能力の低下傾向が推定される状況になったときには、システムにおける燃料利用率を小さくするように制御し、余剰燃料ガスを多くしてその燃焼熱量を増加させ、これによって、第2気化器の気化能力を回復させることができ、その結果、第2気化器の気化能力を維持して安定して発電運転することができる。 According to the solid oxide fuel cell system of the sixth aspect of the present invention, the second carburetor (reformed water supply flow path, exhaust gas supply flow) in a steady operation state at a high fuel utilization rate. When the temperature detected by the temperature detecting means disposed on the road or the like suddenly decreases and a tendency to decrease the vaporization capacity of the second vaporizer is estimated, the fuel utilization rate in the system is reduced. Control and increase the surplus fuel gas to increase the amount of combustion heat, thereby recovering the vaporization capacity of the second vaporizer, so that the vaporization capacity of the second vaporizer can be maintained and stabilized. Power generation operation.
また、本発明の請求項7に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、第2気化器、改質水送給流路及び排気ガス送給流路の少なくとも1箇所に温度検知手段が設けられ、この温度検知手段の検知温度に基づいて、予熱加熱手段の加熱量が制御されるので、第2気化器にあっては第2気化器を流れる改質水に関連する温度、改質水送給流路にあっては改質水送給流路を流下する改質水に関連する温度、また排気ガス送給流路にあっては排気ガス送給流路を流れる燃焼排気ガスに関連する温度に基づいて、予熱加熱手段の加熱量を制御して所望の通りに加熱することができる。 In the solid oxide fuel cell system according to claim 7 of the present invention, the temperature detecting means is provided in at least one place of the second vaporizer, the reforming water supply passage and the exhaust gas supply passage. Since the heating amount of the preheating heating unit is controlled based on the temperature detected by the temperature detection unit, in the second vaporizer, the temperature related to the reforming water flowing through the second vaporizer, the reforming The temperature related to the reformed water flowing down the reformed water feed channel in the case of the water feed channel, and the combustion exhaust gas flowing in the exhaust gas feed channel in the case of the exhaust gas feed channel. Based on the relevant temperature, the heating amount of the preheating heating means can be controlled and heated as desired.
更に、本発明の請求項8に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、炭化水素系燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路は、第1又は第2気化器に接続される。第1気化器に接続した場合、燃料ガス供給流路からの燃料ガスは第1気化器に供給され、この第1気化器にて水蒸気(第2気化器にて発生されて第1気化器に送給された水蒸気及び第1気化器にて発生した水蒸気)と混合される。また、第2気化器に接続した場合、燃料ガス供給流路からの燃料ガスは第2気化器に供給され、この第2気化器にて水蒸気(第2気化器にて発生した水蒸気)と混合され、かく混合された燃料ガス及び水蒸気が改質水送給流路を通して第1気化器に送給され、この第1気化器にて発生した水蒸気と更に混合される。 Furthermore, according to the solid oxide fuel cell system according to claim 8 of the present invention, the fuel gas supply flow path for supplying hydrocarbon fuel gas is connected to the first or second vaporizer. . When connected to the first vaporizer, the fuel gas from the fuel gas supply flow path is supplied to the first vaporizer, and the first vaporizer generates water vapor (generated by the second vaporizer and supplied to the first vaporizer. The water vapor fed and the water vapor generated in the first vaporizer) are mixed. Further, when connected to the second vaporizer, the fuel gas from the fuel gas supply flow path is supplied to the second vaporizer and mixed with water vapor (water vapor generated by the second vaporizer) in the second vaporizer. Then, the mixed fuel gas and water vapor are fed to the first vaporizer through the reforming water feed flow path and further mixed with the water vapor generated in the first vaporizer.
以下、添付図面を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの各種実施形態について説明する。 Hereinafter, various embodiments of a solid oxide fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
〈第1の実施形態〉
まず、図1及び図2を参照して、第1の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。図1において、図示の固体酸化物形燃料電池システム2は、燃料ガスとして例えばメタンを主成分とする炭化水素系燃料ガス、例えば天然ガス(都市ガス)を消費して発電を行うものであり、炭化水素系燃料ガスを改質して改質燃料ガスを生成するための改質器4と、改質器4にて生成された改質燃料ガス及び酸化材としての空気(空気中に含まれる酸素)の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物形のセルスタック6と、を備えている。尚、以下の説明において、燃料ガスとしての炭化水素系燃料ガスを「原燃料ガス」という場合がある。
<First Embodiment>
First, with reference to FIG.1 and FIG.2, the solid oxide fuel cell system of 1st Embodiment is demonstrated. In FIG. 1, the illustrated solid oxide fuel cell system 2 performs power generation by consuming, for example, a hydrocarbon-based fuel gas mainly composed of methane as a fuel gas, for example, natural gas (city gas).
