JP2016100136A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system which is arranged so that carbon precipitation is suppressed appropriately, and which enables the achievement of a long-term durability in a fuel cell stack, and the achievement of a high power generation efficiency.SOLUTION: A fuel cell system comprises: a first fuel cell stack including a solid oxide electrolyte, a fuel electrode and an air electrode; a second fuel cell stack including a solid oxide electrolyte, a fuel electrode and an air electrode, disposed downstream from the first fuel cell stack, and arranged so that an exhaust gas exhausted from the side of the fuel electrode of the first fuel cell stack is supplied to the fuel electrode thereof; a first reformer disposed upstream of the first fuel cell stack, serving to modify, in quality, a fuel of hydrocarbon, thereby producing a modification gas, and supplying the modification gas to the fuel electrode of the first fuel cell stack; and first fuel-supplying means for supplying the hydrocarbon fuel to the first reformer. The ratio rof a fuel use in second fuel cell stack to a fuel use in the first fuel cell stack satisfies 0.35≤r≤1.0.SELECTED DRAWING: Figure 1

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.

近年、新たなエネルギー源として、燃料電池発電システムに対する注目が大きくなってきている。燃料電池発電システムに備えられる燃料電池としては、様々なタイプが存在するが中でも、固体酸化物を電解質として利用する固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)は、最も発電効率が高い燃料電池であり有望であることが知られている。   In recent years, attention has been focused on fuel cell power generation systems as new energy sources. There are various types of fuel cells provided in the fuel cell power generation system. Among them, a solid oxide fuel cell (SOFC) using a solid oxide as an electrolyte has the highest power generation efficiency. It is known to be a fuel cell and promising.

SOFCとして、固体酸化物電解質、燃料極、および空気極から構成されている単電池を複数備える燃料電池スタックが用いられる。SOFCを用いた発電方法では、例えば、燃料となるメタン(CH)および水蒸気を、SOFC外部の改質器に供給して水蒸気改質を行なうことで生成した水素(H)および一酸化炭素(CO)を、空気極に導入された空気中の酸素が電解質との界面で解離して発生する酸素イオン(O2−)と、電解質と燃料極との界面で電気化学的に反応させる。この電気化学的な反応により、水および二酸化炭素が生成され、そのときに放出された電子によって発電する。SOFCを用いた発電方法では、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーへ直接変換するため、エネルギー変換ロスが小さく、高効率な発電が可能である。 As the SOFC, a fuel cell stack including a plurality of single cells each including a solid oxide electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode is used. In the power generation method using the SOFC, for example, hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide generated by supplying methane (CH 4 ) and steam as fuel to a reformer outside the SOFC and performing steam reforming. (CO) is electrochemically reacted at the interface between the electrolyte and the fuel electrode with oxygen ions (O 2− ) generated by dissociating oxygen in the air introduced into the air electrode at the interface with the electrolyte. By this electrochemical reaction, water and carbon dioxide are generated, and electricity is generated by the electrons emitted at that time. In the power generation method using SOFC, the chemical energy of the fuel is directly converted into electric energy, so that energy conversion loss is small and highly efficient power generation is possible.

例えば、特許文献1には、燃料電池内部で燃料ガスの通気方法をカスケード化(減数多段直列化)し、さらに複数のセル群間において、燃料ガスの流れる方向を制御することで高効率な燃料電池を提供できることが開示されている。   For example, Patent Document 1 discloses a highly efficient fuel by cascading fuel gas ventilation methods inside a fuel cell (decreasing multi-stage serialization) and controlling the flow direction of fuel gas between a plurality of cell groups. It is disclosed that a battery can be provided.

また、特許文献2には、水蒸気改質方式によるSOFCの発電効率向上に適した燃料電池システムが開示されており、具体的には、燃料の一部を改質器に供給し残りの一部を第二セルスタックに供給することで、従来の水蒸気改質方式と比較して改質器に供給する水量を削減し、発電効率を向上させることが可能な燃料電池システムが開示されている。   Patent Document 2 discloses a fuel cell system suitable for improving the power generation efficiency of SOFC by the steam reforming method. Specifically, a part of the fuel is supplied to the reformer and the remaining part of the fuel cell system is disclosed. A fuel cell system is disclosed that can reduce the amount of water supplied to the reformer and improve the power generation efficiency by supplying to the second cell stack as compared with the conventional steam reforming system.

特開2011−210440号公報JP 2011-210440 A 特開2013−258004号公報JP2013-258004A

しかしながら、特許文献1に記載されているようなカスケード型の燃料電池では、より下流側の燃料電池スタック(セル群)に供給される燃料の濃度が低下し、その結果、この燃料電池スタックのセル電圧が低下してしまうおそれがある。燃料電池スタックのセル電圧が低下した場合、電極が酸化しやすくなり、燃料電池スタックの長期耐久性に影響が生じてしまう。
また、複数の燃料電池スタックを備える燃料電池システムでは、上流側の燃料電池スタックと下流側の燃料電池スタックとの燃料消費量の比率によってそれぞれのスタックでの燃料利用率が変化し、発電効率に影響を及ぼす。そのため、高い発電効率を得るためには、上記燃料消費量の比率を規定する必要がある。
However, in the cascade type fuel cell as described in Patent Document 1, the concentration of the fuel supplied to the fuel cell stack (cell group) on the downstream side is lowered, and as a result, the cells of this fuel cell stack There is a risk that the voltage will drop. When the cell voltage of the fuel cell stack is lowered, the electrode is easily oxidized, and the long-term durability of the fuel cell stack is affected.
In addition, in a fuel cell system including a plurality of fuel cell stacks, the fuel utilization rate in each stack varies depending on the ratio of fuel consumption between the upstream fuel cell stack and the downstream fuel cell stack, resulting in power generation efficiency. affect. Therefore, in order to obtain high power generation efficiency, it is necessary to define the ratio of the fuel consumption.

さらに、特許文献2に記載されているような燃料電池システムでは、燃料の一部をバイパス配管から第二セルスタックに追加供給しているため、第二セルスタックに燃料を供給する配管内にて炭素の活量が上昇し、配管内あるいは第二セルスタック内部での炭素析出のリスクが高まるという問題が生じる。   Furthermore, in the fuel cell system as described in Patent Document 2, since a part of the fuel is additionally supplied from the bypass pipe to the second cell stack, the fuel is supplied to the second cell stack within the pipe. There is a problem that the carbon activity increases, and the risk of carbon deposition in the piping or in the second cell stack increases.

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、炭素析出が好適に抑制され、燃料電池スタックの長期耐久性に優れ、かつ高い発電効率が得られる燃料電池システムを提供することである。   The present invention has been made in view of the above problems, and is to provide a fuel cell system in which carbon deposition is suitably suppressed, the fuel cell stack has excellent long-term durability, and high power generation efficiency can be obtained.

上記課題は以下の手段により解決される。
<1> 固体酸化物電解質、燃料極、および空気極を備える第1の燃料電池スタックと、固体酸化物電解質、燃料極、および空気極を備え、前記第1の燃料電池スタックよりも下流に配置されており、前記第1の燃料電池スタックの燃料極側から排出される排出ガスが、燃料極側に供給される第2の燃料電池スタックと、前記第1の燃料電池スタックの上流に配置され、炭化水素燃料を改質して改質ガスを生成し、生成された改質ガスを前記第1の燃料電池スタックの燃料極側に供給する第1の改質器と、前記第1の改質器に炭化水素燃料を供給する第1の燃料供給手段と、を備え、前記第1の燃料電池スタックでの燃料使用量(燃料が電気化学的に酸化される量)に対する前記第2の燃料電池スタックでの燃料使用量の比rは、0.35≦r≦1.0を満たす、燃料電池システム。
The above problem is solved by the following means.
<1> A first fuel cell stack including a solid oxide electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode, and a solid oxide electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode, which are disposed downstream of the first fuel cell stack. The exhaust gas discharged from the fuel electrode side of the first fuel cell stack is disposed upstream of the second fuel cell stack supplied to the fuel electrode side and the first fuel cell stack. Reforming a hydrocarbon fuel to generate a reformed gas, and supplying the generated reformed gas to the fuel electrode side of the first fuel cell stack; and the first reformer. First fuel supply means for supplying hydrocarbon fuel to the gasifier, the second fuel with respect to the amount of fuel used in the first fuel cell stack (amount of fuel that is electrochemically oxidized) the ratio r 1 of the fuel consumption in the cell stack, 0.35 satisfy r 1 ≦ 1.0, the fuel cell system.

上記比rが0.35以上であることにより、第2の燃料電池スタックにおけるセル電圧の値がある程度維持され、第2の燃料電池スタックの電極(燃料極)の酸化が抑制される。そのため、燃料電池スタックの長期耐久性を確保することができる。さらに、上記の燃料電池システムでは、高い発電効率を得ることができる。 When the ratio r 1 is 0.35 or more, the value of the cell voltage in the second fuel cell stack is maintained to some extent, and the oxidation of the electrode (fuel electrode) of the second fuel cell stack is suppressed. Therefore, long-term durability of the fuel cell stack can be ensured. Furthermore, in the fuel cell system described above, high power generation efficiency can be obtained.

上記比rが1.0以下であることにより、第2の燃料電池スタックにおける燃料利用率が高くなりすぎることが抑制される。これにより、燃料電池スタックの長期安定性を維持するとともに、高い発電効率を得ることができる。 When the ratio r 1 is 1.0 or less, the fuel utilization rate in the second fuel cell stack is suppressed from becoming too high. Thereby, while maintaining the long-term stability of a fuel cell stack, high power generation efficiency can be obtained.

第1の燃料電池スタックから排出された排出ガス(水素、一酸化炭素を含む未反応ガス)を反応させることにより、第2の燃料電池スタックにて発電を行っており、第1の燃料電池スタックと第2の燃料電池スタックとの間に炭化水素燃料を追加で供給したりしていない。そのため、燃料電池システム内にて炭素活量の上昇が抑制され、炭素析出が好適に抑制される。   The second fuel cell stack generates power by reacting the exhaust gas discharged from the first fuel cell stack (unreacted gas containing hydrogen and carbon monoxide). The first fuel cell stack No additional hydrocarbon fuel is supplied between the fuel cell stack and the second fuel cell stack. Therefore, an increase in carbon activity is suppressed in the fuel cell system, and carbon deposition is suitably suppressed.

<2> 前記第1の改質器に供給される単位時間当たりの水蒸気の分子数Sと、前記第1の改質器に供給される単位時間当たりの炭化水素燃料の炭素原子数Cとの比であるスチームカーボン比S/Cは、1.6〜3.5である、<1>に記載の燃料電池システム。   <2> The number S of steam molecules per unit time supplied to the first reformer and the number C of hydrocarbon fuel carbon atoms per unit time supplied to the first reformer. The fuel cell system according to <1>, wherein a steam carbon ratio S / C that is a ratio is 1.6 to 3.5.

S/Cが上記数値範囲内にあることにより、炭化水素燃料が効率よく改質され、水素および一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。   When S / C is within the above numerical range, the hydrocarbon fuel is efficiently reformed, and a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide is generated.

<3> 第1の燃料電池スタックおよび第2の燃料電池スタックの合計の燃料利用率は、80%〜95%である、<1>または<2>に記載の燃料電池システム。   <3> The fuel cell system according to <1> or <2>, wherein the total fuel utilization ratio of the first fuel cell stack and the second fuel cell stack is 80% to 95%.

合計の燃料利用率が80%〜95%であることにより、燃料電池システムにて高い発電効率が得られる。   When the total fuel utilization is 80% to 95%, high power generation efficiency can be obtained in the fuel cell system.

<4> 前記比rは、0.35≦r≦0.6を満たす、<1>〜<3>のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 <4> The fuel cell system according to any one of <1> to <3>, wherein the ratio r 1 satisfies 0.35 ≦ r 1 ≦ 0.6.

上記比rが0.35以上0.6以下であることにより、第1の燃料電池スタックおよび第2の燃料電池スタックのそれぞれの燃料利用率が高くなりすぎることなく、系全体の高燃料利用率を達成することができるため、燃料電池システムにて、より高い発電効率を得ることができる。 When the ratio r 1 is not less than 0.35 and not more than 0.6, the high fuel utilization of the entire system without the fuel utilization rates of the first fuel cell stack and the second fuel cell stack being excessively high. Since the rate can be achieved, higher power generation efficiency can be obtained in the fuel cell system.

<5>固体酸化物電解質、燃料極、および空気極を備え、前記第1の改質器よりも上流に配置されており、燃料極側から排出される、水蒸気を含む排出ガスを、前記第1の改質器に供給する第3の燃料電池スタックをさらに備え、前記第1の燃料電池スタックでの燃料使用量に対する前記第3の燃料電池スタックでの燃料使用量の比rは、0.1≦r≦0.8を満たす、<1>〜<4>のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 <5> A solid oxide electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode, disposed upstream of the first reformer, and exhaust gas containing water vapor discharged from the fuel electrode side, A third fuel cell stack to be supplied to one reformer, and a ratio r 2 of a fuel usage in the third fuel cell stack to a fuel usage in the first fuel cell stack is 0 . The fuel cell system according to any one of <1> to <4>, wherein 1 ≦ r 2 ≦ 0.8 is satisfied.

上記比rが0.1以上であることにより、上記燃料電池システムにおいて、高い発電効率が得られる。 When the ratio r 2 is 0.1 or more, high power generation efficiency can be obtained in the fuel cell system.

上記比rが0.8以下であることにより、第3の燃料電池スタックにおける燃料利用率の上昇が抑制され、第1の燃料電池スタックに供給される前に消費される燃料の量を抑制することができる。その結果、第3の燃料電池スタックの燃料利用率の上昇と第1の燃料電池スタック入口の閉回路電圧(OCVAi)の低下とを同時に抑制でき、燃料電池スタックの長期耐久性に優れた燃料電池システムを提供することができる。 When the ratio r 2 is 0.8 or less, an increase in the fuel utilization rate in the third fuel cell stack is suppressed, and the amount of fuel consumed before being supplied to the first fuel cell stack is suppressed. can do. As a result, an increase in the fuel utilization rate of the third fuel cell stack and a decrease in the closed circuit voltage (OCVAi) at the inlet of the first fuel cell stack can be suppressed at the same time, and the fuel cell with excellent long-term durability of the fuel cell stack A system can be provided.

<6> 前記第3の燃料電池スタックの上流に配置され、炭化水素燃料を改質して改質ガスを生成し、生成された改質ガスを前記第3の燃料電池スタックの燃料極側に供給する第2の改質器と、前記第2の改質器に炭化水素燃料を供給する第2の燃料供給手段と、をさらに備える、<5>に記載の燃料電池システム。   <6> Arranged upstream of the third fuel cell stack, reforming hydrocarbon fuel to generate reformed gas, and generating the reformed gas on the fuel electrode side of the third fuel cell stack The fuel cell system according to <5>, further comprising: a second reformer to be supplied; and second fuel supply means for supplying hydrocarbon fuel to the second reformer.

上記構成によれば、第2の改質器にて炭化水素燃料を改質することで水素および一酸化炭素を含む改質ガスが生成され、その改質ガスが第3の燃料電池スタックに供給されて発電が行なわれる。   According to the above configuration, the reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide is generated by reforming the hydrocarbon fuel in the second reformer, and the reformed gas is supplied to the third fuel cell stack. Then, power generation is performed.

<7> 前記第2の改質器に供給される単位時間当たりの水蒸気の分子数Sと、前記第2の改質器に供給される単位時間当たりの炭化水素燃料の炭素原子数Cとの比であるスチームカーボン比S/Cは、1.6〜3.5である、<6>に記載の燃料電池システム。   <7> A number S of water vapor molecules per unit time supplied to the second reformer and a number C of hydrocarbon fuel carbon atoms per unit time supplied to the second reformer. The fuel cell system according to <6>, wherein the steam carbon ratio S / C, which is the ratio, is 1.6 to 3.5.

S/Cが上記数値範囲内にあることにより、炭化水素燃料が効率よく改質され、水素および一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。   When S / C is within the above numerical range, the hydrocarbon fuel is efficiently reformed, and a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide is generated.

<8> 前記比rは、0.35≦r≦0.8を満たす、<5>〜<7>のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 <8> The fuel cell system according to any one of <5> to <7>, wherein the ratio r 2 satisfies 0.35 ≦ r 2 ≦ 0.8.

比rが0.4以上であることにより、発電効率の高い燃料電池システムを提供することが可能である。また、比rが0.8以下であることにより、燃料電池スタックの長期耐久性に優れた燃料電池システムを提供することができる。 When the ratio r 2 is 0.4 or more, it is possible to provide a fuel cell system with high power generation efficiency. Further, when the ratio r 2 is 0.8 or less, it is possible to provide a fuel cell system with excellent long-term durability of the fuel cell stack.

<9> 前記比rは0.4≦r≦0.7を満たし、かつ、前記第1の改質器に供給される炭化水素燃料の流量と、前記第2の改質器に供給される炭化水素燃料の流量との比rは0.6≦r≦0.9を満たす、<6>または<7>に記載の燃料電池システム。
<10> 前記比rは0.5≦r≦0.6を満たし、かつ、前記第1の改質器に供給される炭化水素燃料の流量と、前記第2の改質器に供給される炭化水素燃料の流量との比rは0.5≦r≦1.2を満たす、<6>または<7>に記載の燃料電池システム。
<9> The ratio r 2 satisfies 0.4 ≦ r 2 ≦ 0.7, and the flow rate of the hydrocarbon fuel supplied to the first reformer and the second reformer are supplied. The fuel cell system according to <6> or <7>, wherein a ratio r 3 to a flow rate of the hydrocarbon fuel to be satisfied satisfies 0.6 ≦ r 3 ≦ 0.9.
<10> The ratio r 2 satisfies 0.5 ≦ r 2 ≦ 0.6, and the flow rate of the hydrocarbon fuel supplied to the first reformer and the second reformer are supplied. The fuel cell system according to <6> or <7>, wherein a ratio r 3 to a flow rate of the hydrocarbon fuel to be satisfied satisfies 0.5 ≦ r 3 ≦ 1.2.

これらの構成によれば、燃料電池スタックの長期耐久性に優れ、かつ発電効率の高い燃料電池システムを提供することができる。   According to these configurations, it is possible to provide a fuel cell system with excellent long-term durability of the fuel cell stack and high power generation efficiency.

本発明によれば、炭素析出が好適に抑制され、燃料電池スタックの長期耐久性に優れ、かつ高い発電効率が得られ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, it is possible to provide a fuel cell system in which carbon deposition is suitably suppressed, the fuel cell stack has excellent long-term durability, and high power generation efficiency can be obtained.

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図であり、(a)は、燃料電池システムの全体構成を示す図であり、(b)は、燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックが積層されていることを示す図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, (a) is a diagram showing an overall configuration of the fuel cell system, and (b) is a fuel cell stack in a fuel cell system. It is a figure which shows having been laminated | stacked. 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムが備える燃料電池スタックを示す概略分解斜視図である。1 is a schematic exploded perspective view showing a fuel cell stack included in a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 本実施形態において、rを変化させたときの燃料電池システムの発電効率を示すグラフである。In the present embodiment, it is a graph showing the power generation efficiency of the fuel cell system when changing the r 1. 本実施形態において、(a)は、rを変化させたときの第1の燃料電池スタックおよび第2の燃料電池スタックの燃料利用率を示すグラフであり、(b)は、rを変化させたときの第1の燃料電池スタックおよび第2の燃料電池スタックのセル電圧を示すグラフである。In the present embodiment, (a) is a graph showing a fuel utilization rate of the first fuel cell stack and the second fuel cell stack at the time of changing the r 1, (b) is changed r 1 It is a graph which shows the cell voltage of the 1st fuel cell stack and the 2nd fuel cell stack when it was made to do. 本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図であり、(a)は、燃料電池システムの全体構成を示す図であり、(b)は、燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックが積層されていることを示す図である。FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell system according to another embodiment of the present invention, (a) is a diagram showing an overall configuration of the fuel cell system, and (b) is a fuel cell stack in the fuel cell system. It is a figure which shows that is laminated | stacked.

本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。   In the present specification, a numerical range expressed using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.

以下、図1を参照しながら、本発明の一例である実施形態について説明する。図1は、本実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図であり、(a)は、燃料電池システムの全体構成を示す図であり、(b)は、燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックが積層されていることを示す図である。   Hereinafter, an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell system according to this embodiment, (a) is a diagram showing an overall configuration of the fuel cell system, and (b) is a fuel cell stack in the fuel cell system. It is a figure which shows that is laminated | stacked.

〔燃料電池システム100〕
本発明の一実施形態に係る燃料電池システム100は、固体酸化物電解質、燃料極、および空気極を備える第1の燃料電池スタック5と、固体酸化物電解質、燃料極、および空気極を備え、第1の燃料電池スタック5よりも下流に配置されており、第1の燃料電池スタック5の燃料極側から排出される排出ガスが、燃料極側に供給される第2の燃料電池スタック7と、第1の燃料電池スタック5の上流に配置され、炭化水素燃料を改質して改質ガスを生成し、生成された改質ガスを第1の燃料電池スタック5の燃料極側に供給する第1の改質器3と、第1の改質器3に炭化水素燃料を供給する第1の燃料供給手段と、を備え、第1の燃料電池スタック5での燃料使用量(燃料が電気化学的に酸化される量)に対する第2の燃料電池スタック7での燃料使用量の比rは、0.35≦r≦1.0を満たす。
[Fuel cell system 100]
A fuel cell system 100 according to an embodiment of the present invention includes a first fuel cell stack 5 including a solid oxide electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode; a solid oxide electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode; The second fuel cell stack 7 is disposed downstream of the first fuel cell stack 5 and exhaust gas discharged from the fuel electrode side of the first fuel cell stack 5 is supplied to the fuel electrode side. , Disposed upstream of the first fuel cell stack 5, reforming the hydrocarbon fuel to generate a reformed gas, and supplying the generated reformed gas to the fuel electrode side of the first fuel cell stack 5. The first reformer 3 and first fuel supply means for supplying hydrocarbon fuel to the first reformer 3, and the amount of fuel used in the first fuel cell stack 5 (the fuel is electric Second fuel cell stack 7 against the amount of chemically oxidized) The ratio r 1 of the fuel consumption satisfies 0.35 ≦ r 1 ≦ 1.0.

燃料電池システム100は、図1(b)に示すとおり、第1の燃料電池スタック5および第2の燃料電池スタック7が積層され、電気的に直列接続された2段構成の燃料電池システムである。電気的に直列接続することで燃料電池システム100の構造が簡素化され、システムの低コスト化を図ることができる。そして、第1の燃料電池スタック5での燃料使用量に対する第2の燃料電池スタック7での燃料使用量の比rは、0.35≦r≦1.0を満たしている。 As shown in FIG. 1B, the fuel cell system 100 is a two-stage fuel cell system in which a first fuel cell stack 5 and a second fuel cell stack 7 are stacked and electrically connected in series. . By electrically connecting in series, the structure of the fuel cell system 100 is simplified, and the cost of the system can be reduced. The ratio r 1 of the fuel usage amount in the second fuel cell stack 7 to the fuel usage amount in the first fuel cell stack 5 satisfies 0.35 ≦ r 1 ≦ 1.0.

上記比rが0.35以上であることにより、第2の燃料電池スタック7におけるセル電圧の値がある程度維持され、第2の燃料電池スタック7の電極(燃料極)の酸化が抑制される。そのため、燃料電池スタックの長期耐久性を確保することができる。さらに、上記の燃料電池システム100では、高い発電効率を得ることができる。 When the ratio r 1 is 0.35 or more, the value of the cell voltage in the second fuel cell stack 7 is maintained to some extent, and the oxidation of the electrode (fuel electrode) of the second fuel cell stack 7 is suppressed. . Therefore, long-term durability of the fuel cell stack can be ensured. Furthermore, in the fuel cell system 100 described above, high power generation efficiency can be obtained.

上記比rが1.0以下であることにより、第2の燃料電池スタック7における燃料利用率が高くなりすぎることを抑制できる。これにより、燃料電池スタックの長期安定性を維持することができる。 When the ratio r 1 is 1.0 or less, it is possible to suppress the fuel utilization rate in the second fuel cell stack 7 from becoming too high. Thereby, the long-term stability of the fuel cell stack can be maintained.

第1の燃料電池スタック5の燃料極側から排出された排出ガス(水素および一酸化炭素を含む未反応ガス)が、排出ガス供給管6を介して第2の燃料電池スタック7の燃料極側に供給される。供給されたガスを反応させることにより、第2の燃料電池スタック7にて発電を行っており、第1の燃料電池スタック5と第2の燃料電池スタック7との間に炭化水素燃料を追加で供給したりしていない。そのため、燃料電池システム100内(例えば、排出ガス供給管6の内部、あるいは第2の燃料電池スタック7の内部)にて炭素活量の上昇が抑制され、炭素析出が好適に抑制される。   Exhaust gas (unreacted gas containing hydrogen and carbon monoxide) discharged from the fuel electrode side of the first fuel cell stack 5 passes through the exhaust gas supply pipe 6 to the fuel electrode side of the second fuel cell stack 7. To be supplied. Electric power is generated in the second fuel cell stack 7 by reacting the supplied gas, and additional hydrocarbon fuel is added between the first fuel cell stack 5 and the second fuel cell stack 7. We do not supply. Therefore, an increase in carbon activity is suppressed in the fuel cell system 100 (for example, inside the exhaust gas supply pipe 6 or inside the second fuel cell stack 7), and carbon deposition is suitably suppressed.

第1の燃料電池スタック5での燃料使用量に対する第2の燃料電池スタック7での燃料使用量の比rが0.35≦r≦1.0を満たすようにするためには、単電池(セル)電極面積当たりの電流密度が第1の燃料電池スタック5と第2の燃料電池スタック7とで等しい場合、第1の燃料電池スタック5の有効電極面積に対する第2の燃料電池スタック7の有効電極面積の比、または、第1の燃料電池スタック5のセル積層数に対する第2の燃料電池スタック7のセル積層数の比が、rに対応するため、この値を0.35以上1.0以下に調整すればよい。
ここで、第1の燃料電池スタック5の有効電極面積に対する第2の燃料電池スタック7の有効電極面積の比とは、各燃料電池スタックの積層セルの各セル電極面積をそれぞれ合計したときの面積比を意味している。また、第1の燃料電池スタック5のセル積層数に対する第2の燃料電池スタック7のセル積層数の比については、各燃料電池スタックのセルの面積が等しいことを前提としている。
In order for the ratio r 1 of the fuel usage in the second fuel cell stack 7 to the fuel usage in the first fuel cell stack 5 to satisfy 0.35 ≦ r 1 ≦ 1.0, simply When the current density per battery (cell) electrode area is equal between the first fuel cell stack 5 and the second fuel cell stack 7, the second fuel cell stack 7 with respect to the effective electrode area of the first fuel cell stack 5. The ratio of the effective electrode area or the ratio of the number of stacked cells of the second fuel cell stack 7 to the number of stacked cells of the first fuel cell stack 5 corresponds to r 1. What is necessary is just to adjust to 1.0 or less.
Here, the ratio of the effective electrode area of the second fuel cell stack 7 to the effective electrode area of the first fuel cell stack 5 is the area when the cell electrode areas of the stacked cells of each fuel cell stack are summed. It means ratio. The ratio of the number of stacked cells in the second fuel cell stack 7 to the number of stacked cells in the first fuel cell stack 5 is based on the assumption that the cell areas of each fuel cell stack are equal.