セルスタック6は、燃料電池反応によって発電を行うための複数の固体酸化物形の燃料電池セルを有し、これら燃料電池セルを集電部材を介して積層して構成される。燃料電池セルは、図示していないが、酸素イオンを伝導する固体電解質と、この固体電解質の一方側に設けられた燃料極と、固体電解質の他方側に設けられた酸素極とを備え、固体電解質として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。
The
この固体酸化物形燃料電池システム2では、水(以下の説明において、「改質用水」という場合がある)を気化して改質器4に供給するための気化器として2つの気化器、即ち第1気化器10及び第2気化器12を備え、第1気化器10の上流側に第2気化器12が配設されている。セルスタック6の燃料極の導入側は、改質燃料ガス送給流路14を介して改質器4に接続され、この改質器4は、ガス・水蒸気送給流路16を介して第1気化器10に接続され、この第1気化器10は、改質水送給流路18を介して第2気化器12に接続されている。
In this solid oxide fuel cell system 2, two vaporizers are used as vaporizers for vaporizing water (which may be referred to as “reforming water” in the following description) and supplying it to the
この第2気化器12は、改質水を供給するための改質水供給手段20に接続されている。図示の形態では、改質水供給手段20は、水タンクの如き水供給源22及び水供給源22の改質水を第2気化器12に供給する改質水供給流路24を備え、この改質水供給流路24に水供給ポンプ26が配設されている。このように構成されているので、水供給ポンプ26が作動すると、水供給源22からの改質水が改質水供給流路24を通して第2気化器12に供給される。
The
また、第1気化器10は、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段28に接続されている。図示の燃料ガス供給手段28は、原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給源30及びこの原燃料ガスを第1気化器10に供給する燃料ガス供給流路32を備え、この燃料ガス供給流路32に、脱硫器34、ガス供給ポンプ36及び流量センサ38が配設されている。脱硫器34は原燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去し、ガス供給ポンプ36は燃料ガス供給源30からの原燃料ガスを燃料ガス供給流路32を通して第1気化器10に送給し、また流量センサ38は燃料ガス供給流路32を通して供給される原燃料ガスの流量を計測する。この燃料ガス供給流路32には、更に、開閉弁40及び42が配設されている。2連の開閉弁40及び42は燃料ガス供給流路32を開閉して燃料ガスの供給、供給停止を行う。このように構成されているので、開閉弁40,42が開状態においてガス供給ポンプ36が作動すると、燃料ガス供給源30からの燃料ガスが燃料ガス供給流路32を通して第1気化器10に供給される。
The
改質器4は、改質触媒として例えばアルミナにルテニウムを担持させたものが用いられ、この改質触媒により燃料ガスを後述するように水蒸気改質する。この実施形態では、第2気化器12は、改質水供給流路24を通して供給される水を気化させて水蒸気を発生し、また第1気化器10は、第2気化器12から改質水送給流路18を通して送給される改質水を気化させて水蒸気を発生するとともに、かかる水蒸気(第2気化器12にて発生して改質水送給流路18を通して送給された水蒸気及びこの第1気化器10にて発生した水蒸気)と燃料ス供給流路32を通して供給された燃料ガスとを混合する。
In the
この実施形態では、改質器4と第1気化器10とを別体に構成しているが、これら改質器4及び第1気化器10を一体的に構成するようにしてもよい。また、燃料ガス供給流路32を第1気化器10に接続しているが、このような構成に代えて、この燃料ガス供給流路32を第2気化器12に接続するようにしてもよく、或いは改質器4に接続して燃料ガス供給源30からの原燃料ガスを改質器4に直接的に送給するようにしてもよい。
In this embodiment, the
セルスタック6の酸素極の導入側には、酸化材としての空気を供給するための酸化材供給手段44が接続されている。図示の酸化材供給手段44は、酸化材としての空気(即ち、空気中の酸素)を供給するための酸化材供給源46(実施形態の場合、周囲の外気が酸化材供給源となる)と、酸化材供給源46からの酸化材をセルスタック6の酸素極側に供給する酸化材供給流路48とを備え、この酸化材供給流路48に送風プロア50及び酸化材余熱器52が配設されている。酸化材余熱器52は、例えば酸化材余熱用熱交換器から構成され、後述するように燃焼排気ガスを利用して酸化材供給流路48(即ち、酸化材余熱器52の空気流路53)を流れる空気を加熱する。このように構成されているので、送風ブロア50が作動すると、周囲の空気が酸化材供給流路48を通してセルスタック6の燃料極側に供給され、かく供給される空気が酸化材余熱器52にて加熱される。
An oxidant supply means 44 for supplying air as an oxidant is connected to the introduction side of the oxygen electrode of the
セルスタック6の燃料極及び酸素極の各排出側には燃焼域54が設けられ、セルスタック6の燃料極側から排出された余剰の燃料ガスとその酸素極側から排出された空気(酸素を含含む)とがこの燃焼域54に送給されて燃焼される。この燃焼室54は排気ガス送給流路56が連通され、この排気ガス送給流路56に酸化材余熱器52(その燃焼排気ガス流路55)が配設され、排気ガス送給流路56が第2気化器12に接続されている。このように構成されているので、燃焼域54からの燃焼排気ガスは、排気ガス送給流路56及び酸化材余熱器52を通して第2気化器12に送給され、かく送給される間に、酸化材予熱器52において、燃焼排気ガス流路55を流れる燃焼排気ガスと空気流路53を流れる空気(酸化材)との間で熱交換が行われ、この熱交換により加熱された空気がセルスタック6に送給され、熱交換により温度が下がった燃焼排気ガスが第2気化器12及び排気ガス排出流路58を通して大気中に排出される。
この実施形態では、改質器4、セルスタック6、第1気化器10及び空気予熱器52が燃料電池ハウジング60に収容され、改質器4及び第1気化器10は燃焼域54の近傍、例えばその上方に配設されている。燃料電池ハウジング60の内壁面は断熱材(図示せず)で覆われて高温室62を規定し、改質器4、セルスタック6、第1気化器10及び空気予熱器52が高温室62内で高温状態に保たれる。また、第2気化器12は、この燃料電池ハウジング60外に配設されている。このように構成することによって、改質器4及び第1気化器10は、燃焼域54における余剰燃料ガスの燃焼により加熱され、この燃焼熱を利用して第1気化器10における改質水の気化が行われ、また第2気化器12における水の気化は、排気ガス送給流路56を通して排出される燃焼排気ガスの排熱が利用され、燃料電池ハウジング60内の熱が利用されることがない。
In this embodiment, the
この実施形態では、固体酸化物形燃料電池システム2の各種装置(例えば、水供給ポンプ26、ガス供給ポンプ36、送風ブロア50など)の作動を制御するためのコントローラ64が設けられ、流量センサ38からの検知信号がこのコントローラ64に送給される。尚、コントローラ64は、上述の各種装置を作動制御するとともに、2連の開閉弁40及び42なども作動制御する。
In this embodiment, a
この固体酸化物形燃料電池システム2の発電運転を概説すると、次の通りである。固体酸化物形燃料電池システム2を起動操作すると、送風ブロア50が作動して水供給手段44からの空気が酸化材余熱器52を通してセルスタック6の酸素極側に供給され、送風ブロア50の回転数を制御することによって、空気の供給量が制御される。また、開閉弁40,42が開状態となり、ガス供給ポンプ36が作動して燃料ガス供給手段28からの燃料ガス(原燃料ガス)が脱硫器34、第1気化器10及び改質器4を通してセルスタック6の燃料極側に供給され、ガス供給ポンプ36の回転数を制御することによって、燃料ガスの供給量が制御される。更に、燃焼域54に配設された点火装置(図示せず)が点火作動し、このようにして燃焼域54にて燃料ガスの燃焼が行われる。