上記rは、0.35≦r≦1.0を満たせばよいが、中でも0.35≦r≦0.6を満たすことが好ましく、0.4≦r≦0.6を満たすことがより好ましい。比rが0.35以上0.6以下であることにより、第1の燃料電池スタック5および第2の燃料電池スタック7のそれぞれの燃料利用率が高くなりすぎることなく、系全体の高燃料利用率を達成することができるため、燃料電池システムにて、より高い発電効率を得ることができる。 The r 1 may satisfy 0.35 ≦ r 1 ≦ 1.0, but preferably satisfies 0.35 ≦ r 1 ≦ 0.6, and satisfies 0.4 ≦ r 1 ≦ 0.6. It is more preferable. By the ratio r 1 is 0.35 or more and 0.6 or less, without the respective fuel utilization too high of the first fuel cell stack 5 and the second fuel cell stack 7, a high fuel of the entire system Since the utilization rate can be achieved, higher power generation efficiency can be obtained in the fuel cell system.

本実施形態に係る燃料電池システム100で用いる炭化水素燃料は、第1の改質器3にて改質されるガスである。炭化水素燃料としては、天然ガス、LPG(液化石油ガス)、石炭改質ガスや、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数4以下の低級炭化水素が挙げられ、メタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよく、上述した低級炭化水素ガスを含む天然ガス、都市ガス、LPガス等のガスであってもよい。   The hydrocarbon fuel used in the fuel cell system 100 according to the present embodiment is a gas that is reformed by the first reformer 3. Examples of the hydrocarbon fuel include natural gas, LPG (liquefied petroleum gas), coal reformed gas, and lower hydrocarbon gas. Examples of the lower hydrocarbon gas include lower hydrocarbons having 4 or less carbon atoms such as methane, ethane, ethylene, propane, and butane, and methane is preferable. The hydrocarbon fuel may be a mixture of the above-described lower hydrocarbon gas, or a gas such as natural gas, city gas, or LP gas containing the above-described lower hydrocarbon gas.

炭化水素燃料を改質器(第1の改質器、第2の改質器)にて改質する場合、改質方法としては、水蒸気改質、CO改質(ドライ改質)などが挙げられる。以下の燃料電池システム100では、改質方法として水蒸気改質を採用した場合について説明するが、本発明はこれに限定されない。 When reforming hydrocarbon fuel with a reformer (first reformer, second reformer), reforming methods include steam reforming, CO 2 reforming (dry reforming), and the like. Can be mentioned. In the following fuel cell system 100, a case where steam reforming is adopted as a reforming method will be described, but the present invention is not limited to this.

炭化水素燃料は、炭化水素燃料供給管2を介して第1の燃料供給源(図示せず)から第1の改質器3に供給される。また、炭化水素燃料の水蒸気改質に用いる改質水は、改質水供給管1を介して改質水供給源(図示せず)から第1の改質器3に供給される。なお、第1の燃料供給手段は、炭化水素燃料供給管2および第1の燃料供給源を備え、炭化水素燃料供給管2は第1の燃料供給手段の一部を構成している。   The hydrocarbon fuel is supplied from the first fuel supply source (not shown) to the first reformer 3 through the hydrocarbon fuel supply pipe 2. Further, the reforming water used for the steam reforming of the hydrocarbon fuel is supplied from the reforming water supply source (not shown) to the first reformer 3 through the reforming water supply pipe 1. The first fuel supply means includes a hydrocarbon fuel supply pipe 2 and a first fuel supply source, and the hydrocarbon fuel supply pipe 2 constitutes a part of the first fuel supply means.

第1の改質器3は、供給された炭化水素燃料を水蒸気改質することによって、一酸化炭素および水素を含む改質ガスを生成するためのものである。また、第1の改質器3は、第1の燃料電池スタック5の上流に配置され、改質水供給管1および炭化水素燃料供給管2と接続している。   The first reformer 3 is for generating reformed gas containing carbon monoxide and hydrogen by steam reforming the supplied hydrocarbon fuel. The first reformer 3 is disposed upstream of the first fuel cell stack 5 and is connected to the reformed water supply pipe 1 and the hydrocarbon fuel supply pipe 2.

第1の改質器3は、例えば、バーナあるいは燃焼触媒を配置した燃焼部と改質用触媒を備える改質部とにより構成される。改質部には、例えばアルミナ等の担体にNi、Ru等の金属を担持した改質用触媒が設けられている。   The first reformer 3 includes, for example, a combustion section in which a burner or a combustion catalyst is disposed and a reforming section that includes a reforming catalyst. The reforming section is provided with a reforming catalyst in which a metal such as Ni or Ru is supported on a carrier such as alumina.

改質部で起こる水蒸気改質は大きな吸熱を伴うので、反応の進行のためには外部から熱の供給が必要であり、そのため、燃焼部で発生する燃焼熱により改質部を加熱することが好ましい。あるいは、各燃料電池スタックから放出される熱を用いて加熱してもよい。   The steam reforming that occurs in the reforming part involves a large endotherm, so that it is necessary to supply heat from the outside for the progress of the reaction, and therefore, the reforming part can be heated by the combustion heat generated in the combustion part. preferable. Or you may heat using the heat discharge | released from each fuel cell stack.

炭化水素燃料の一例であるメタンを水蒸気改質させた場合、第1の改質器3の内部において、以下の式(a)の反応により一酸化炭素および水素が生成され、以下の式(b)の反応により二酸化炭素および水素が生成される。   When methane, which is an example of a hydrocarbon fuel, is steam reformed, carbon monoxide and hydrogen are generated in the first reformer 3 by the reaction of the following formula (a), and the following formula (b ) To generate carbon dioxide and hydrogen.

CH+HO→CO+3H・・・・(a)
CO+HO→CO+H・・・・(b)
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 ... (A)
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 ... (B)

第1の改質器3に供給される単位時間当たりの水蒸気の分子数Sと、第1の改質器3に供給される単位時間当たりの炭化水素燃料の炭素原子数Cとの比であるスチームカーボン比S/Cは、1.6〜3.5であることが好ましく、2.0〜3.5であることがより好ましく、2.5〜3.0であることがさらに好ましい。スチームカーボン比S/Cがこの範囲にあることにより、炭化水素燃料が効率よく水蒸気改質され、水素および一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。さらに、燃料電池システム100内での炭素析出を抑制することができる。   It is a ratio between the number S of water vapor molecules per unit time supplied to the first reformer 3 and the number C of carbon atoms of hydrocarbon fuel per unit time supplied to the first reformer 3. The steam carbon ratio S / C is preferably 1.6 to 3.5, more preferably 2.0 to 3.5, and still more preferably 2.5 to 3.0. When the steam carbon ratio S / C is within this range, the hydrocarbon fuel is efficiently steam reformed, and a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide is generated. Furthermore, carbon deposition in the fuel cell system 100 can be suppressed.

第1の改質器3で生成された改質ガスは、第1の改質器3と第1の燃料電池スタック5とを連通する改質ガス供給管4を介して、第1の燃料電池スタック5の燃料極側に供給される。   The reformed gas generated by the first reformer 3 is supplied to the first fuel cell via the reformed gas supply pipe 4 that communicates the first reformer 3 and the first fuel cell stack 5. It is supplied to the fuel electrode side of the stack 5.

第1の燃料電池スタック5は、固体酸化物電解質、燃料極、および空気極を備え、燃料極側にて、改質ガス供給管4および排出ガス供給管6と接続している。第1の燃料電池スタック5は、改質ガス供給管4から燃料極側に供給された改質ガスと、空気極側に供給された酸素に由来する酸素イオンと、を電気化学的に反応させて発電を行なう。反応後の改質ガスおよび未反応の改質ガスは、排出ガスとして排出ガス供給管6に排出される。なお、燃料電池スタックの構成、固体酸化物電解質、燃料極、および空気極の具体的な構成については、後に説明する。   The first fuel cell stack 5 includes a solid oxide electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode, and is connected to the reformed gas supply pipe 4 and the exhaust gas supply pipe 6 on the fuel electrode side. The first fuel cell stack 5 electrochemically reacts the reformed gas supplied from the reformed gas supply pipe 4 to the fuel electrode side and oxygen ions derived from oxygen supplied to the air electrode side. To generate electricity. The reformed gas after the reaction and the unreacted reformed gas are discharged to the exhaust gas supply pipe 6 as exhaust gas. The specific configuration of the fuel cell stack, the solid oxide electrolyte, the fuel electrode, and the air electrode will be described later.

排出ガスは、第1の燃料電池スタック5の燃料極側から排出され、排出ガス供給管6を介して第2の燃料電池スタック7の燃料極側に供給される。   The exhaust gas is discharged from the fuel electrode side of the first fuel cell stack 5 and supplied to the fuel electrode side of the second fuel cell stack 7 through the exhaust gas supply pipe 6.

第2の燃料電池スタック7は、固体酸化物電解質、燃料極、および空気極を備え、第1の燃料電池スタック5よりも下流に配置されており、燃料極側にて排出ガス供給管6と接続している。第2の燃料電池スタック7は、排出ガス供給管6から燃料極側に供給された排出ガスと、空気極側に供給された酸素に由来する酸素イオンと、を電気化学的に反応させて発電を行なう。反応後の排出ガスは、第2の燃料電池スタック7外に排気してもよい。   The second fuel cell stack 7 includes a solid oxide electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode, and is disposed downstream of the first fuel cell stack 5. Connected. The second fuel cell stack 7 generates electricity by electrochemically reacting the exhaust gas supplied from the exhaust gas supply pipe 6 to the fuel electrode side and the oxygen ions derived from oxygen supplied to the air electrode side. To do. The exhaust gas after the reaction may be exhausted outside the second fuel cell stack 7.

以下、第1の燃料電池スタック5の構造について、図2を用いて説明する。図2は、本実施形態に係る燃料電池システム100が備える第1の燃料電池スタック5を示す概略分解斜視図である。第1の燃料電池スタック5は、固体酸化物電解質202、燃料極204、および空気極206を有する単電池208を複数備えている。また、図2では、第1の燃料電池スタック5は、単電池を2つ備えているが、この構成に限定されない。つまり、本発明で用いる燃料電池スタックは、複数(n個;nは、n≧2を満たす整数)の単電池を備えていてもよい。なお、第2の燃料電池スタック7の構造についても第1の燃料電池スタック5と同様であるため、その説明は省略する。   Hereinafter, the structure of the first fuel cell stack 5 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic exploded perspective view showing the first fuel cell stack 5 provided in the fuel cell system 100 according to the present embodiment. The first fuel cell stack 5 includes a plurality of unit cells 208 each having a solid oxide electrolyte 202, a fuel electrode 204, and an air electrode 206. In FIG. 2, the first fuel cell stack 5 includes two unit cells, but is not limited to this configuration. That is, the fuel cell stack used in the present invention may include a plurality (n; n is an integer satisfying n ≧ 2). Note that the structure of the second fuel cell stack 7 is the same as that of the first fuel cell stack 5, and therefore the description thereof is omitted.

第1の燃料電池スタック5は、複数の単電池208を有するスタック本体と共に、第1の燃料電池スタック5内部において、各単電池208の燃料極204と改質ガス供給管4(図示せず)とが接続しており、各単電池208の燃料極204と排出ガス供給管6(図示せず)とが接続している。また、第1の燃料電池スタック5では、各単電池208の空気極と酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給管(図示せず)とが接続しており、空気極側の排気ガスを排出する排出口(図示せず)が設けられている。   The first fuel cell stack 5 has a stack body having a plurality of unit cells 208 and the fuel electrode 204 and the reformed gas supply pipe 4 (not shown) of each unit cell 208 in the first fuel cell stack 5. Are connected, and the fuel electrode 204 of each unit cell 208 and the exhaust gas supply pipe 6 (not shown) are connected. Further, in the first fuel cell stack 5, the air electrode of each unit cell 208 and an oxidant gas supply pipe (not shown) for supplying oxidant gas are connected, and the exhaust gas on the air electrode side is connected. Is provided with a discharge port (not shown).

第1の燃料電池スタック5の単電池208は、図2に示すように、層状の固体酸化物電解質202と、層状の固体酸化物電解質202の一方の面に接合された層状の燃料極204と、層状の固体酸化物電解質202の一方の面に接合された層状の空気極206と、の積層体で構成されている。そして、複数の単電池208は、インターコネクタ210を介して積層されている。つまり、複数の単電池208は、各々、一対のインターコネクタ210により挟まれた構造を有している。なお、図示しないが、各単電池208とインターコネクタ210とは外周縁部においてガスシール体を挟持した状態となっている。   As shown in FIG. 2, the unit cell 208 of the first fuel cell stack 5 includes a layered solid oxide electrolyte 202 and a layered fuel electrode 204 joined to one surface of the layered solid oxide electrolyte 202. , And a layered air electrode 206 joined to one surface of the layered solid oxide electrolyte 202. The plurality of single cells 208 are stacked via the interconnector 210. That is, each of the plurality of single cells 208 has a structure sandwiched between a pair of interconnectors 210. In addition, although not shown in figure, each cell 208 and the interconnector 210 are in the state which clamped the gas seal body in the outer periphery part.