An outline of the power generation operation of the solid oxide fuel cell system 2 is as follows. When the solid oxide fuel cell system 2 is activated, the
この燃焼域54での燃料ガスの燃焼熱によって第1気化器10の温度が上昇する(例えば200℃程度まで上昇する)と、水供給ポンプ26が作動して改質水供給手段20からの改質水が第2気化器12を通して第1気化器10に供給され、水供給ポンプ26の回転数を制御することによって、改質水の供給量が制御される。このとき、燃焼域54からの燃焼排気ガスが排気ガス送給流路56及び第2気化器12を通して外部に排出されるので、第2気化器12に供給された改質水は、この燃焼排気ガスの熱を利用してその一部が気化されて水蒸気となり、水蒸気を含む改質水が改質水送給流路18を通して第1気化器10に送給される。また、燃焼域54の余剰燃料ガスによって第1気化器10が加熱されるので、このように送給された改質水は、この燃焼熱を利用して第1気化器10において気化されて水蒸気となり、この第1気化器10にて水蒸気と燃料ガスと混合され、混合燃料ガス(燃料ガスと水蒸気とが混合した燃料ガス)がガス・水蒸気送給流路16を通して改質器4に送給される。改質水供給手段20からの改質水は、このように第2気化器12及び第1気化器10を通して流れる間に水蒸気となる。
When the temperature of the
改質器4においては、原燃料ガスと水蒸気とで水蒸気改質反応が行なわれ、改質された燃料ガス(改質燃料ガス)が改質燃料ガス送給流路14を通してセルスタック6の燃料極側に送給される。また、酸化材送給手段44からの空気は、酸化材供給流路48を通して酸化材予熱器52に供給され、この酸化材予熱器52において燃焼域54より排出されて排気ガス送給流路56を通して流れる燃焼排気ガスとの間で熱交換され、熱交換により加温された空気がセルスタック6の酸素極側に送給される。
In the
このようにしてセルスタック6の温度が作動温度に達する(例えば、セルスタック6が650℃程度に達する)と、固体酸化物形燃料電池システム2の発電運転が行われる。この発電運転においては、セルスタック6の燃料極側では改質燃料ガスの酸化が行われ、その酸素極側では空気中の酸素の還元が行われ、燃料極側の酸化及び酸素極側の還元による電気化学反応により発電が行われる。セルスタック6の燃料極側から排出される燃料ガスは、その酸素極側から排出される空気(燃焼空気)中の酸素を利用して燃焼され、この余剰燃料ガスの燃焼熱を利用して改質器4及び第1気化器10が上述したように加熱される。
In this way, when the temperature of the
燃焼域54での燃焼により生じた燃焼排気ガスは、排気ガス送給流路56を通して酸化材予熱器52に送給され、この酸化材予熱器52において酸化材供給手段44から供給される空気との熱交換に利用され、更に第2気化器12において改質水供給手段20から供給される改質水を加熱した後に、排気ガス排出流路58を通して大気に排出される。
The combustion exhaust gas generated by the combustion in the
この実施形態では、第1気化器10が燃料電池ハウジング60内に配設され、第2気化器12が燃料電池ハウジング60外に配設されていることに関連して、更に、次の通りに構成されている。第2気化器12については、図2に示す通りに構成されている。図2において、この第2気化器12は、改質水が流れる改質水流路70及び燃焼排気ガスが流れる排気ガス流路72を規定する気化器本体74を備えている。改質水流路70は、気化器本体72内の上端部に設けられた上水空間部76と、その下端部に設けられた下水空間部78と、上水空間部76と下水空間部78とを連通する複数の中間水空間部80とを有している。改質水流路70の上水空間部76は、上仕切り板82により仕切られ、その下水空間部78は、下仕切り板84により仕切られ、中間水空間部80は、上水空間部76及び下水空間部78間を連通する管状部材86から構成され、複数の管状部材86が鉛直下方に延びている。また、気化器本体74の上端部(この形態では、上端壁88)に改質水流入部90が設けられ、その下端部(この形態では、下端壁92に改質水流出部94が設けられている。
In this embodiment, the
また、排気ガス流路72は、改質水流路70の上水空間部76と下水空間部78との間(換言すると、上仕切り板82と下仕切り板84との間)に配置され、上下方向に間隔において千鳥足状に配設された中間仕切り板96により仕切られている。この気化器本体74の周側壁98の下端部(下水空間部78の上側部位)には、排気ガス流入部100が設けられ、その上端部(上水空間部76の下側部位)には、排気ガス流出部102が設けられている。
The exhaust
このように構成されているので、改質水供給流路24を通して供給される改質水は、改質水流入部90から気化器本体74の改質水流路70に流入し、上水空間部76から図2に破線矢印で示すように複数の中間水空間部80を通して下方に下水空間部78に流れた後に、改質水流出部94から改質水送給流路18を通して第1気化器10に送給される。一方、排気ガス送給流路56を通して流れる燃焼排気ガスは、排気ガス流入部100から気化器本体74の排気ガス流路72に流入し、この排気ガス流路72内を図2に実線矢印で示すように千鳥足状に上方に流れた後に、排気ガス流出部102から排気ガス排出流路58を通して大気に排出される。そして、改質水流路70を流れる改質水と排気ガス流路72を流れる燃焼排気ガスとの間で熱交換が行われ、燃焼排気ガスの熱(所謂、廃棄される熱)によって改質水が加熱されて水蒸気が生成される。例えば、燃焼排気ガスの熱量が小さいときには改質水の一部が気化されて水蒸気が生成され、その熱量が大きいときには改質水の大部分乃至全部が気化されて水蒸気が生成される。
Since it is configured in this way, the reforming water supplied through the reforming
この第2の気化器12に関連して、次のように構成するのが望ましい。第2の気化器12(具体的には、その改質水流出部94)と第1気化器10(具体的には、その流入部)とを連通する改質水送給流路18が、その全長にわたって鉛直乃至下り勾配で下方に延びているのが望ましく、このように構成することによって、第2気化器12を通して流れた改質水は下方に第1気化器10に向けて流れ、改質水送給流路18にて滞留することなく第1気化器10に送給される。従って、第2気化器12からの改質水は、第1気化器10に少しずつ送給され、第1気化器10にて改質水が少しずつ気化されて水蒸気となり、これにより、一時的に大量の水蒸気が発生して下流側に送給されるのを防止し、S/C(スチーム/カーボン比)が大きく変動するのを抑えることができる。
In relation to the
また、第2気化器12においては、その改質水流路70が全長にわたって、即ち改質水流入部90から改質水流出部92にわたって、鉛直(図2参照)乃至下り勾配で下方に延びているのが望ましく、このように構成することによって、第2気化器12に供給された改質水は、改質水流路70内を下方に改質水流出部94に向けて流れ、改質水流路94にて滞留することなく改質水送給流路18に流れる。従って、第2気化器12内においては、改質水は少しずつ下方に流れて気化され、これによって、一時的に大量の改質水が改質水送給流路18に送給されるのを防止し、S/Cが大きく変動するのを抑えることができる。
Further, in the