固体酸化物電解質202は、例えば、酸化物イオン電導性の固体酸化物の緻密体で構成されている。固体酸化物としては、例えば、安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア等が挙げられる。安定化ジルコニアの具体例としては、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)等が挙げられる。部分安定化ジルコニアの具体例としては、イットリア部分安定化ジルコニア(YSZ)、スカンジア部分安定化ジルコニア(ScSZ)等が挙げられる。また、固体酸化物としては、例えば、Sm、Gd等がドープされたセリア系酸化物;LaGaOを母体とし、LaとGaとの一部をそれぞれSrおよびMgで置換したLa0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2(3−δ)等のペロブスカイト型酸化物;なども挙げられる。 The solid oxide electrolyte 202 is made of, for example, a dense oxide oxide conductive solid oxide. Examples of the solid oxide include stabilized zirconia and partially stabilized zirconia. Specific examples of the stabilized zirconia include yttria stabilized zirconia (YSZ), scandia stabilized zirconia (ScSZ), and the like. Specific examples of the partially stabilized zirconia include yttria partially stabilized zirconia (YSZ), scandia partially stabilized zirconia (ScSZ), and the like. In addition, as the solid oxide, for example, ceria-based oxide doped with Sm, Gd, etc .; La 0.8 Sr 0 in which LaGaO 3 is used as a base and a part of La and Ga are respectively replaced by Sr and Mg. .2 Perovskite oxides such as Ga 0.8 Mg 0.2 O (3-δ) ;

燃料極204は、アノードである。燃料極204では、酸素イオンと改質ガスの燃料とが反応して電子を放出する。燃料極204は、例えば、多孔質で、イオン伝導性が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質202等と固体間反応を起こしにくいものであることが好ましい。燃料極204は、例えば、Ni、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)・ニッケル金属の多孔質サーメット、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)・ニッケル金属の多孔質サーメット等により構成されることが好ましい。燃料極204は、上記材料の2種以上を混合した混合材料により構成されていてもよい。   The fuel electrode 204 is an anode. In the fuel electrode 204, oxygen ions and the reformed gas fuel react to emit electrons. The fuel electrode 204 is preferably, for example, porous, has high ion conductivity, and does not easily cause a solid-solid reaction with the solid oxide electrolyte 202 or the like at a high temperature. The fuel electrode 204 is preferably made of, for example, Ni, yttria stabilized zirconia (YSZ) / nickel metal porous cermet, scandia stabilized zirconia (ScSZ) / nickel metal porous cermet, and the like. The fuel electrode 204 may be made of a mixed material obtained by mixing two or more of the above materials.

空気極206は、カソードである。空気極206では、酸化剤ガスの酸素が電子を取り込んで、酸素イオンが形成される。空気極206は、例えば、多孔質で、電子伝導率が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質202等と固体間反応を起こしにくいものであることが好ましい。空気極206は、例えば、PrCoO系酸化物、LaFeO系酸化物、LaCoO系酸化物、LaMnO系酸化物等により構成されることが好ましい。LaMnO系酸化物の具体例としては、例えば、La0.8Sr0.2MnO(LSM)、La0.6Ca0.4MnO(LCM)等が挙げられる。LaCoO系酸化物としては、La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2(LSCF)等が挙げられる。空気極206は、上記材料の2種以上を混合した混合材料で構成されてもよい。 The air electrode 206 is a cathode. At the air electrode 206, oxygen in the oxidant gas takes in electrons and oxygen ions are formed. The air electrode 206 is preferably, for example, porous, has high electron conductivity, and does not easily cause a solid-solid reaction with the solid oxide electrolyte 202 or the like at a high temperature. The air electrode 206 is preferably composed of, for example, a PrCoO 3 oxide, a LaFeO 3 oxide, a LaCoO 3 oxide, a LaMnO 3 oxide, or the like. Specific examples of LaMnO 3 -based oxides include La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 (LSM), La 0.6 Ca 0.4 MnO 3 (LCM), and the like. Examples of the LaCoO 3 oxide include La 0.6 Sr 0.4 Fe 0.8 Co 0.2 O 3 (LSCF). The air electrode 206 may be composed of a mixed material obtained by mixing two or more of the above materials.

インターコネクタ210には、燃料極204又は空気極206に対して電子の授受を行うため、電子伝導性の部材で構成されている。そして、インターコネクタ210は、燃料極204と対向する側の面側に改質ガスを供給するための改質ガス流路形成溝210Aと、空気極206と対向する面側に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路形成溝210Bと、が形成されている。改質ガス流路形成溝210Aと酸化剤ガス流路形成溝210Bとは、例えば、互いに交差する方向に沿って形成されている。改質ガス流路形成溝210Aは、インターコネクタ210が燃料極204に密着配置することで、燃料極204に改質ガスを供給するための改質ガス流路として機能する。一方、酸化剤ガス流路形成溝210Bは、インターコネクタ210が空気極206に密着配置することで、空気極206に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路として機能する。   The interconnector 210 is composed of an electron conductive member in order to exchange electrons with the fuel electrode 204 or the air electrode 206. The interconnector 210 supplies the reformed gas flow path forming groove 210A for supplying the reformed gas to the surface facing the fuel electrode 204 and the oxidant gas to the surface facing the air electrode 206. An oxidant gas flow path forming groove 210B is formed. The reformed gas flow path forming groove 210A and the oxidant gas flow path forming groove 210B are formed, for example, along directions intersecting each other. The reformed gas channel forming groove 210 </ b> A functions as a reformed gas channel for supplying the reformed gas to the fuel electrode 204 when the interconnector 210 is disposed in close contact with the fuel electrode 204. On the other hand, the oxidant gas flow path forming groove 210 </ b> B functions as an oxidant gas flow path for supplying an oxidant gas to the air electrode 206 when the interconnector 210 is disposed in close contact with the air electrode 206.

インターコネクタ210の構成材料は、特に限定されない。インターコネクタ210は、一般的には合金を用いる。例えば、SUS310S、ZMG232(日立金属株式会社製)が挙げられる。インターコネクタ210の構成材料としては、電子伝導性を持つ酸化物でもよく、具体的には、LaCrO系酸化物の緻密体でもよい。 The constituent material of the interconnector 210 is not particularly limited. The interconnector 210 generally uses an alloy. For example, SUS310S and ZMG232 (made by Hitachi Metals, Ltd.) are mentioned. The constituent material of the interconnector 210 may be an oxide having electronic conductivity, specifically, a dense body of LaCrO 3 oxide.

次に、単電池208で起こる電気化学反応について説明する。まず、単電池208の空気極206には、酸素を含む酸化剤ガスが供給されることにより、以下の式(c)に示す反応が起こり、その際、酸素イオンが固体酸化物電解質202の内部を移動する。   Next, an electrochemical reaction that occurs in the unit cell 208 will be described. First, an oxygen-containing oxidant gas is supplied to the air electrode 206 of the unit cell 208 to cause a reaction represented by the following formula (c). At this time, oxygen ions are exchanged inside the solid oxide electrolyte 202. To move.

+4e→2O2−・・・・(c) O 2 + 4e → 2O 2− (c)

また、燃料極204には、一酸化炭素および水素を含む改質ガスが供給され、固体酸化物電解質202の内部を移動する酸素イオンから燃料極204と固体酸化物電解質202との界面にて電子を受け取ることにより、以下の式(d)に示す反応が起こる。   Further, the reformed gas containing carbon monoxide and hydrogen is supplied to the fuel electrode 204, and electrons are transferred from the oxygen ions moving inside the solid oxide electrolyte 202 at the interface between the fuel electrode 204 and the solid oxide electrolyte 202. Is received, the reaction shown in the following formula (d) occurs.

CO+3H+4O2−→CO+3HO+8e・・・・(d) CO + 3H 2 + 4O 2− → CO 2 + 3H 2 O + 8e (d)

上記式(d)に示すような、単電池での改質ガスの電気化学的な反応により、主に水蒸気および二酸化炭素が生成され、発電が行なわれる。   By the electrochemical reaction of the reformed gas in the unit cell as shown in the above formula (d), water vapor and carbon dioxide are mainly generated, and electric power is generated.

第1の燃料電池スタック5にて使用されなかった一酸化炭素および水素は、第1の燃料電池スタック5の燃料極側から排出され、排出ガス供給管6を介して、第2の燃料電池スタック7の燃料極側に直接供給されて発電に使用される。そして、前述したように、第1の燃料電池スタック5と第2の燃料電池スタック7との間に炭化水素燃料を追加で供給したりしていないため、燃料電池システム100内にて炭素活量の上昇が抑制され、炭素析出が好適に抑制される。   Carbon monoxide and hydrogen that are not used in the first fuel cell stack 5 are discharged from the fuel electrode side of the first fuel cell stack 5, and the second fuel cell stack is connected via the exhaust gas supply pipe 6. 7 is supplied directly to the fuel electrode side and used for power generation. As described above, since no additional hydrocarbon fuel is supplied between the first fuel cell stack 5 and the second fuel cell stack 7, the carbon activity in the fuel cell system 100 is increased. Is suppressed, and carbon deposition is suitably suppressed.

次に、スタックが2段構成である燃料電池システム100では、長期安定性に優れ、かつ、高い発電効率が得られることを以下にて説明する。まず、燃料電池システム100にて用いる燃料電池スタック(単段スタック)の性能及び条件を以下のように設定する。   Next, it will be described below that the fuel cell system 100 having a two-stage stack has excellent long-term stability and high power generation efficiency. First, the performance and conditions of the fuel cell stack (single stage stack) used in the fuel cell system 100 are set as follows.

〔燃料電池スタックの性能および条件〕
燃料電池スタック(単段スタック)の燃料利用率を75%としたときに、燃料電池スタックにおけるシステム効率(発電効率)を55%LHV(低位発熱量)、スタックからシステムへの効率変換によるロスを10%と仮定する。この仮定から、スタック効率は61.1%であると算出される。電流密度が0.2A/cmのとき、燃料電池スタックの内部抵抗(ASR)が低燃料利用率時に0.3517ohm(Ω)・cmであればこの性能が得られる。
燃料電池スタックよりも上流に設けた改質器に供給される炭化水素燃料および水蒸気について、スチームカーボン比S/Cを3.0と仮定する。また、燃料電池スタックの燃料極側入口の酸素分圧PO2(in)は3.77×10−21(atm)および燃料電池スタックの燃料極側出口の酸素分圧PO2(out)は8.915×10−19(atm)とし、スタック内部での反応温度は750℃とし、供給される炭化水素燃料はメタンとする。
このとき、スタックの燃料極側入口にて酸素ポテンシャルは空気に対する電位換算で−0.989V、スタックの燃料極側出口にて酸素ポテンシャルは−0.877Vと求められる。
[Fuel cell stack performance and conditions]
When the fuel utilization rate of a fuel cell stack (single stage stack) is 75%, the system efficiency (power generation efficiency) of the fuel cell stack is 55% LHV (low heating value), and the loss due to efficiency conversion from the stack to the system is reduced. Assume 10%. From this assumption, the stack efficiency is calculated to be 61.1%. When the current density is 0.2 A / cm 2 , this performance is obtained if the internal resistance (ASR) of the fuel cell stack is 0.3517 ohm (Ω) · cm 2 when the fuel utilization rate is low.
It is assumed that the steam carbon ratio S / C is 3.0 for the hydrocarbon fuel and steam supplied to the reformer provided upstream of the fuel cell stack. Further, the oxygen partial pressure P O2 (in) at the fuel electrode side inlet of the fuel cell stack is 3.77 × 10 −21 (atm), and the oxygen partial pressure P O2 (out) at the fuel electrode side outlet of the fuel cell stack is 8 915 × 10 −19 (atm), the reaction temperature inside the stack is 750 ° C., and the supplied hydrocarbon fuel is methane.
At this time, the oxygen potential at the fuel electrode side inlet of the stack is calculated as -0.989V in terms of air potential, and the oxygen potential at the fuel electrode side outlet of the stack is -0.877V.

〔2段構成の燃料電池システム〕
上述したようなシステム効率55%LHVである単段スタックを用いて、図1に示すような2段構成の燃料電池スタック(第1の燃料電池スタック5および第2の燃料電池スタック7)を備える燃料電池システム100を準備する。燃料電池システム100の全体の燃料利用率(Uf(total)、単位%)と、第1の燃料電池スタック5の燃料利用率(Uf(A)、単位%)および第2の燃料電池スタック7の燃料利用率(Uf(B)、単位%)との関係について、以下に説明する。
[Two-stage fuel cell system]
Using the single-stage stack having the system efficiency of 55% LHV as described above, the fuel cell stack (the first fuel cell stack 5 and the second fuel cell stack 7) having a two-stage structure as shown in FIG. 1 is provided. The fuel cell system 100 is prepared. The overall fuel usage rate of the fuel cell system 100 (Uf (total), unit%), the fuel usage rate of the first fuel cell stack 5 (Uf (A), unit%), and the second fuel cell stack 7 The relationship with the fuel utilization rate (Uf (B), unit%) will be described below.

まず、全体の燃料利用率(Uf(total))は、第1の燃料電池スタック5に供給された燃料の量に対する第1の燃料電池スタック5および第2の燃料電池スタック7にて使用された燃料の合計量の割合で算出される。そのため、第1の燃料電池スタック5への供給量をS、第1の燃料電池スタック5での燃料使用量をCon(A)および第2の燃料電池スタック7での燃料使用量をCon(B)とすると、以下の式(1)で表される関係式が成り立つ。   First, the overall fuel utilization rate (Uf (total)) was used in the first fuel cell stack 5 and the second fuel cell stack 7 with respect to the amount of fuel supplied to the first fuel cell stack 5. Calculated as a percentage of the total amount of fuel. Therefore, the supply amount to the first fuel cell stack 5 is S, the fuel use amount in the first fuel cell stack 5 is Con (A), and the fuel use amount in the second fuel cell stack 7 is Con (B ), The following relational expression (1) is established.

Uf(total)/100=(Con(A)+Con(B))/S・・・(1) Uf (total) / 100 = (Con (A) + Con (B)) / S (1)

第1の燃料電池スタック5での燃料使用量に対する第2の燃料電池スタック7での燃料使用量の比rを用いることにより、第1の燃料電池スタックおよび第2の燃料電池スタックの燃料使用量に関する以下の式(2)が得られる。 By using the ratio r 1 of the fuel consumption in the second fuel cell stack 7 to the fuel consumption at the first fuel cell stack 5, the fuel used in the first fuel cell stack and the second fuel cell stack The following equation (2) for the quantity is obtained:

Con(B)=rCon(A)・・・(2) Con (B) = r 1 Con (A) (2)

そして、第1の燃料電池スタック5における燃料利用率と燃料使用量との関係から、以下の式(3)が得られ、第2の燃料電池スタック7における燃料利用率と燃料使用量との関係から、以下の式(4)が得られる。   The following equation (3) is obtained from the relationship between the fuel utilization rate and the fuel usage amount in the first fuel cell stack 5, and the relationship between the fuel utilization rate and the fuel usage amount in the second fuel cell stack 7 is obtained. Thus, the following formula (4) is obtained.

Uf(A)/100=Con(A)/S・・・(3)
Uf(B)/100=Con(B)/S(1−Uf(A)/100)・・・(4)
Uf (A) / 100 = Con (A) / S (3)
Uf (B) / 100 = Con (B) / S (1-Uf (A) / 100) (4)

以上の式(1)〜(4)より、Uf(A)およびUf(B)について以下の式(5)、(6)が成り立つ。   From the above formulas (1) to (4), the following formulas (5) and (6) are established for Uf (A) and Uf (B).

Uf(A)=Uf(total)/(1+r)・・・(5)
Uf(B)=rUf(total)/(1+r−Uf(total)/100)・・・(6)
Uf (A) = Uf (total) / (1 + r 1 ) (5)
Uf (B) = r 1 Uf (total) / (1 + r 1 −Uf (total) / 100) (6)

図4(a)は、rを変化させたときの第1の燃料電池スタック5および第2の燃料電池スタック7の燃料利用率を示すグラフである。このグラフは、上記の式(5)、(6)において、Uf(total)=85(%)とすることで得られる。図に示すように、rを小さくすると、第1の燃料電池スタック5の燃料利用率(Uf(A))が大きくなり、かつ第2の燃料電池スタック7の燃料利用率(Uf(B))が小さくなる。一方、rを大きくすると、第1の燃料電池スタック5の燃料利用率(Uf(A))が小さくなり、かつ第2の燃料電池スタック7の燃料利用率(Uf(B))が大きくなる。 FIG. 4A is a graph showing the fuel utilization rates of the first fuel cell stack 5 and the second fuel cell stack 7 when r 1 is changed. This graph is obtained by setting Uf (total) = 85 (%) in the above formulas (5) and (6). As shown in the figure, when r 1 is decreased, the fuel utilization rate (Uf (A)) of the first fuel cell stack 5 is increased and the fuel utilization rate (Uf (B)) of the second fuel cell stack 7 is increased. ) Becomes smaller. On the other hand, when r 1 is increased, the fuel utilization rate (Uf (A)) of the first fuel cell stack 5 is decreased and the fuel utilization rate (Uf (B)) of the second fuel cell stack 7 is increased. .

Uf(A)およびUf(B)は、75%を大きく超えると長期耐久性が低下する原因となる。そのため、Uf(A)およびUf(B)は、80%以下であることが好ましく、75%以下であることがより好ましい。そこで、rの範囲としては、Uf(A)およびUf(B)が80%以下を満たす0.063≦r≦2.4であることが好ましく、Uf(A)およびUf(B)が75%以下を満たす0.134≦r≦1.125であることがより好ましい。さらに、第1燃料電池スタック5および第2燃料電池スタック7の安定性をより長期にわたって維持するには、rの範囲としては、0.2≦r≦1.0であることが好ましく、0.35≦r≦1.0であることがさらに好ましい。 If Uf (A) and Uf (B) greatly exceed 75%, the long-term durability is reduced. Therefore, Uf (A) and Uf (B) are preferably 80% or less, and more preferably 75% or less. Therefore, the range of r 1, preferably Uf (A) and Uf (B) is 0.063 ≦ r 1 ≦ 2.4 which satisfies 80% or less, Uf (A) and Uf (B) is It is more preferable that 0.134 ≦ r 1 ≦ 1.125 satisfying 75% or less. Furthermore, to maintain over a long stability of the first fuel cell stack 5 and the second fuel cell stack 7, the range of r 1, preferably from 0.2 ≦ r 1 ≦ 1.0, More preferably, 0.35 ≦ r 1 ≦ 1.0.

次に、図4(b)は、rを変化させたときの第1の燃料電池スタック5および第2の燃料電池スタック7のセル電圧を示すグラフである。なお、図中において、V(A)は第1の燃料電池スタック5のセル電圧、V(B)は第2の燃料電池スタック7のセル電圧、およびV(mean)は、第1の燃料電池スタックと第2の燃料電池スタックの燃料使用量の比を加味したV(A)とV(B)の加重平均を示している。これらは、炭化水素燃料としてメタンを使用し、Uf(total)=85%とすることで得られるセル電圧である。図からわかるように、rが大きくなるにつれて、V(A)およびV(B)も大きくなっている。ここで、rの範囲としては、0.35≦rであることが好ましく、0.4≦rであることがより好ましい。rがこの範囲を満たすことにより、Niなどを含む電極を使用した場合に、低いセル電圧(図中0.80V未満)に起因する電極の酸化(例えば、Niの酸化)を抑制することができ、特に、第2の燃料電池スタック7の電極の酸化を抑制できるため好ましい。 Next, FIG. 4B is a graph showing the cell voltages of the first fuel cell stack 5 and the second fuel cell stack 7 when r 1 is changed. In the figure, V (A) is the cell voltage of the first fuel cell stack 5, V (B) is the cell voltage of the second fuel cell stack 7, and V (mean) is the first fuel cell. The weighted average of V (A) and V (B) taking into account the ratio of the fuel usage of the stack and the second fuel cell stack is shown. These are cell voltages obtained by using methane as a hydrocarbon fuel and setting Uf (total) = 85%. As can be seen, as r 1 increases, V (A) and V (B) also increase. Here, the range of r 1, preferably from 0.35 ≦ r 1, and more preferably 0.4 ≦ r 1. When r 1 satisfies this range, when an electrode containing Ni or the like is used, electrode oxidation (for example, Ni oxidation) caused by a low cell voltage (less than 0.80 V in the figure) can be suppressed. In particular, it is preferable because the oxidation of the electrode of the second fuel cell stack 7 can be suppressed.

図3は、本実施形態において、rを変化させたときの燃料電池システム100の発電効率を示すグラフである。すなわち、このグラフは、rを変化させたときの第1の燃料電池スタック5および第2の燃料電池スタック7からなる2段構成の燃料電池システム100の発電効率の変化を示している。なお、Uf(total)=85%としており、電流密度0.20A/cmで動作する場合、スタックの内部抵抗(ASR)が0.3517Ω・cmであると仮定している。
ここで、燃料電池システムの発電効率とは、燃料電池システムに供給した燃料から得られる理論的な発電量に対する実際の発電量の割合(%:低位発熱量基準)をいう。
FIG. 3 is a graph showing the power generation efficiency of the fuel cell system 100 when r 1 is changed in the present embodiment. That is, this graph shows a change in the power generation efficiency of the fuel cell system 100 having a two-stage configuration including the first fuel cell stack 5 and the second fuel cell stack 7 when r 1 is changed. Note that it is assumed that Uf (total) = 85% and the stack has an internal resistance (ASR) of 0.3517 Ω · cm 2 when operating at a current density of 0.20 A / cm 2 .
Here, the power generation efficiency of the fuel cell system refers to the ratio of the actual power generation amount to the theoretical power generation amount obtained from the fuel supplied to the fuel cell system (%: low calorific value standard).

図3から、rが0.4〜0.5付近で発電効率が最大値(約62%)となっていることが分かる。そのため、rの範囲としては、0.35≦r≦0.6であることが好ましく、0.4≦r≦0.6であることが好ましい。 FIG. 3 shows that the power generation efficiency is the maximum value (about 62%) when r 1 is in the vicinity of 0.4 to 0.5. Therefore, the range of r 1, preferably from 0.35 ≦ r 1 ≦ 0.6, it is preferable that 0.4 ≦ r 1 ≦ 0.6.

また、第1の燃料電池スタック5および第2の燃料電池スタック7の全体の燃料利用率(Uf(total)、単位%)は、80%〜95%であることが好ましい。これにより、高い発電効率を得ることができる。   The overall fuel utilization rate (Uf (total), unit%) of the first fuel cell stack 5 and the second fuel cell stack 7 is preferably 80% to 95%. Thereby, high power generation efficiency can be obtained.

ここで、Uf(A)とUf(B)とが一致する場合、式(5)および式(6)より以下の式(7)が成り立つ。   Here, when Uf (A) and Uf (B) match, the following equation (7) is established from equations (5) and (6).

=(100−Uf(total))1/2/10・・・・(7) r 1 = (100−Uf (total)) 1/2 / 10... (7)

としては、Uf(A)とUf(B)とが一致する場合(図4(a)に示すようにr=0.4の近傍)、または、Uf(A)とUf(B)とが近い値をとる場合が好ましく、Uf(total)が80%〜95%であると仮定すると、0.25≦r≦0.6であることが好ましく、0.35≦r≦0.6であることがより好ましい。Uf(A)とUf(B)が一致する範囲から離れるほど、図4に示されるようにUf(A)またはUf(B)のどちらかが高い値になってしまい劣化リスクを高めてしまう。このため、Uf(A)とUf(B)とが同じ値または近い値をとる場合が望ましい。 As r 1 , Uf (A) and Uf (B) match (in the vicinity of r 1 = 0.4 as shown in FIG. 4A), or Uf (A) and Uf (B) Are preferably close to each other, and assuming that Uf (total) is 80% to 95%, 0.25 ≦ r 1 ≦ 0.6 is preferable, and 0.35 ≦ r 1 ≦ 0. .6 is more preferable. As the distance from the range in which Uf (A) and Uf (B) coincide with each other, either Uf (A) or Uf (B) becomes a higher value as shown in FIG. For this reason, it is desirable that Uf (A) and Uf (B) have the same value or close values.

以上の図3、4に示すグラフおよびUf(A)とUf(B)とが一致あるいは近い値をとる場合のrの範囲を考慮すると、rとしては、0.35≦r≦1.0であることが好ましく、0.35≦r≦0.6であることがより好ましい。上述したように、燃料使用量の比rは第1の燃料電池スタック5の有効電極面積に対する第2の燃料電池スタック7の有効電極面積の比、または、第1の燃料電池スタック5のセル積層数に対する第2の燃料電池スタック7のセル積層数の比に対応することから、0.35≦r≦1.0、好ましくは0.35≦r≦0.6を満たすように第1の燃料電池スタック5および第2の燃料電池スタック7における有効電極面積あるいはセル積層数を設定すればよい。燃料電池スタック5,7における有効電極面積あるいはセル積層数は、燃料電池システム100の設計段階等において所望の範囲に設定することができる。これにより、長期安定性に優れ、かつ、高い発電効率を有する燃料電池システム100が得られる。 Considering the graph shown in FIGS. 3 and 4 and the range of r 1 when Uf (A) and Uf (B) are equal or close to each other, as r 1 , 0.35 ≦ r 1 ≦ 1 0.0 is preferable, and 0.35 ≦ r 1 ≦ 0.6 is more preferable. As described above, the ratio r 1 of the fuel usage is the ratio of the effective electrode area of the second fuel cell stack 7 to the effective electrode area of the first fuel cell stack 5 or the cells of the first fuel cell stack 5. Since this corresponds to the ratio of the number of stacked cells of the second fuel cell stack 7 to the number of stacked layers, it is necessary to satisfy 0.35 ≦ r 1 ≦ 1.0, preferably 0.35 ≦ r 1 ≦ 0.6. The effective electrode area or the number of stacked cells in the first fuel cell stack 5 and the second fuel cell stack 7 may be set. The effective electrode area or the number of stacked cells in the fuel cell stacks 5 and 7 can be set to a desired range in the design stage of the fuel cell system 100 or the like. Thereby, the fuel cell system 100 having excellent long-term stability and high power generation efficiency can be obtained.

〔燃料電池システム200〕
次に、図5を参照しながら、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システム200について説明する。図5は、他の実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図であり、(a)は、燃料電池システムの全体構成を示す図であり、(b)は、燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックが積層されていることを示す図である。
なお、前述した燃料電池システム100の各構成と同じ名称の構成については、燃料電池システム100での説明を援用するものとし、その詳細な説明を省略する。
[Fuel cell system 200]
Next, a fuel cell system 200 according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell system according to another embodiment, (a) is a diagram showing an overall configuration of the fuel cell system, and (b) is a fuel cell in the fuel cell system. It is a figure which shows that a stack is laminated | stacked.
In addition, about the structure of the same name as each structure of the fuel cell system 100 mentioned above, the description in the fuel cell system 100 shall be used, and the detailed description is abbreviate | omitted.

本発明の他の実施形態に係る燃料電池システム200は、燃料電池システム100と同様、第1の燃料電池スタック15と、第2の燃料電池スタック17と、第1の改質器13とを備えている。さらに、燃料電池システム200は、固体酸化物電解質、燃料極、および空気極を備え、第1の改質器13よりも上流に配置されており、燃料極側から排出される、水蒸気を含む排出ガスを、第1の改質器13に供給する第3の燃料電池スタック25を備え、第1の燃料電池スタック15での燃料使用量に対する第3の燃料電池スタック25での燃料使用量の比rは、0.1≦r≦0.8を満たす。 Similar to the fuel cell system 100, the fuel cell system 200 according to another embodiment of the present invention includes a first fuel cell stack 15, a second fuel cell stack 17, and a first reformer 13. ing. Furthermore, the fuel cell system 200 includes a solid oxide electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode, is disposed upstream of the first reformer 13, and is exhausted from the fuel electrode side, including water vapor. A third fuel cell stack 25 that supplies gas to the first reformer 13 is provided, and the ratio of the fuel usage in the third fuel cell stack 25 to the fuel usage in the first fuel cell stack 15 r 2 satisfies 0.1 ≦ r 2 ≦ 0.8.

燃料電池システム200は、図5に示すとおり、第1の燃料電池スタック15、第2の燃料電池スタック17および第3の燃料電池スタック25が積層された3段構成の燃料電池システムである。そして、第1の燃料電池スタック15での燃料使用量に対する第3の燃料電池スタック25での燃料使用量の比rは、0.1≦r≦0.8を満たしている。 As shown in FIG. 5, the fuel cell system 200 is a three-stage fuel cell system in which a first fuel cell stack 15, a second fuel cell stack 17, and a third fuel cell stack 25 are stacked. The ratio r 2 of the fuel usage amount in the third fuel cell stack 25 to the fuel usage amount in the first fuel cell stack 15 satisfies 0.1 ≦ r 2 ≦ 0.8.

上記比rが0.1以上であることにより、燃料電池システム200において、高い発電効率が得られる。 When the ratio r 2 is 0.1 or more, high power generation efficiency can be obtained in the fuel cell system 200.

上記比rが0.8以下であることにより、第3の燃料電池スタック25における燃料利用率の上昇が抑制され、第1の燃料電池スタック15に供給される前に消費される燃料の量を抑制することができる。その結果、第3の燃料電池スタック25の燃料利用率の上昇と第1の燃料電池スタック入口の閉回路電圧(OCVAi)の低下とを同時に抑制できる。 When the ratio r 2 is 0.8 or less, an increase in the fuel utilization rate in the third fuel cell stack 25 is suppressed, and the amount of fuel consumed before being supplied to the first fuel cell stack 15. Can be suppressed. As a result, an increase in the fuel utilization rate of the third fuel cell stack 25 and a decrease in the closed circuit voltage (OCVAi) at the inlet of the first fuel cell stack can be suppressed at the same time.

第3の燃料電池スタック25は、固体酸化物電解質、燃料極、および空気極を備え、第1の改質器13よりも上流に配置されており、燃料極側にて改質ガス供給管24および排出ガス供給管11と接続している。第3の燃料電池スタック25は、改質ガス供給管24から燃料極側に供給された改質ガスと、空気極側に供給された酸素に由来する酸素イオンと、を電気化学的に反応させて発電を行なう。そして、発電時の電気化学的な反応(式(d)に示す反応)により生成された水(水蒸気)は、第3の燃料電池スタック25から排出され、排出ガス供給管11を介して第1の改質器13に供給され、炭化水素燃料の水蒸気改質に使用される。なお、第3の燃料電池スタック25の構造は、前述の第1の燃料電池スタック5と同様であるため、その詳しい説明は省略する。   The third fuel cell stack 25 includes a solid oxide electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode, and is disposed upstream of the first reformer 13, and the reformed gas supply pipe 24 is disposed on the fuel electrode side. The exhaust gas supply pipe 11 is connected. The third fuel cell stack 25 electrochemically reacts the reformed gas supplied from the reformed gas supply pipe 24 to the fuel electrode side and oxygen ions derived from oxygen supplied to the air electrode side. To generate electricity. Then, the water (water vapor) generated by the electrochemical reaction during the power generation (reaction shown in the formula (d)) is discharged from the third fuel cell stack 25 and is supplied to the first through the exhaust gas supply pipe 11. The reformer 13 is used for steam reforming of hydrocarbon fuel. The structure of the third fuel cell stack 25 is the same as that of the first fuel cell stack 5 described above, and a detailed description thereof will be omitted.

燃料電池システム200は、第3の燃料電池スタック25の上流に配置され、炭化水素燃料を水蒸気改質して改質ガスを生成し、生成された改質ガスを第3の燃料電池スタック25に供給する第2の改質器(他の改質器)23と、第2の改質器23に炭化水素燃料を供給する第2の燃料供給手段と、をさらに備える。   The fuel cell system 200 is disposed upstream of the third fuel cell stack 25, steam reforms the hydrocarbon fuel to generate a reformed gas, and the generated reformed gas is supplied to the third fuel cell stack 25. A second reformer (other reformer) 23 to be supplied, and a second fuel supply means for supplying hydrocarbon fuel to the second reformer 23 are further provided.

第2の改質器23は、供給された炭化水素燃料を水蒸気改質することによって、一酸化炭素および水素を含む改質ガスを生成するためのものである。また、第2の改質器23は、第3の燃料電池スタック25の上流に配置され、改質水供給管21および炭化水素燃料供給管22と接続している。   The second reformer 23 is for generating a reformed gas containing carbon monoxide and hydrogen by steam reforming the supplied hydrocarbon fuel. The second reformer 23 is disposed upstream of the third fuel cell stack 25 and is connected to the reformed water supply pipe 21 and the hydrocarbon fuel supply pipe 22.

炭化水素燃料は、炭化水素燃料供給管22を介して第2の燃料供給源(図示せず)から第2の改質器23に供給される。また、炭化水素燃料の水蒸気改質に用いる改質水は、改質水供給管21を介して改質水供給源(図示せず)から第2の改質器23に供給される。なお、第2の燃料供給手段は、炭化水素燃料供給管22および第2の燃料供給源を備え、炭化水素燃料供給管22は第2の燃料供給手段の一部を構成している。   The hydrocarbon fuel is supplied from the second fuel supply source (not shown) to the second reformer 23 via the hydrocarbon fuel supply pipe 22. Further, the reforming water used for the steam reforming of the hydrocarbon fuel is supplied from the reforming water supply source (not shown) to the second reformer 23 via the reforming water supply pipe 21. The second fuel supply means includes a hydrocarbon fuel supply pipe 22 and a second fuel supply source, and the hydrocarbon fuel supply pipe 22 constitutes a part of the second fuel supply means.

ここで、第2の改質器23に供給される炭化水素燃料と、第1の改質器13に供給される炭化水素燃料は、同じであることが好ましい。このとき、第1の改質器13および第2の改質器23は炭化水素燃料の供給源が共通している、つまり、第1の燃料供給源と第2の燃料供給源とは同じであることが設備コスト低減の観点から好ましい。ここで、第2の改質器23に供給される炭化水素燃料としては、メタンであることが好ましい。   Here, the hydrocarbon fuel supplied to the second reformer 23 and the hydrocarbon fuel supplied to the first reformer 13 are preferably the same. At this time, the first reformer 13 and the second reformer 23 have a common hydrocarbon fuel supply source, that is, the first fuel supply source and the second fuel supply source are the same. It is preferable from the viewpoint of reducing the equipment cost. Here, the hydrocarbon fuel supplied to the second reformer 23 is preferably methane.

第2の改質器23は、前述の第1の改質器3と同様の構成をとる。第2の改質器23にて炭化水素燃料を水蒸気改質することで、一酸化炭素および水素を含む改質ガスを生成される。改質ガスは、改質ガス供給管24を介して第3の燃料電池スタック25の燃料極側に供給される。   The second reformer 23 has the same configuration as the first reformer 3 described above. A reformed gas containing carbon monoxide and hydrogen is generated by steam reforming the hydrocarbon fuel in the second reformer 23. The reformed gas is supplied to the fuel electrode side of the third fuel cell stack 25 via the reformed gas supply pipe 24.

図5(a)に示すように、燃料電池システム200は、第1の燃料電池スタック15と、第1の燃料電池スタック15よりも下流に配置されて第1の燃料電池スタック15の燃料極側から排出される排出ガスが、燃料極側に直接的に供給される第2の燃料電池スタック17と、第1の燃料電池スタック15の上流に配置され、炭化水素燃料を改質して改質ガスを生成し、生成された改質ガスを第1の燃料電池スタック15の燃料極側に供給する第1の改質器13と、第1の改質器13よりも上流に配置されて燃料極側から排出される水蒸気を含む排出ガスを、第1の改質器13に供給する第3の燃料電池スタック25と、第3の燃料電池スタック25の上流に配置され、炭化水素燃料を改質して改質ガスを生成し、生成された改質ガスを第3の燃料電池スタック25の燃料極側に供給する第2の改質器23とを備える。   As shown in FIG. 5A, the fuel cell system 200 includes a first fuel cell stack 15 and a fuel electrode side of the first fuel cell stack 15 that is disposed downstream of the first fuel cell stack 15. The exhaust gas discharged from the fuel cell is disposed upstream of the second fuel cell stack 17 and the first fuel cell stack 15 that are directly supplied to the fuel electrode side, and reforms and reforms the hydrocarbon fuel. A first reformer 13 that generates gas and supplies the generated reformed gas to the fuel electrode side of the first fuel cell stack 15, and is disposed upstream of the first reformer 13 and fuel A third fuel cell stack 25 that supplies exhaust gas containing water vapor discharged from the pole side to the first reformer 13 and an upstream side of the third fuel cell stack 25 are arranged to improve the hydrocarbon fuel. To produce reformed gas, and the produced reformed gas is And a second reformer 23 is supplied to the fuel electrode side of the fuel cell stack 25.

即ち、燃料電池システム200は、上述した燃料電池システム100に第2の改質器23および第3の燃料電池スタック25が追加された構成とされている。これにより、第3の燃料電池スタック25の排出ガスは、燃料電池システム100の最上流に設けられた第1の改質器13によって改質されることから、燃料使用量の比rを適切に設定して高効率化された燃料電池システム100の駆動条件が確実に維持され、柔軟かつ容易に燃料電池システム100の拡張(機能、構成の追加)が可能となる。 That is, the fuel cell system 200 has a configuration in which the second reformer 23 and the third fuel cell stack 25 are added to the fuel cell system 100 described above. As a result, the exhaust gas of the third fuel cell stack 25 is reformed by the first reformer 13 provided in the uppermost stream of the fuel cell system 100, so that the ratio r 1 of the fuel usage is appropriately set. Therefore, the driving conditions of the fuel cell system 100 set to be highly efficient and maintained are reliably maintained, and the fuel cell system 100 can be expanded (addition of functions and configurations) flexibly and easily.

第2の改質器23に供給される単位時間当たりの水蒸気の分子数Sと、第2の改質器23に供給される単位時間当たりの炭化水素燃料の炭素原子数Cとの比であるスチームカーボン比S/Cは、1.6〜3.5であることが好ましく、2.0〜3.5であることがより好ましく、2.5〜3.0であることがさらに好ましい。スチームカーボン比S/Cがこの範囲にあることにより、炭化水素燃料の水蒸気改質を効率的に行うことができ、かつ、燃料電池システム200内での炭素析出を抑制することができる。   This is a ratio between the number S of water vapor molecules per unit time supplied to the second reformer 23 and the number C of carbon atoms of the hydrocarbon fuel per unit time supplied to the second reformer 23. The steam carbon ratio S / C is preferably 1.6 to 3.5, more preferably 2.0 to 3.5, and still more preferably 2.5 to 3.0. When the steam carbon ratio S / C is within this range, the steam reforming of the hydrocarbon fuel can be performed efficiently, and the carbon deposition in the fuel cell system 200 can be suppressed.

なお、燃料電池システム200では、改質器が第1の燃料電池スタック15または第2の燃料電池スタック17の外部に取り付けられている必要はなく、各燃料電池スタックの内部で水蒸気改質(内部改質)を行なう構成であってもよい。燃料電池スタック内部での反応温度は700℃〜1000℃と高温であるため、燃料極を構成するニッケルの触媒作用によって、燃料電池スタック内で水蒸気改質を行なうことが可能である。   In the fuel cell system 200, the reformer does not have to be attached to the outside of the first fuel cell stack 15 or the second fuel cell stack 17, and the steam reforming (internally) inside each fuel cell stack. It may be configured to perform (modification). Since the reaction temperature inside the fuel cell stack is as high as 700 ° C. to 1000 ° C., steam reforming can be performed in the fuel cell stack by the catalytic action of nickel constituting the fuel electrode.

〔3段構成の燃料電池システム〕
上述したようなシステム効率55%LHVである単段スタックを用いて、図5に示すような3段構成の燃料電池スタック(第1の燃料電池スタック15、第2の燃料電池スタック17および第3の燃料電池スタック25)を備える燃料電池システムを準備する。燃料電池システム200の全体の燃料利用率(Uf(total)、単位%)と、第1の燃料電池スタック15の燃料利用率(Uf(A)、単位%)、第2の燃料電池スタック17の燃料利用率(Uf(B)、単位%)および第3の燃料電池スタック25の燃料利用率(Uf(C)、単位%)との関係について以下に説明する。
[3-stage fuel cell system]
Using a single-stage stack having a system efficiency of 55% LHV as described above, a fuel cell stack having a three-stage configuration as shown in FIG. 5 (first fuel cell stack 15, second fuel cell stack 17 and third A fuel cell system including a fuel cell stack 25) is prepared. The overall fuel utilization rate of the fuel cell system 200 (Uf (total), unit%), the fuel utilization rate of the first fuel cell stack 15 (Uf (A), unit%), and the second fuel cell stack 17 The relationship between the fuel usage rate (Uf (B), unit%) and the fuel usage rate (Uf (C), unit%) of the third fuel cell stack 25 will be described below.

なお、燃料電池システム200の全体の燃料利用率(Uf(total)、単位%)はは、前述と同様に、第1の燃料電池スタック15および第2の燃料電池スタック17の合計の燃料利用率をさす(第3の燃料電池スタック25は含まない)。そのため、図5に示す燃料電池システムについても、Uf(A)およびUf(B)が上記の式(5)、(6)を満たす。   Note that the overall fuel usage rate (Uf (total), unit%) of the fuel cell system 200 is the total fuel usage rate of the first fuel cell stack 15 and the second fuel cell stack 17 as described above. (The third fuel cell stack 25 is not included). Therefore, also in the fuel cell system shown in FIG. 5, Uf (A) and Uf (B) satisfy the above formulas (5) and (6).

次に、3段構成の燃料電池システム200について、第1の燃料電池スタック15での燃料使用量に対する第3の燃料電池スタック25での燃料使用量の比r、および第1の改質器13に供給される炭化水素燃料の流量(流量1)と、第2の改質器23に追加で供給される炭化水素燃料の流量(流量2)との比(質量流量比)r(流量2/流量1)を変更したときの第1の燃料電池スタック入口の閉回路電圧(OCVAi)、第1の燃料電池スタック入口の炭素活量(ActCAi)および第3の燃料電池スタックの燃料利用率といった長期安定性の指標となる数値を求め、長期耐久性を評価する。併せて、燃料電池システム200の発電効率も求める。 Next, for the fuel cell system 200 having a three-stage configuration, the ratio r 2 of the fuel usage amount in the third fuel cell stack 25 to the fuel usage amount in the first fuel cell stack 15, and the first reformer The ratio (mass flow rate ratio) r 3 (flow rate) of the flow rate (flow rate 1) of the hydrocarbon fuel supplied to 13 and the flow rate (flow rate 2) of the hydrocarbon fuel additionally supplied to the second reformer 23 2 / closed circuit voltage (OCVAi) at the inlet of the first fuel cell stack, carbon activity (ActCAi) at the inlet of the first fuel cell stack, and fuel utilization rate of the third fuel cell stack when the flow rate 1) is changed The long-term durability is evaluated by obtaining a numerical value as an index of long-term stability. In addition, the power generation efficiency of the fuel cell system 200 is also obtained.

図3に示すように、全体の燃料利用率が85%を満たすときに、第1の燃料電池スタックでの燃料使用量に対する第2の燃料電池スタックでの燃料使用量の比rが0.4〜0.5となる場合、2段構成の燃料電池スタックの発電効率が最大となっている。そこで、全体の燃料利用率Uf(total)を85%、rを0.5に固定して、上述の長期安定性の指標となる数値を求める。このとき、上記式(5)、(6)より、Uf(A)は56.7%となり、Uf(B)は65.4%となる。なお、炭化水素燃料としては、メタンを想定している。 As shown in FIG. 3, when the overall fuel utilization rate satisfies 85%, the ratio r 1 of the fuel usage in the second fuel cell stack to the fuel usage in the first fuel cell stack is 0. When it is 4 to 0.5, the power generation efficiency of the two-stage fuel cell stack is maximized. Accordingly, the overall fuel utilization rate Uf (total) is fixed to 85% and r 1 is fixed to 0.5, and a numerical value serving as the above-mentioned long-term stability index is obtained. At this time, from the above formulas (5) and (6), Uf (A) is 56.7% and Uf (B) is 65.4%. Note that methane is assumed as the hydrocarbon fuel.

図1に示すような、2段構成の燃料電池システム100において、第1の燃料電池スタック入口の開回路電圧は0.99Vである。また、図5に示すような、3段構成の燃料電池システム200において、第1の燃料電池スタック入口の開回路電圧が0.99V以上であれば、第2の燃料電池スタック17のセル電圧が、2段構成における第2の燃料電池スタック7のセル電圧以上となり、第2の燃料電池スタック17にて電極(燃料極)の酸化が抑制されるため、長期安定性の点から好ましい。そのため、第1の燃料電池スタック入口の開回路電圧(OCVAi)は0.99V以上を基準とする。   In the two-stage fuel cell system 100 as shown in FIG. 1, the open circuit voltage at the first fuel cell stack inlet is 0.99V. Further, in the three-stage fuel cell system 200 as shown in FIG. 5, if the open circuit voltage at the first fuel cell stack inlet is 0.99 V or more, the cell voltage of the second fuel cell stack 17 is Since it becomes more than the cell voltage of the 2nd fuel cell stack 7 in a 2 step | paragraph structure and the oxidation of an electrode (fuel electrode) is suppressed in the 2nd fuel cell stack 17, it is preferable from the point of long-term stability. Therefore, the open circuit voltage (OCVAi) at the inlet of the first fuel cell stack is based on 0.99 V or more.

第1の燃料電池スタック入口の炭素活量(ActCAi)は、1.0以上の場合に炭素が析出してスタックが破損するリスクが極めて高くなる。そこで、安全率を考慮し、第1の燃料電池スタック入口の炭素活量は0.2以下を基準とする。   When the carbon activity (ActCAi) at the inlet of the first fuel cell stack is 1.0 or more, the risk of carbon deposition and damage to the stack becomes extremely high. Therefore, considering the safety factor, the carbon activity at the inlet of the first fuel cell stack is based on 0.2 or less.

ここで、第1の燃料電池スタック入口の炭素活量を下げるためには、rをある程度大きくして、第1の改質器13に供給される水蒸気量を増やす必要がある。しかし、rを大きくしすぎると、第1の燃料電池スタック入口のOCVAiが低下してしまう。 Here, in order to lower the carbon activity at the inlet of the first fuel cell stack, it is necessary to increase r 3 to some extent and increase the amount of steam supplied to the first reformer 13. However, if too large r 3, a first fuel cell stack inlet of OCVAi decreases.

次に、rを大きくすると、第3の燃料電池スタック25で消費される燃料消費量が増加して第1の燃料電池スタック入口のOCVAiが低下する。そのため、rおよびrを大きくすると、第1の燃料電池スタック入口のOCVAiが低下し、基準値を下回りやすくなる。そのため、rおよびrには適した範囲が存在する。 Then, a large r 2, a first fuel cell stack inlet of OCVAi fuel consumption amount consumed by the third fuel cell stack 25 is increased is reduced. Therefore, when r 2 and r 3 are increased, the OCVAi at the inlet of the first fuel cell stack is lowered and is easily below the reference value. Therefore, there is a suitable range for r 2 and r 3 .

Uf(C)は、単段スタック性能の前提である75%を大きく超えると長期耐久性を低下させる原因となる。そこで、Uf(C)は、80%以下を基準とする。   If Uf (C) greatly exceeds 75%, which is the premise of the single-stage stack performance, it causes a decrease in long-term durability. Therefore, Uf (C) is based on 80% or less.

以下に示す長期耐久性評価の結果では、OCVAi、ActCAiおよびUf(C)について、全て基準を満たしている場合を安定性A(安定性良好)とし、一つでも基準を満たしていない場合を安定性B(安定性不良)とする。   In the results of long-term durability evaluation shown below, when OCVAi, ActCAi, and Uf (C) all meet the standards, the stability is A (good stability), and when one does not meet the standards, it is stable. Property B (stability failure).

まず、第1の燃料電池スタック15での燃料使用量に対する第3の燃料電池スタック25での燃料使用量の比rを0.1に固定し、第1の改質器13に供給される炭化水素燃料の流量と、第2の改質器23に供給される炭化水素燃料の流量との比rを1〜20に変更したときの長期耐久性の指標および発電効率の結果を表1に示す。なお、第1の改質器13および第2の改質器23に供給される炭化水素燃料は、rが0.1〜0.9のいずれにおいても、メタンであり、第1の改質器13に供給されるメタンの流量を基準として、第2の改質器23に供給されるメタンの流量を変えることで、rの値を調整している。 First, the ratio r 2 of the amount of fuel used in the third fuel cell stack 25 to the amount of fuel used in the first fuel cell stack 15 is fixed to 0.1 and supplied to the first reformer 13. and the flow rate of the hydrocarbon fuel, Table 1 the results of the long-term durability of the indicator and the power generation efficiency when changing the ratio r 3 between the flow rate of the hydrocarbon fuel supplied to the second reformer 23 to 20 Shown in The hydrocarbon fuel supplied to the first reformer 13 and the second reformer 23 is methane regardless of whether r 2 is 0.1 to 0.9. The value of r 3 is adjusted by changing the flow rate of methane supplied to the second reformer 23 with reference to the flow rate of methane supplied to the reactor 13.

まず、表1に示すように、システム効率(発電効率)55%LHVである単段スタックを3つ用いた燃料電池システム200について、全体の発電効率は62.5%超であり、単段スタックよりも高い発電効率を示している。
また、表1に示すように、rが1のとき、ActCAiが0.2超となり、rが20のとき、OCVAiが0.99V未満となっている。そのため、rが1以下または20以上のときは、安定性が不良であると判断し、それ以外では安定性が良好であると判断した。
First, as shown in Table 1, the fuel cell system 200 using three single-stage stacks having a system efficiency (power generation efficiency) of 55% LHV has an overall power generation efficiency of over 62.5%. It shows higher power generation efficiency.
Further, as shown in Table 1, when r 3 is 1, ActCAi is more than 0.2, and when r 3 is 20, OCVAi is less than 0.99V. Therefore, when r 3 is 1 or less, or 20 or more, it is determined that the stability is poor, it is determined that the stability is good otherwise.

次に、rを0.2に固定し、rを0.5〜7に変更したときの長期耐久性の指標および発電効率の結果を表2に示す。 Next, Table 2 shows long-term durability indicators and results of power generation efficiency when r 2 is fixed to 0.2 and r 3 is changed to 0.5 to 7.

表2に示すように、rが0.5のとき、ActCAiが0.2超となり、rが7のとき、OCVAiが0.99V未満となっている。そのため、rが0.5以下または7以上のときは、安定性が不良であると判断し、それ以外は安定性が良好であると判断した。 As shown in Table 2, when r 3 is 0.5, ActCAi is more than 0.2, and when r 3 is 7, OCVAi is less than 0.99V. Therefore, when r 3 is 0.5 or less or 7 or more, it is determined that the stability is poor, otherwise determines that stability is good.

次に、rを0.3に固定し、rを0.5〜4に変更したときの長期耐久性の指標および発電効率の結果を表3に示す。 Next, Table 3 shows long-term durability indicators and results of power generation efficiency when r 2 is fixed to 0.3 and r 3 is changed to 0.5 to 4.

表3に示すように、rが0.5のとき、ActCAiが0.2超となり、rが4のとき、OCVAiが0.99V未満となっている。そのため、rが0.5以下または4以上のときは、安定性が不良であると判断し、それ以外では安定性が良好であると判断した。 As shown in Table 3, when r 3 is 0.5, ActCAi is more than 0.2, and when r 3 is 4, OCVAi is less than 0.99V. Therefore, when r 3 is 0.5 or less or four or more, it is determined that the stability is poor, it is determined that the stability is good otherwise.

次に、rを0.4に固定し、rを0.5〜3に変更したときの長期耐久性の指標および発電効率の結果を表4に示す。 Next, Table 4 shows long-term durability indices and results of power generation efficiency when r 2 is fixed to 0.4 and r 3 is changed to 0.5 to 3.

表4に示すように、rが0.5のとき、ActCAiが0.2超となり、rが3のとき、OCVAiが0.99V未満となっている。そのため、rが0.5以下または3以上のときは、安定性が不良であると判断し、それ以外では、安定性が良好であると判断した。
さらに、rが0.4である場合には、rが0.6〜1を満たせば、発電効率が65%以上を満たし、高い発電効率が得られる。
As shown in Table 4, when r 3 is 0.5, ActCAi 0.2 ultra next, when r 3 is 3, OCVAi has become less than 0.99 V. Therefore, when r 3 is 0.5 or less or 3 or more, it is determined that the stability is poor, but otherwise, it is determined that the stability is good.
Furthermore, when r 2 is 0.4, if r 3 satisfies 0.6 to 1, the power generation efficiency satisfies 65% or more, and high power generation efficiency is obtained.

次に、rを0.5に固定し、rを0.4〜1.7に変更したときの長期耐久性の指標および発電効率の結果を表5に示す。 Next, Table 5 shows long-term durability indices and results of power generation efficiency when r 2 is fixed to 0.5 and r 3 is changed to 0.4 to 1.7.

表5に示すように、rが0.4のとき、ActCAiが0.2超となり、rが1.7のとき、OCVAiが0.99V未満となっている。そのため、rが0.4以下または1.7以上のときは、安定性が不良であると判断し、それ以外では、安定性が良好であると判断した。 As shown in Table 5, when r 3 is 0.4, ActCAi 0.2 ultra next, when r 3 is 1.7, OCVAi has become less than 0.99 V. Therefore, when r 3 is 0.4 or less or 1.7 or more, it is determined that the stability is poor, but otherwise, it is determined that the stability is good.

次に、rを0.6に固定し、rを0.4〜1.3に変更したときの長期耐久性の指標および発電効率の結果を表6に示す。 Next, Table 6 shows long-term durability indicators and results of power generation efficiency when r 2 is fixed to 0.6 and r 3 is changed to 0.4 to 1.3.

表6に示すように、rが0.4のとき、Uf(C)が80%超となり、rが1.3のとき、OCVAiが0.99V未満となっている。そのため、rが0.4以下または1.3以上のときは、安定性が不良であると判断し、それ以外では安定性が良好であると判断した。 As shown in Table 6, when r 3 is 0.4, when Uf (C) is 80% ultra next, r 3 is 1.3, OCVAi has become less than 0.99 V. Therefore, when r 3 is 0.4 or less or 1.3 or more, it is determined that the stability is poor, it is determined that the stability is good otherwise.

次に、rを0.7に固定し、rを0.5〜1に変更したときの長期耐久性の指標および発電効率の結果を表7に示す。 Next, Table 7 shows long-term durability indicators and results of power generation efficiency when r 2 is fixed to 0.7 and r 3 is changed to 0.5 to 1.

表7に示すように、rが0.5のとき、Uf(C)が80%超となり、rが1のとき、OCVAiが0.99V未満となっている。そのため、rが0.5以下または1以上のときは、安定性が不良であると判断し、それ以外では安定性が良好であると判断した。 As shown in Table 7, when r 3 is 0.5, Uf (C) exceeds 80%, and when r 3 is 1, OCVAi is less than 0.99V. Therefore, when r 3 is 0.5 or less or 1 or more, it determines that the stability is poor, it is determined that the stability is good otherwise.

次に、rを0.8に固定し、rを0.6〜0.8に変更したときの長期耐久性の指標および発電効率の結果を表8に示す。 Next, Table 8 shows long-term durability indices and results of power generation efficiency when r 2 is fixed to 0.8 and r 3 is changed to 0.6 to 0.8.

表8に示すように、rが0.6のとき、Uf(C)が80%超となり、rが0.8のとき、OCVAiが0.99V未満となっている。そのため、rが0.6以下または0.8以上のときは、安定性が不良であると判断し、それ以外では安定性が良好であると判断した。 As shown in Table 8, when r 3 is 0.6, when Uf (C) is 80% ultra next, r 3 is 0.8, OCVAi has become less than 0.99 V. Therefore, when r 3 is 0.6 or less or 0.8 or more, it is determined that the stability is poor, it is determined that the stability is good otherwise.

次に、rを0.9に固定し、rを0.7〜0.9に変更したときの長期耐久性の指標および発電効率の結果を表9に示す。 Next, Table 9 shows long-term durability indices and results of power generation efficiency when r 2 is fixed to 0.9 and r 3 is changed to 0.7 to 0.9.

表9に示すように、rが0.7のとき、Uf(C)が80%超かつOCVAiが0.99V未満となり、rが0.8または0.9のとき、OCVAiが0.99V未満となっている。そのため、rを0.9としたときは、rの数値範囲に関係なく安定性が不良であると判断した。 As shown in Table 9, when r 3 is 0.7, Uf (C) exceeds 80% and OCVAi is less than 0.99 V, and when r 3 is 0.8 or 0.9, OCVAi is 0. It is less than 99V. Therefore, when r 2 was set to 0.9, it was determined that the stability was poor regardless of the numerical range of r 3 .

以上、表1〜表9に示すように、燃料電池システム200の長期安定性を確保するためには、第1の燃料電池スタック15での燃料使用量に対する第3の燃料電池スタック25での燃料使用量の比rが0.1≦r≦0.8を満たすことが好ましい。ここで、この数値範囲を満たすためには、単電池(セル)電極面積当たりの電流密度が第1の燃料電池スタック5と第2の燃料電池スタック7で等しい場合、第1の燃料電池スタック15の有効電極面積に対する第3の燃料電池スタック25の有効電極面積の比、または、第1の燃料電池スタック15のセル積層数に対する第3の燃料電池スタック25のセル積層数の比が、rに対応するため、この値を0.1以上0.8以下に調整すればよい。
ここで、第1の燃料電池スタック15の有効電極面積に対する第3の燃料電池スタック25の有効電極面積の比とは、各燃料電池スタックの積層セルの各セル電極面積をそれぞれ合計したときの面積比を意味している。また、第1の燃料電池スタック15のセル積層数に対する第3の燃料電池スタック25のセル積層数の比については、各燃料電池スタックのセルの面積が等しいことを想定している。
As described above, as shown in Tables 1 to 9, in order to ensure the long-term stability of the fuel cell system 200, the fuel in the third fuel cell stack 25 with respect to the amount of fuel used in the first fuel cell stack 15. It is preferable that the ratio r 2 of the amount used satisfies 0.1 ≦ r 2 ≦ 0.8. Here, in order to satisfy this numerical range, when the current density per unit cell (cell) electrode area is equal between the first fuel cell stack 5 and the second fuel cell stack 7, the first fuel cell stack 15 The ratio of the effective electrode area of the third fuel cell stack 25 to the effective electrode area of the third fuel cell stack 25 or the ratio of the cell stack number of the third fuel cell stack 25 to the number of cell stacks of the first fuel cell stack 15 is r 2. Therefore, this value may be adjusted to 0.1 or more and 0.8 or less.
Here, the ratio of the effective electrode area of the third fuel cell stack 25 to the effective electrode area of the first fuel cell stack 15 is the area when the cell electrode areas of the stacked cells of each fuel cell stack are summed. It means ratio. In addition, regarding the ratio of the cell stack number of the third fuel cell stack 25 to the cell stack number of the first fuel cell stack 15, it is assumed that the cell areas of each fuel cell stack are equal.

上記rは、0.1≦r≦0.8を満たせばよいが、中でも0.35≦r≦0.8を満たすことが好ましく、0.4≦r≦0.8を満たすことがより好ましい。これにより、最新鋭の大規模集中火力発電と同等以上の発電効率を得ることができ、発電効率のより高い分散型燃料電池システムを提供することが可能である。 The r 2 may satisfy 0.1 ≦ r 2 ≦ 0.8, but preferably satisfies 0.35 ≦ r 2 ≦ 0.8, and satisfies 0.4 ≦ r 2 ≦ 0.8. It is more preferable. Thereby, it is possible to obtain a power generation efficiency equal to or higher than that of the state-of-the-art large-scale concentrated thermal power generation, and it is possible to provide a distributed fuel cell system with higher power generation efficiency.

さらに、上記比rは0.4≦r≦0.7を満たし、かつ、第1の改質器13に供給される炭化水素燃料の流量と、第2の改質器23に供給される炭化水素燃料の流量との比rは0.6≦r≦0.9を満たすことが好ましい。他にも、上記比rは0.5≦r≦0.6を満たし、かつ、第1の改質器13に供給される炭化水素燃料の流量と、第2の改質器23に供給される炭化水素燃料の流量との比rは0.5≦r≦1.2を満たすことが好ましい。これらの構成によれば、燃料電池スタックの長期安定性に優れ、かつ発電効率の高い燃料電池システムを提供することができる。 Further, the ratio r 2 satisfies 0.4 ≦ r 2 ≦ 0.7, and the flow rate of the hydrocarbon fuel supplied to the first reformer 13 and the second reformer 23 are supplied. The ratio r 3 to the flow rate of the hydrocarbon fuel preferably satisfies 0.6 ≦ r 3 ≦ 0.9. In addition, the ratio r 2 satisfies 0.5 ≦ r 2 ≦ 0.6, and the flow rate of the hydrocarbon fuel supplied to the first reformer 13 and the second reformer 23 The ratio r 3 to the flow rate of the supplied hydrocarbon fuel preferably satisfies 0.5 ≦ r 3 ≦ 1.2. According to these configurations, it is possible to provide a fuel cell system with excellent long-term stability of the fuel cell stack and high power generation efficiency.

本発明における燃料電池システムは、2段構成のスタックを有する燃料電池システムおよび3段構成のスタックを有する燃料電池システムに限定されない。そのため、2段構成のスタックを有する燃料電池システムについて、第2の燃料電池スタックの下流側に別の燃料電池スタックを設けて、3段構成以上のスタックを有する燃料電池システムとしてもよく、3段構成のスタックを有する燃料電池システムについて、第2の燃料電池スタックの下流側に別の燃料電池スタックを設けて、4段構成以上のスタックを有する燃料電池システムとしてもよい。   The fuel cell system according to the present invention is not limited to a fuel cell system having a two-stage stack and a fuel cell system having a three-stage stack. Therefore, a fuel cell system having a two-stage stack may be provided as a fuel cell system having a three-stage stack or more by providing another fuel cell stack downstream of the second fuel cell stack. Regarding the fuel cell system having the stack having the configuration, another fuel cell stack may be provided on the downstream side of the second fuel cell stack to provide a fuel cell system having a stack of four or more stages.

100、200 燃料電池システム
1、21 改質水供給管
2、12、22 炭化水素燃料供給管
3、13 第1の改質器
4、14、24 改質ガス供給管
5、15 第1の燃料電池スタック
6、11、16 排出ガス供給管
7、17 第2の燃料電池スタック
23 第2の改質器
25 第3の燃料電池スタック
202 固体酸化物電解質
204 燃料極
206 空気極
208 単電池
210 インターコネクタ
210A 改質ガス流路形成溝
210B 酸化剤ガス流路形成溝
100, 200 Fuel cell system 1, 21 Reformed water supply pipe 2, 12, 22 Hydrocarbon fuel supply pipe 3, 13 First reformer 4, 14, 24 Reformed gas supply pipe 5, 15 First fuel Battery stack 6, 11, 16 Exhaust gas supply pipe 7, 17 Second fuel cell stack 23 Second reformer 25 Third fuel cell stack 202 Solid oxide electrolyte 204 Fuel electrode 206 Air electrode 208 Single cell 210 Inter Connector 210A Reformed gas flow path forming groove 210B Oxidant gas flow path forming groove

Claims (10)

固体酸化物電解質、燃料極、および空気極を備える第1の燃料電池スタックと、
固体酸化物電解質、燃料極、および空気極を備え、前記第1の燃料電池スタックよりも下流に配置されており、前記第1の燃料電池スタックの燃料極側から排出される排出ガスが、燃料極側に供給される第2の燃料電池スタックと、
前記第1の燃料電池スタックの上流に配置され、炭化水素燃料を改質して改質ガスを生成し、生成された改質ガスを前記第1の燃料電池スタックの燃料極側に供給する第1の改質器と、
前記第1の改質器に炭化水素燃料を供給する第1の燃料供給手段と、
を備え、
前記第1の燃料電池スタックでの燃料使用量に対する前記第2の燃料電池スタックでの燃料使用量の比rは、0.35≦r≦1.0を満たす、燃料電池システム。
A first fuel cell stack comprising a solid oxide electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode;
A solid oxide electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode are disposed downstream of the first fuel cell stack, and an exhaust gas discharged from the fuel electrode side of the first fuel cell stack is a fuel. A second fuel cell stack supplied to the pole side;
A first fuel cell is disposed upstream of the first fuel cell stack, reforms the hydrocarbon fuel to generate a reformed gas, and supplies the generated reformed gas to the fuel electrode side of the first fuel cell stack. 1 reformer,
First fuel supply means for supplying hydrocarbon fuel to the first reformer;
With
The ratio r 1 of the fuel usage amount in the second fuel cell stack to the fuel usage amount in the first fuel cell stack satisfies 0.35 ≦ r 1 ≦ 1.0.
前記第1の改質器に供給される単位時間当たりの水蒸気の分子数Sと、前記第1の改質器に供給される単位時間当たりの炭化水素燃料の炭素原子数Cとの比であるスチームカーボン比S/Cは、1.6〜3.5である、請求項1に記載の燃料電池システム。   It is a ratio between the number S of steam molecules per unit time supplied to the first reformer and the number of carbon atoms C of hydrocarbon fuel per unit time supplied to the first reformer. The fuel cell system according to claim 1, wherein the steam carbon ratio S / C is 1.6 to 3.5. 第1の燃料電池スタックおよび第2の燃料電池スタックの合計の燃料利用率は、80%〜95%である、請求項1または請求項2に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein a total fuel utilization ratio of the first fuel cell stack and the second fuel cell stack is 80% to 95%. 前記比rは、0.35≦r≦0.6を満たす、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 4. The fuel cell system according to claim 1 , wherein the ratio r 1 satisfies 0.35 ≦ r 1 ≦ 0.6. 5. 固体酸化物電解質、燃料極、および空気極を備え、前記第1の改質器よりも上流に配置されており、燃料極側から排出される、水蒸気を含む排出ガスを、前記第1の改質器に供給する第3の燃料電池スタックをさらに備え、
前記第1の燃料電池スタックでの燃料使用量に対する前記第3の燃料電池スタックでの燃料使用量の比rは、0.1≦r≦0.8を満たす、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
An exhaust gas including water vapor, which includes a solid oxide electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode, is disposed upstream of the first reformer, and is exhausted from the fuel electrode side. A third fuel cell stack for supplying to the mass device;
The ratio r 2 of the fuel usage amount in the third fuel cell stack to the fuel usage amount in the first fuel cell stack satisfies 0.1 ≦ r 2 ≦ 0.8. 5. The fuel cell system according to any one of 4 above.
前記第3の燃料電池スタックの上流に配置され、炭化水素燃料を改質して改質ガスを生成し、生成された改質ガスを前記第3の燃料電池スタックの燃料極側に供給する第2の改質器と、
前記第2の改質器に炭化水素燃料を供給する第2の燃料供給手段と、
をさらに備える、請求項5に記載の燃料電池システム。
A first fuel cell is disposed upstream of the third fuel cell stack, reforms hydrocarbon fuel to generate reformed gas, and supplies the generated reformed gas to the fuel electrode side of the third fuel cell stack. Two reformers;
Second fuel supply means for supplying hydrocarbon fuel to the second reformer;
The fuel cell system according to claim 5, further comprising:
前記第2の改質器に供給される単位時間当たりの水蒸気の分子数Sと、前記第2の改質器に供給される単位時間当たりの炭化水素燃料の炭素原子数Cとの比であるスチームカーボン比S/Cは、1.6〜3.5である、請求項6に記載の燃料電池システム。   The ratio between the number S of water vapor molecules per unit time supplied to the second reformer and the number of carbon atoms C of hydrocarbon fuel per unit time supplied to the second reformer. The fuel cell system according to claim 6, wherein the steam carbon ratio S / C is 1.6 to 3.5. 前記比rは、0.35≦r≦0.8を満たす、請求項5〜請求項7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 5, wherein the ratio r 2 satisfies 0.35 ≦ r 2 ≦ 0.8. 前記比rは0.4≦r≦0.7を満たし、かつ、前記第1の改質器に供給される炭化水素燃料の流量と、前記第2の改質器に供給される炭化水素燃料の流量との比rは0.6≦r≦0.9を満たす、請求項6または請求項7に記載の燃料電池システム。 The ratio r 2 satisfies 0.4 ≦ r 2 ≦ 0.7, and the flow rate of the hydrocarbon fuel supplied to the first reformer and the carbonization supplied to the second reformer. 8. The fuel cell system according to claim 6, wherein a ratio r 3 to a flow rate of the hydrogen fuel satisfies 0.6 ≦ r 3 ≦ 0.9. 前記比rは0.5≦r≦0.6を満たし、かつ、前記第1の改質器に供給される炭化水素燃料の流量と、前記第2の改質器に供給される炭化水素燃料の流量との比rは0.5≦r≦1.2を満たす、請求項6または請求項7に記載の燃料電池システム。 The ratio r 2 satisfies 0.5 ≦ r 2 ≦ 0.6, and the flow rate of the hydrocarbon fuel supplied to the first reformer and the carbonization supplied to the second reformer. 8. The fuel cell system according to claim 6, wherein a ratio r 3 to a flow rate of hydrogen fuel satisfies 0.5 ≦ r 3 ≦ 1.2.
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