この固体酸化物形燃料電池システムでは、上述した構成に関連して、更に、次のような特徴を有する。セルスタック6の定常発電状態においては、燃焼域54から排気ガス送給流路56を通して流れる燃焼排気ガスの温度が高く、このような場合、上述したように、第2気化器12における熱交換によって、改質水供給流路24を通して供給される改質水は、この第2気化器12の改質水流路70を通して流れる間にその大部分乃至全部が気化されて水蒸気となり、このように生成された水蒸気(少しの改質水を含む場合がある)が第1気化器10に送給される。このような場合、第1気化器10にて改質水の気化がほとんど行われず、このようなときには、燃焼域54での余剰燃料ガスの燃焼による燃焼熱の発生を少なく抑えても問題はなく、燃料ガスの消費を考慮すると、燃料利用率を高めるように制御することが可能となり、例えばシステムの燃料利用率を例えば70%程度から例えば75〜80%程度に5〜10ポイント程度高めることが可能とり、コントローラ64によりこのように燃料利用率を高める制御を行うことによって、セルスタック6の作動温度を高温状態に保ったまま発電効率を高めることができる。
This solid oxide fuel cell system has the following features in relation to the above-described configuration. In the steady power generation state of the
第2気化器としては、例えば、図3に示す構成のものを用いるようにしてもよい。図3(a)に示す第1の変形形態の第2気化器12Aでは、気化器本体74Aは、外径の大きい円筒状の外筒状部材112と、この外筒状部材112の径方向内側に配設された外径の小さい円筒状の内筒状部材114(例えば、管状部材)と有し、内筒状部材114の内側に改質水流路70Aが規定され、内筒状部材114と外筒状部材112との間に環状の排気ガス流路72Aが規定されている。
As the second vaporizer, for example, one having the configuration shown in FIG. 3 may be used. In the
内筒状部材114の一端部(上端部)は、改質水供給流路24(図1参照)に接続され、改質水が流入する改質水流入部0Aとして機能し、またその他端部(下端部)は、改質水送給流路18(図1参照)に接続され、改質水が流出する改質水流出部94Aとして機能する。また、外筒状部材112の下端部には排気ガス流入部100Aが設けられ、この排気ガス流入部100Aが排気ガス送給流路56(図1参照)に接続され、その上端部には排気ガス流出部102Aが設けられ、この排気ガス流出部02Aが排気ガス排出流路58(図1参照)に接続される。
One end portion (upper end portion) of the inner
この第2気化器12Aにおいても、改質水流路70Aは、改質水流入部90Aから改質水流出部94Aまで下方に鉛直に延び、改質水流入部90Aから流入した改質水は、図3(a)に破線矢印で示すように改質水流路70A内を下方に流れた後に、改質水流出部94Aから改質水送給流路18(図1参照)に送給される。また、排気ガス流路72Aは、改質水流路70Aの外周囲を上方に延び、排気ガス流入部100Aから流入した燃焼排気ガスは、図3(a)に実線矢印で示すように排気ガス流路72A内を上方流れた後に、排気ガス流出部102Aから排気ガス排出流路58(図1参照)に送給される。
Also in the
このような第2気化器12Aを用いた場合においても、改質水流路70Aを流れる改質水と排気ガス流路72Aを流れる燃焼排気ガスとの間で熱交換が行われるので、図2に示す第2気化器12と同様に、燃焼排気ガスの熱を利用して改質水を気化して水蒸気を生成することができ、また改質水流路70Aでの改質水の滞留を防止することができる。
Even when such a
また、図3(b)に示す第2の変形形態の第2気化器12Bでは、気化器本体74Bは、外径の大きい円筒状の外筒状部材112Bと、この外筒状部材112Bの径方向内側に配設された外径の小さい円筒状の内筒状部材114Bと有し、第1変形形態と同様に、内筒状部材114Bの内側に改質水流路70Bが規定され、内筒状部材114Bと外筒状部材112Bとの間に環状の排気ガス流路72Bが規定され、改質水流路70B内に多数の伝熱促進部材122が配設されている。この伝熱促進部材122は、例えばセラミック材料、金属材料(例えば、ステンレス鋼)製のボール状部材から形成することができ、排気ガス流路72Bを流れる燃焼排気ガスにより加熱され、改質水流路70B内を流れる改質水への熱伝達を促進する。
Moreover, in the
内筒状部材114Bの一端部(上端壁)には、外筒状部材112Bの上端壁124を貫通して上方に延びる改質水流入部90Bが設けられ、またその他端部(下端壁)には、外筒状部材112Bの下端壁126を貫通して下方に延びる改質水流出部94Bが設けられている。また、第1変形形態と同様に、外筒状部材112Bの下端部には排気ガス流入部100Bが設けられ、その上端部には排気ガス流出部102Bが設けられている。
One end portion (upper end wall) of the inner
この第2気化器12Bにおいても、改質水流路70Bは、改質水流入部90Bから改質水流出部94Bまで下方に鉛直に延びているので、改質水流入部90Bから流入した改質水は、図3(b)に破線矢印で示すように改質水流路70B内を下方に流れ、また排気ガス流路72Bは、改質水流路70Bの外周囲を上方に延びているので、排気ガス流入部100Bから流入した燃焼排気ガスは、図3(b)に実線矢印で示すように排気ガス流路72B内を上方流れ、この第2の変形形態においても、上述した第1の変形形態と同様の作用効果を達成することができる。加えて、改質水流路70B内に多数の伝熱促進部材122が充填されているので、燃焼排気ガスにより加熱された伝熱促進部材122の熱を利用して、改質水の気化を促進させて水蒸気を発生させることができる。
Also in the
また、図3(c)に示す第3の変形形態の第2気化器12Cでは、気化器本体74Cは、外径の大きい円筒状の外筒状部材112Cと、この外筒状部材112Cの径方向内側に配設された管状部材114Cと有し、この管状部材114Cが外筒状部材112C内において螺旋状に下り勾配で配設され、この管状部材114Cの内側に螺旋状の改質水流路70Cが規定され、管状部材114Cと外筒状部材112Cとの間に排気ガス流路72Cが規定されている。
Further, in the
管状部材114Cの一端部(上端部)は、外筒状部材112Cの上端壁124Cを貫通して上方に延び、かかる一端部が改質水流入部90Cとして機能する。また、その他端部(下端部)は、外筒状部材112Cの下端壁126Cを貫通して下方に延び、この他端部が改質水流出部94Cとして機能する。また、第1変形形態と同様に、外筒状部材112Cの下端部には排気ガス流入部100Cが設けられ、その上端部には排気ガス流出部102Cが設けられている。
One end (upper end) of the tubular member 114C extends upward through the
この第2気化器12Cにおいては、改質水流路70Cは、改質水流入部90Cから改質水流出部94Cまで下方に下り勾配で延びているので、改質水流入部90Cから流入した改質水は、図3(C)に破線矢印で示すように改質水流路70C内を滞留することなく下方に螺旋状に流れ、また排気ガス流路72Cは、改質水流路70Cを囲むように上方に延びているので、排気ガス流入部100Cから流入した燃焼排気ガスは、図3(C)に実線矢印で示すように排気ガス流路72C内を上方流れ、この第3の変形形態にように改質水流路70Cを下り勾配にすることによっても、上述した第1の変形形態と同様の作用効果を達成することができる。加えて、改質水流路70Cが螺旋状に延びているので、排気ガス流路72Cを流れる燃焼排気ガスと改質水流路70Cとの接触面積を大きくすることができ、これによって、燃焼排気ガスの熱回収を高めて改質水の水蒸気気化の効率を高めることができる。尚、改質水流路70Cを螺旋状に構成するのではなく、直線状に下り勾配で延びるように構成するようにしてもよく、改質水が滞留することなく流下する程度の角度を持った下り勾配とするのが望ましい。
In the
第1の実施形態の第2気化器12(第1〜第3変形形態の気化器12A〜12C)では、外筒状部材112(112A〜112C)の下端部に排気ガス流入部100(100A〜100C)を設け、その上端部に排気ガス流出部102(102A〜102C)を設け、第2気化器12(12A〜12C)から第1気化器10に向けて、即ち改質水の流れ方向に見て下流側に向けて温度が上り勾配となるように燃焼排気ガスを流しているが、これとは反対に、外筒状部材112(112A〜112C)の上端部に排気ガス流入部100(100A〜100C)を設け、その下端部に排気ガス流出部102(102A〜102C)を設けるようにしてもよく、このように構成した場合、燃焼排気ガス中の水分の凝縮による凝縮水の排水を容易に行うことが可能となる。
In the
また、図1に一点鎖線で示すように、改質水送給流路18(例え ば、改質水用配管から構成される)における外部に露出する部分(即ち、第2気化器12と燃料電池ハウジング60との間に位置する部位)を断熱材132で覆うようにするのが望ましい。加えて、排気ガス送給流路56(例えば、排気ガス用配管から構成される)における外部に露出する部分(即ち、燃料電池ハウジング60と第2気化器12との間に位置する部位)も断熱材134で覆うようにするのが望ましく、このように断熱材132,134で覆うことにより、外部への放熱ロスを抑えることができる。尚、これら改質水送給流路18及び排気ガス送給流路56を個別に断熱材132,134で覆う必要はなく、これらをまとめて断熱材で覆うようにしてもよく、或いは改質水送給流路18及び排気ガス送給流路56の外部露出部分(これらの外部露出配管部位)を極めて短く構成し、燃料電池ハウジング60側の断熱材(図示せず)を利用して断熱するようにしてもよい。
Further, as shown by a one-dot chain line in FIG. 1, a portion exposed to the outside (that is, the
〈第2の実施形態〉
次に、図4を参照して、第2の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。この第2の実施携帯においては、第2気化器に関連して修正が施されている。尚、以下の実施形態において、上述した第1の実施形態と実質上同一の部材には同一の参照番号を付し、その説明を省略する。
<Second Embodiment>
Next, a solid oxide fuel cell system according to a second embodiment will be described with reference to FIG. In the second embodiment mobile phone, correction is made in relation to the second vaporizer. In the following embodiments, members substantially the same as those in the first embodiment described above are given the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
図4において、この第2の実施形態の固体酸化物形燃料電池システム2Aにおいては、燃料電池ハウジング60の側壁上部に気化器ユニット142が取り付けられ、この気化器ユニット142のユニットハウジング144内に第2気化器12が収容されている。第2気化器12は、上述した形態と同様のものでよく、改質水が流れる改質水流路70と、燃焼排気ガスが流れる排気ガス流路72とを備え、この第2気化器12の改質水流路70は鉛直下方に延び、第2気化器12と第1気化器10とを接続する改質水流路18は、下方に直線状に傾斜する下り勾配で延びている。
In FIG. 4, in the solid oxide fuel cell system 2 </ b> A of the second embodiment, a
このユニットハウジング144には、その全内面を覆うように断熱材146が設けられ、燃焼排気ガスが流れる排気ガス送給流路56Aは、燃料電池ハウジング60内から直接的にユニットハウジング144に導かれ、このユニットハウジング144内においては断熱材146に覆われて第2気化器12(即ち、その排気ガス流路72)に接続されている。また、改質水(水蒸気を含む)が流れる改質水流路18Aは、ユニットハウジング144内においては断熱材146に覆われ、このユニットハウジング144から直接的に燃料電池ハウジング60に導かれて第1気化器10に接続されている。
The
この実施形態では、排気ガス送給流路56Aにおけるユニットハウジング144内に位置する部位(具体的には、第2気化器12の上流側)に補助燃焼ハウジング148が設けられ、この補助燃焼ハウジング148も断熱材146により覆われている。補助燃焼ハウジング148は、排ガス送給流路56Aよりも断面積が大きい触媒燃焼室150を規定し、かかる触媒燃焼室150に燃焼触媒152が充填されている。このように触媒燃焼室150を第2気化器12の上流側に設けることにより、燃焼排気ガス中の未燃焼ガスを燃焼させることができるとともに、その燃焼熱を第2気化器12での改質水の水蒸気気化に利用することができる。尚、未燃焼ガスの燃焼熱を水蒸気気化に利用しない場合、この補助燃焼ハウジング148を第2気化器12の下流側の排気ガス排出流路58に設けることができる。
In this embodiment, an
また、この実施形態では、触媒燃焼室150(換言すると、燃焼触媒152)に関連して、例えば電気ヒータなどから構成される予熱加熱手段154が設けられる。予熱加熱手段154は、補助燃焼ハウジング148の周囲を囲むように設けられ、この触媒燃焼室150内の燃焼触媒152及びそこを流れる燃焼排気ガスを加熱する。この第2の実施形態のその他の構成は、上述した第1の実施形態と実施上同一である。
In this embodiment, a preheating heating means 154 composed of, for example, an electric heater is provided in association with the catalytic combustion chamber 150 (in other words, the combustion catalyst 152). The preheating heating means 154 is provided so as to surround the periphery of the
この第2の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムにおいては、燃焼域54からの燃焼排気ガスは、排気ガス送給流路56Aを通して燃料電池ハウジング60側からユニットハウジング144側の触媒燃焼室150に送給される。そして、この触媒燃焼室150にて、燃焼触媒152によって燃焼排気ガス中の未燃焼ガスが燃焼され、この燃焼熱によって燃焼触媒152の活性化が促進されるとともに、燃焼排気ガスが加熱されて第2気化器12(その排気ガス流路72)に送給され、かく加熱された燃焼排気ガスによって、第2気化器12の改質水流路70を流れる改質水が加熱気化され、このように燃焼排気ガス中の未燃焼ガスの燃焼熱を利用して改質水の改質気化を行うことができ、その結果、発電性能を安定化させることができるとともに、発電効率を高めることができる。
In the solid oxide fuel cell system according to the second embodiment, the combustion exhaust gas from the
この予熱加熱手段154は、特に、燃料電池システム2の起動時などの燃焼触媒152の温度が低いときに作動される。このように作動されると、予熱加熱手段154は燃焼触媒152を加熱し、この燃焼触媒152の活性化が図られて起動時などから未燃焼ガスを燃焼させることができる。
This preheating heating means 154 is operated especially when the temperature of the
この第2気化器に関連して、図5に示すように構成することもできる。図5において、この変形形態では、気化器ユニット142Dはユニットハウジング144Dを備え、このユニットハウジング144D内に第2気化器12Dが収容され、この第2気化器12Dは、例えば図3(c)に示すものと同様の構成のものである。
In relation to this second vaporizer, it can also be configured as shown in FIG. In FIG. 5, in this modification, the
この変形形態では、触媒燃焼室150を設けることに代えて、第2気化器12Dの排気ガス流路72に燃焼触媒152が充填されている。また、このことに関連して、排気ガス流路72の周囲(即ち、外筒状部材112Dの外周側)に予熱加熱手段154Dが配設され、この予熱加熱手段154Dは、例えばリング状の電気ヒータから構成される。また、第2気化器12D及び予熱加熱手段154Dは、断熱材146Dにより覆われてユニットハウジング144D内に収容されている。
In this modification, instead of providing the
この変形形態では、第2気化器12Dの排気ガス流路72に燃焼触媒152を充填するので、気化器ユニット142Dの構成を簡単にすることができるとともに、その小型化を図ることができる。加えて、予熱加熱手段154Dは第2気化器12Dの全体(具体的には、排気ガス流路72に充填された燃焼触媒152及び改質水流路70を流れる改質水)を加熱するので、予熱加熱手段154Dの熱を有効に利用して気化器ユニット142Dを効率良く加熱することができる。
In this modification, the exhaust
尚、図4に示す実施形態では、燃焼触媒152に関連して予熱加熱手段154を設けており、また図5に示す形態では、燃焼触媒152及び第2気化器12Dに関連して予熱加熱手段154Dを設けているが、このような構成に限定されず、改質水送給流路18Aに関連して、或いは改質水送給流路18A及び第2気化器12(12D)に関連して、更には燃焼触媒152、第2気化器12(12D)及び改質水送給流路18Aに関連して予熱加熱手段154(154D)を設けるようにしてもよい。
In the embodiment shown in FIG. 4, preheating heating means 154 is provided in relation to the
また、図4に示す実施形態では、排気ガス送給流路56A(具体的には、触媒燃焼室150)に燃焼触媒152を設けており、また図5に示す形態では、第2気化器12Dの排気ガス流路70に燃焼触媒152を設けているが、排気ガス送給流路56A及び第2気化器12Dの排気ガス流路70の双方に燃焼触媒152を設けるようにしてもよい。
In the embodiment shown in FIG. 4, the
図4の実施形態では、更に、改質水送給流路18Aの流入部に温度検知手段160が設けられている。この温度検知手段160は、改質水送給流路18A内を第1気化器10に向けて流れる改質水(水蒸気を含む)の温度を検知し、かかる検知温度に基づいて、原燃料ガス、改質水及び空気の少なくとも1つの送給流量及び/又はセルスタック6の発電出力を制御するのが望ましく、このように制御することによって、セルスタック6での発電反応、また燃焼域54での余剰燃料ガスの燃焼、更には改質水の水蒸気気化を安定させることができる。尚、この温度検知手段160としては、例えば熱電対などを用いることができ、例えば第2気化器12の改質水流路70の流出部に設けるようにしてもよい。
In the embodiment of FIG. 4, temperature detection means 160 is further provided at the inflow portion of the reforming water
セルスタック6の定常発電状態においては、この温度検知手段160の温度は所定温度範囲、例えば140〜160℃の範囲に保たれるように制御され、温度検知手段160の検知温度がこの所定温度範囲よりも高く(又は低く)なると、原燃料ガスに関しては、燃焼域54での余剰燃料ガスの燃焼量が多い(又は少ない)として、原燃料ガスの供給流量が少なくなる(又は多くなる)ようにガス供給ポンプ36(図1参照)を制御し、改質水に関しては、改質水の供給量が少なく(又は多く)て第2気化器12での水蒸気気化が過剰である(又は不充分である)として、改質水の供給流量が多くなる(又は少なくなる)ように水供給ポンプ26(図1参照)を制御し、また空気に関しては、燃焼排気ガスの温度を下げる(又は上げる)必要があるとして、空気の供給流量が多くなる(少なくなる)ように送風ブロア50を制御し、更にセルスタック6の発電出力に関しては、燃料利用率が小さく(又は大きく)て余剰燃料ガスが多く発生しているとして、燃料利用率が大きくなる(又は小さくなる)ように発電出力を調整するのが望ましい。
In the steady power generation state of the
また、この温度検知手段160の検知温度に基づいて、予熱加熱手段154(154D)を制御するようにしてもよく、この場合、温度検知手段160の検知温度が所定温度範囲よりも上昇したときには、予熱加熱手段154(154D)による加熱量を下げるように制御し、またこの検知温度が所定温度範囲よりも低下したときには、予熱加熱手段154(154D)による加熱量を上げるように制御し、このように加熱制御することによって、第2気化器12(12D)での水蒸気気化状態を安定化させることができるとともに、セルスタック6での発電状態を安定化させることができる。
Further, the preheating heating unit 154 (154D) may be controlled based on the temperature detected by the
また、高い燃料利用率(例えば、燃料利用率が75%以上)での定常発電状態において、この温度検知手段160の検知温度が急激に下降変動した(例えば、1分間当たりに換算した温度変動の割合が例えば5℃/分以上である)場合、燃焼域54での余剰燃料ガスの燃焼量が少なく、今後気化不良が発生すると推定しその燃焼量を多くする必要があるとして、燃料利用率を小さくするように原燃料ガスの供給量の制御を行うことが望ましく、このように燃料利用率を制御することによって、第2気化器12Dでの水蒸気気化の悪化を未然に防ぎ、セルスタック6の発電状態を安定させることができる。
In addition, in a steady power generation state with a high fuel utilization rate (for example, the fuel utilization rate is 75% or more), the detected temperature of the temperature detecting means 160 has been rapidly decreased (for example, the temperature variation converted per minute). If the rate is, for example, 5 ° C./min or more), the amount of surplus fuel gas in the
また、この温度検知手段160の検知温度を利用して次のように制御することもできる。この検知温度が所定温度(例えば、130℃前後に設定される)を超えたときには、第2気化器12に供給された改質水が全て水蒸気気化されたと判断することができ、このような場合、燃料ガス供給流路32からセルスタック6に供給される原燃料ガスの供給量を減少させ(これによって、燃焼域54での余剰燃料ガスの燃焼量を少なくする)、このようにして原燃料ガスの燃料利用率を増加させるように制御することができる。この場合、燃料電池システムにおける燃料利用率を例えば5〜10ポイント程度大きくするように制御することができ、その結果、セルスタック6の作動温度を高温状態に維持しながら発電効率を高めることができる。
Further, it is possible to control as follows using the detected temperature of the
〈第3の実施形態〉
次に、図6を参照して、第3の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。第3の実施形態では、燃料電池ハウジングが二重ハウジング構造に構成されている。
<Third Embodiment>
Next, a solid oxide fuel cell system according to a third embodiment will be described with reference to FIG. In the third embodiment, the fuel cell housing has a double housing structure.
図6において、図示の固体酸化物形燃料電池システム2Eでは、燃料電池ハウジング60Eは、内側に配置される内側ハウジング162と、この内側ハウジング162を覆う外側ハウジング164とから構成されている。内側ハウジング162は、例えばステンレス鋼などの高耐熱性の金属材料から形成され、この内側ハウジング162が内側空間166を規定し、この内側空間166内にセルスタック6、燃焼域54、改質器4、第1気化器10及び酸化材予熱器52が配設される。また、外側ハウジング164は、鉄、ステンレス鋼などの金属材料の枠組構造体を備え、この枠組構造体の内面を覆うように断熱材(図示せず)が配設され、この断熱材を枠組構造体に保持固定することにより外側ハウジング164が構成される。この外側ハウジング164は、内側ハウジング162との間に外側空間168を規定し、かかる外側空間168内に第2気化器12Eが配設される。
In FIG. 6, in the illustrated solid oxide fuel cell system 2 </ b> E, the
この実施形態では、内側空間166及び外側空間168が高温状態に保たれ、内側空間166内の高温の熱が内側ハウジング166を介して外側空間168に伝達され、本明細書においては、この内側ハウジング162が燃料電池ハウジングとして機能する。
In this embodiment, the
この第3の実施形態においても、第2気化器12Eと第1気化器10とを接続する改質水送給流路18E(例えば、改質水用配管から構成される)が内側ハウジング162を貫通して鉛直下方に延びて第1気化器10に接続されている。尚、この改質水送給流路18Eは、上述したように、第2気化器12Eから第1気化器10まで下り勾配で下方に延びるように構成してもよい。
Also in the third embodiment, the reforming
更に、この実施形態では、改質水供給流路24及び燃料ガス供給流路32が第2気化器12E(具体的には、改質水流路70E)に接続され、改質水及び原燃料ガスが第2気化器12Eに供給される。尚、この第3の実施形態においても、上述した実施形態と同様に、燃料ガス供給流路32を第1気化器10に接続し、原燃料ガスを第1気化器10に供給するようにしてもよい。この第3の実施形態のその他の構成は、上述した第1の実施形態と実質上同一である。
Furthermore, in this embodiment, the reforming
この第3の実施形態においては、原燃料ガス及び改質水が第2気化器12Eの改質水流路70Eに供給される。第2気化器12Eにおいては、改質水流路70Eを流れる改質水及び燃料ガスと排気ガス流路72Eを流れる燃焼排気ガスとの間で熱交換が行われ、かかる熱交換により改質水の水蒸気気化が行われ、この水蒸気気化には、外側空間168内の熱も利用して行われ、この水蒸気気化を効率良く行うことができる。また、改質水(気化された水蒸気を含む)が改質水流路70Eを流れる間に、気化された水蒸気と原燃料ガスとの混合が行われ、この混合燃料ガスが加熱される。
In the third embodiment, the raw fuel gas and the reformed water are supplied to the reformed
加熱された混合燃料ガス及び気化していない改質水は、改質水送給流路18Eを通して第1気化器10に送給され、第2気化器10において残りの改質水の水蒸気気化が行われるとともに、生成された水蒸気と混合燃料ガスとの混合が更に行われ、このように混合された混合燃料ガスが改質器4に送給されて燃料ガスの水蒸気改質が行われる。
The heated mixed fuel gas and the non-vaporized reformed water are fed to the
この実施形態においても、改質水送給流路18Eが鉛直(又は下り勾配)に構成されているので、この改質水送給流路18Eにおける改質水の滞留を少なく抑えることができ、これによって、S/C(スチーム/カーボン比)の変動幅を小さくすることができる。加えて、第2気化器12E及び改質水送給流路16Eが高温状態に保たれているので、改質水の水蒸気気化に周囲(外側空間168及び内側空間166)の熱を利用して行うことができ、この水蒸気気化を効率良く行うことができる。
以上、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの各種実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。
Also in this embodiment, since the reforming water
Although various embodiments of the solid oxide fuel cell system according to the present invention have been described above, the present invention is not limited to such embodiments, and various modifications and corrections can be made without departing from the scope of the present invention. Is possible.
2,2A,2E 固体酸化物形燃料電池システム
4 改質器
6 セルスタック
10 第1気化器
12,12A,12B,12C,12D,12E 第2気化器
18,18A 改質水送給流路
24 改質水供給流路
32 燃料ガス供給流路
48 酸化材供給流路
52 酸化材予熱器
54 燃焼域
56,56A 排気ガス送給流路
60,60E 燃料電池ハウジング
70 改質水流路
72 排気ガス流路
142,142D 気化器ユニット
150 触媒燃焼室
152 燃焼触媒
154,154D 予熱加熱器
160 温度検知手段
162 内側ハウジング
164 外側ハウジング
2, 2A, 2E Solid oxide
Claims (8)
改質水を気化させて水蒸気を生成するための第1及び第2気化器が設けられ、前記第1気化器は、前記燃料電池ハウジング内に収容され、前記燃焼域における余剰燃料ガスの燃焼により加熱され、前記第2気化器は、前記燃料電池ハウジング外に配設され、前記燃焼域から前記酸化材予熱器を通して排出される燃焼排気ガスにより加熱され、改質水は、前記第2気化器から改質水送給流路を通して前記第1気化器に送給され、
また、前記第2気化器は、前記第1気化器よりも上方に配設され、前記改質水送給流路は、前記第2気化器から前記第1気化器まで鉛直乃至下り勾配で延びていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。 A reformer for reforming and reacting hydrocarbon-based fuel gas and water vapor from reformed water, and a fuel that generates electricity by oxidizing and reducing the reformed fuel gas and the oxidizing material reformed by the reformer A cell stack having battery cells, a combustion zone for burning surplus fuel gas that does not contribute to power generation in the cell stack, and a combustion exhaust gas discharged from the oxidizing material fed to the cell stack through the combustion zone A solid oxide fuel cell system comprising: an oxidant preheater for exchanging heat with the fuel cell; and a fuel cell housing for housing the reformer, the cell stack, and the oxidant preheater Because
First and second vaporizers are provided for vaporizing the reformed water to generate water vapor. The first vaporizer is accommodated in the fuel cell housing and is burned by surplus fuel gas in the combustion zone. The second carburetor is disposed outside the fuel cell housing and heated by combustion exhaust gas discharged from the combustion zone through the oxidant preheater, and the reformed water is heated by the second carburetor. To the first vaporizer through the reforming water supply flow path,
The second vaporizer is disposed above the first vaporizer, and the reforming water supply passage extends from the second vaporizer to the first vaporizer with a vertical or downward gradient. A solid oxide fuel cell system.
A fuel gas supply flow path for supplying hydrocarbon fuel gas is connected to the first or second vaporizer, and the hydrocarbon fuel gas includes water vapor generated in the first or second vaporizer. The solid oxide fuel cell system according to claim 1, wherein the solid oxide fuel cell system is mixed.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014190951A JP6453595B2 (en) | 2014-09-19 | 2014-09-19 | Solid oxide fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014190951A JP6453595B2 (en) | 2014-09-19 | 2014-09-19 | Solid oxide fuel cell system |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2016062796A true JP2016062796A (en) | 2016-04-25 |
JP6453595B2 JP6453595B2 (en) | 2019-01-16 |
Family
ID=55796136
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2014190951A Active JP6453595B2 (en) | 2014-09-19 | 2014-09-19 | Solid oxide fuel cell system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6453595B2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20200005309A (en) * | 2018-07-06 | 2020-01-15 | 구창회 | Hybrid ammonia solution vaporizer using waste heat and apparatus for removing nitrogen oxides from flue gas |
EP3982448A4 (en) * | 2019-06-04 | 2023-09-13 | Kyocera Corporation | Fuel cell device |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006309982A (en) * | 2005-04-26 | 2006-11-09 | Idemitsu Kosan Co Ltd | Solid oxide fuel cell system |
JP2009231211A (en) * | 2008-03-25 | 2009-10-08 | Toto Ltd | Fuel cell module and fuel cell having the same |
JP2011204390A (en) * | 2010-03-24 | 2011-10-13 | Osaka Gas Co Ltd | Solid oxide fuel cell system and cogeneration system equipped with this |
-
2014
- 2014-09-19 JP JP2014190951A patent/JP6453595B2/en active Active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006309982A (en) * | 2005-04-26 | 2006-11-09 | Idemitsu Kosan Co Ltd | Solid oxide fuel cell system |
JP2009231211A (en) * | 2008-03-25 | 2009-10-08 | Toto Ltd | Fuel cell module and fuel cell having the same |
JP2011204390A (en) * | 2010-03-24 | 2011-10-13 | Osaka Gas Co Ltd | Solid oxide fuel cell system and cogeneration system equipped with this |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20200005309A (en) * | 2018-07-06 | 2020-01-15 | 구창회 | Hybrid ammonia solution vaporizer using waste heat and apparatus for removing nitrogen oxides from flue gas |
KR102083892B1 (en) * | 2018-07-06 | 2020-03-03 | 구창회 | Hybrid ammonia solution vaporizer using waste heat and apparatus for removing nitrogen oxides from flue gas |
EP3982448A4 (en) * | 2019-06-04 | 2023-09-13 | Kyocera Corporation | Fuel cell device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6453595B2 (en) | 2019-01-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5588709B2 (en) | Solid oxide fuel cell system and cogeneration system equipped with the same | |
JP5154272B2 (en) | Fuel cell reformer | |
EP2810326B1 (en) | Fuel cell module | |
JP5519357B2 (en) | Solid oxide fuel cell system and cogeneration system equipped with the same | |
JP2010238446A (en) | Fuel cell system | |
WO2013114776A1 (en) | Fuel cell module | |
JP2005317405A (en) | Operation method of fuel cell structure | |
JP2015204172A (en) | fuel cell system | |
JP5063038B2 (en) | CO remover temperature rising operation method | |
JP2007059212A (en) | Fuel cell power generating system and heat exchanger built-in type catalyst combustion device | |
JP6453595B2 (en) | Solid oxide fuel cell system | |
JP2008063171A (en) | Hydrogen production apparatus and fuel cell power generation apparatus | |
JP4902165B2 (en) | Fuel cell reformer and fuel cell system comprising the fuel cell reformer | |
JP2004149407A (en) | Hydrogen generating apparatus and power generating apparatus using the same | |
JP6405171B2 (en) | Solid oxide fuel cell system | |
JP2005263603A (en) | Reformer and fuel cell system | |
JP2005294207A (en) | Fuel cell system | |
JP2000327304A (en) | Hydrogen generation apparatus | |
JP2005353347A (en) | Fuel cell system | |
JP5634729B2 (en) | Hydrogen production apparatus and fuel cell system | |
JP2014123576A (en) | Solid oxide fuel cell system | |
WO2012032744A1 (en) | Fuel cell system | |
JP6115310B2 (en) | Fuel cell system | |
JP7422007B2 (en) | Solid oxide fuel cell system | |
JP5140361B2 (en) | Fuel cell reformer |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20170619 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20180531 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20180727 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20181120 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20181213 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6453595 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |