JP2016100137A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system which can acquire high power generation efficiency.SOLUTION: In a fuel cell system, a plurality of fuel cells is disposed along a supply direction of fuel, the fuel cells including an electrolyte, a fuel electrode, and air electrode. At least the electrolyte of the fuel cell located at the most upstream side includes a proton conductive electrolyte.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、酸素イオン導電性電解質、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)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 unit cells each including an oxygen ion conductive electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode is used. In a power generation method using SOFC, for example, hydrogen (H 2 ) generated by supplying steam to methane (CH 4 ) and steam serving as fuel to a reformer outside the SOFC and performing steam reforming is used as an air electrode. The oxygen in the air introduced into the gas dissociates at the interface with the electrolyte (O 2− ) and generates an electrochemical reaction at the interface between the electrolyte and the fuel electrode. Water is generated by this electrochemical reaction, 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.

また、SOFCの中には、空気極側から燃料極側に酸化物イオン(O2−)が移動する酸素イオン導電性電解質を(固体酸化物)電解質として用いた燃料電池システムだけでなく、燃料極側から空気極側にプロトン(H)が移動するプロトン導電性電解質を(固体酸化物)電解質として用いた燃料電池システムが知られている。より詳細には、複数の燃料電池を有し、前段の燃料電池では(固体酸化物)電解質として酸素イオン導電性電解質を用いており、後段の燃料電池では(固体酸化物)電解質としてプロトン導電性電解質を用いている燃料電池システム(燃料電池発電システム)が知られている(例えば、特許文献1、2を参照)。 In addition, the SOFC includes not only a fuel cell system using an oxygen ion conductive electrolyte in which oxide ions (O 2− ) move from the air electrode side to the fuel electrode side as a (solid oxide) electrolyte, but also a fuel. A fuel cell system using a proton conductive electrolyte in which protons (H + ) move from the electrode side to the air electrode side as a (solid oxide) electrolyte is known. More specifically, it has a plurality of fuel cells, and the former fuel cell uses an oxygen ion conductive electrolyte as the (solid oxide) electrolyte, and the latter fuel cell uses proton conductive as the (solid oxide) electrolyte. A fuel cell system (fuel cell power generation system) using an electrolyte is known (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

特開平4−87262号公報JP-A-4-87262 特開2011−181489号公報JP 2011-181489 A

特許文献1、2に記載の燃料電池システムは、複数の燃料電池を備え、前段の燃料電池の燃料極側に水蒸気が発生する。そして、燃料極側から発生した水蒸気を用いて燃料を水蒸気改質した後に、後段の燃料電池に改質後の燃料を供給して発電を行なうことにより、発電効率を高めている。しかしながら、これらの燃料電池システムでは、前段の燃料電池の燃料極側で発生した水蒸気が、後段の燃料電池へ供給されるため、後段の燃料電池に供給される燃料の濃度が低下する。その結果、後段の燃料電池の電圧が低下し、燃料電池システム全体について高い発電効率が得られないという問題が生じる。   The fuel cell systems described in Patent Documents 1 and 2 include a plurality of fuel cells, and water vapor is generated on the fuel electrode side of the preceding fuel cell. Then, after steam reforming the fuel using the steam generated from the fuel electrode side, the reformed fuel is supplied to the subsequent fuel cell to generate power, thereby improving the power generation efficiency. However, in these fuel cell systems, since the water vapor generated on the fuel electrode side of the preceding fuel cell is supplied to the subsequent fuel cell, the concentration of the fuel supplied to the subsequent fuel cell decreases. As a result, the voltage of the fuel cell in the subsequent stage is lowered, and there is a problem that high power generation efficiency cannot be obtained for the entire fuel cell system.

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、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 capable of obtaining high power generation efficiency.

上記課題は以下の手段により解決される。
<1> 電解質、燃料極および空気極を備える燃料電池が燃料の供給方向に沿って複数設置されており、少なくとも最も上流にある前記燃料電池の電解質がプロトン導電性電解質を含む、燃料電池システム。
The above problem is solved by the following means.
<1> A fuel cell system in which a plurality of fuel cells each including an electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode are installed along a fuel supply direction, and the electrolyte of at least the most upstream fuel cell includes a proton conductive electrolyte.

上記構成では、最も上流にある燃料電池が備える電解質は、プロトン導電性電解質を含む。その燃料電池では、燃料極側に供給された燃料ガスに含まれる水素に由来するプロトンが電解質を介して空気極側に移動して酸素と反応し発電を行なう。この発電に伴って生成する水蒸気は空気極側で生成し、水蒸気による燃料の希釈化が生じない。そのため、プロトン導電性電解質を含まない燃料電池を最も上流に設けた場合と比較して、発電効率をより高めることができる。   In the above configuration, the electrolyte included in the most upstream fuel cell includes a proton conductive electrolyte. In the fuel cell, protons derived from hydrogen contained in the fuel gas supplied to the fuel electrode side move to the air electrode side through the electrolyte and react with oxygen to generate electricity. The water vapor generated with this power generation is generated on the air electrode side, and the fuel is not diluted with water vapor. Therefore, compared with the case where the fuel cell which does not contain a proton conductive electrolyte is provided in the most upstream, power generation efficiency can be improved more.

<2> 最も上流にある前記燃料電池以外の少なくとも一つの燃料電池の電解質がプロトン導電性電解質を含む、<1>に記載の燃料電池システム。   <2> The fuel cell system according to <1>, wherein the electrolyte of at least one fuel cell other than the fuel cell at the most upstream includes a proton conductive electrolyte.

これにより、電解質がプロトン導電性電解質を含む燃料電池におけるセル電圧をより高めることができる。   Thereby, the cell voltage in the fuel cell in which the electrolyte includes a proton conductive electrolyte can be further increased.

<3> 前記燃料電池として、第1の燃料電池と第2の燃料電池とを備え、前記第1の燃料電池は、プロトン導電性電解質を含む電解質、燃料極、および空気極を備え、前記第2の燃料電池は、電解質、燃料極、および空気極を備え、前記第1の燃料電池よりも下流に配置されており、前記第1の燃料電池の燃料極側から排出される排出ガスが、前記第2の燃料電池の燃料極側に供給される、<1>または<2>に記載の燃料電池システム。   <3> The fuel cell includes a first fuel cell and a second fuel cell, and the first fuel cell includes an electrolyte including a proton conductive electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode, The fuel cell 2 includes an electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode, and is disposed downstream of the first fuel cell. An exhaust gas discharged from the fuel electrode side of the first fuel cell is The fuel cell system according to <1> or <2>, which is supplied to the fuel electrode side of the second fuel cell.

上記構成では、第1の燃料電池が備える電解質は、プロトン導電性電解質を含む。そして、第1の燃料電池では、燃料極側に供給された燃料ガスに含まれる水素に由来するプロトンが電解質を介して空気極側に移動して酸素と反応し発電を行なう。この発電に伴って生成する水蒸気は空気極側で生成し、水蒸気による燃料の希釈化が生じない。そのため、プロトン導電性電解質を含まない第1の燃料電池スタックを使用した場合と比較して、発電効率をより高めることができる。   In the above configuration, the electrolyte included in the first fuel cell includes a proton conductive electrolyte. In the first fuel cell, protons derived from hydrogen contained in the fuel gas supplied to the fuel electrode side move to the air electrode side through the electrolyte and react with oxygen to generate power. The water vapor generated with this power generation is generated on the air electrode side, and the fuel is not diluted with water vapor. Therefore, compared with the case where the 1st fuel cell stack which does not contain a proton conductive electrolyte is used, electric power generation efficiency can be improved more.

<4> 第1の燃料電池および第2の燃料電池の合計の燃料利用率は、80%〜95%である、<3>に記載の燃料電池システム。   <4> The fuel cell system according to <3>, wherein the total fuel utilization ratio of the first fuel cell and the second fuel cell 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.

<5> 前記第2の燃料電池の電解質は、プロトン導電性電解質を含む、<3>または<4>に記載の燃料電池システム。   <5> The fuel cell system according to <3> or <4>, wherein the electrolyte of the second fuel cell includes a proton conductive electrolyte.

第2の燃料電池の電解質がプロトン導電性電解質を含むことにより、第2の燃料電池におけるセル電圧をより高めることができる。   When the electrolyte of the second fuel cell includes the proton conductive electrolyte, the cell voltage in the second fuel cell can be further increased.

<6> 前記第1の燃料電池での燃料使用量に対する前記第2の燃料電池での燃料使用量(燃料が電気化学的に酸化される量)の比rは、0.35≦r≦1.0を満たす、<3>〜<5>のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 <6> The ratio r 1 of the amount of fuel used in the second fuel cell (the amount by which the fuel is electrochemically oxidized) to the amount of fuel used in the first fuel cell is 0.35 ≦ r 1 The fuel cell system according to any one of <3> to <5>, which satisfies ≦ 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の燃料電池の電極(燃料極)の酸化が抑制される。そのため、燃料電池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 is maintained to some extent, and oxidation of the electrode (fuel electrode) of the second fuel cell is suppressed. Therefore, long-term durability of the fuel cell 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 is suppressed from becoming too high. Thereby, while maintaining the long-term stability of a fuel cell, high power generation efficiency can be obtained.

<7> 前記第1の燃料電池の上流に配置され、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、をさらに備える、<3>〜<6>のいずれか1つに記載の燃料電池システム。   <7> Located upstream of the first fuel cell, 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. The fuel according to any one of <3> to <6>, further comprising: a first reformer; and a first fuel supply unit that supplies a hydrocarbon fuel to the first reformer. Battery system.

上記構成によれば、第1の改質器にて炭化水素燃料を改質することで水素を含む改質ガスが生成され、その改質ガスが第1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, a reformed gas containing hydrogen is generated by reforming the hydrocarbon fuel in the first reformer, and the reformed gas is supplied to the first fuel cell stack to generate power. Done.

<8> プロトン導電性電解質を含む電解質、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の燃料電池をさらに備え、前記第1の燃料電池での燃料使用量に対する前記第3の燃料電池での燃料使用量の比rは、0.1≦r<4.0を満たす、<7>に記載の燃料電池システム。 <8> An exhaust gas including water vapor, which includes an electrolyte including a proton conductive electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode, is disposed upstream of the first reformer, and is discharged from the fuel electrode side. The fuel cell further includes a third fuel cell that supplies the first reformer, and a ratio r 2 of a fuel usage amount in the third fuel cell to a fuel usage amount in the first fuel cell is 0. The fuel cell system according to <7>, wherein 0.1 ≦ r 2 <4.0 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4.0未満であることにより、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より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 less than 4.0, 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 has superior long-term durability of the fuel cell stack. A system can be provided.

<9> 前記第3の燃料電池の上流に配置され、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、<8>に記載の燃料電池システム。   <9> Located upstream of the third fuel cell, reforms the hydrocarbon fuel to generate a reformed gas, and supplies the generated reformed gas to the fuel electrode side of the third fuel cell. The fuel cell system according to <8>, further comprising a second reformer and a second fuel supply unit that supplies 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の燃料電池に供給されて発電が行なわれる。   According to the above configuration, the reformed gas containing hydrogen is generated by reforming the hydrocarbon fuel in the second reformer, and the reformed gas is supplied to the third fuel cell to generate power. It is.

<10> 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、<9>に記載の燃料電池システム。   <10> The number S of water vapor molecules per unit time supplied to the second reformer and the number C of carbon atoms of the hydrocarbon fuel per unit time supplied to the second reformer. The fuel cell system according to <9>, 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 is generated.

<11> 前記比rは、0.5≦r≦3.0を満たす、<8>〜<10>のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 <11> the ratio r 2 satisfies 0.5 ≦ r 2 ≦ 3.0, <8> The fuel cell system according to any one of ~ <10>.

比rが0.5以上であることにより、発電効率のより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3.0以下であることにより、第1の燃料電池スタック入口の閉回路電圧(OCVAi)の低下をより抑制でき、燃料電池スタックの長期耐久性により優れた燃料電池システムを提供することができる。 By the ratio r 2 is 0.5 or more, it is possible to provide a higher fuel cell system of the power generation efficiency. In addition, since the ratio r 2 is 3.0 or less, a decrease in the closed circuit voltage (OCVAi) at the inlet of the first fuel cell stack can be further suppressed, and a fuel cell system that is superior in long-term durability of the fuel cell stack Can be provided.

<12> 前記比rは、2.0≦r≦3.0を満たす、<8>〜<11>のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 <12> the ratio r 2 satisfies 2.0 ≦ r 2 ≦ 3.0, < 8> ~ fuel cell system according to any one of <11>.

比rが2.0以上であることにより、発電効率のさらに高い燃料電池システムを提供することが可能である。 By the ratio r 2 is 2.0 or more, it is possible to provide a higher fuel cell system of the power generation efficiency.

<13> 前記比rは1.0≦r≦3.0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r≧4を満たす、<9>または<10>に記載の燃料電池システム。 <13> The ratio r 2 satisfies 1.0 ≦ r 2 ≦ 3.0, 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 <9> or <10>, wherein a ratio r 3 to a flow rate of the hydrocarbon fuel to be satisfied satisfies r 3 ≧ 4.

この構成によれば、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 this configuration, 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.

<14> 壁部が気体透過性を有し、酸素または水素燃料を含む気体が流通し、前記壁部の外周上の少なくとも一部にて、前記気体の流通方向に沿って前記燃料電池が複数並設され、前記気体が前記壁部を透過して前記燃料電池の燃料極側または空気極側に供給される中空基体と、電子伝導性を有し、隣り合う前記燃料電池間の燃料極と空気極とを接続する導電部材と、を備える、<1>または<2>に記載の燃料電池システム。   <14> The wall portion has gas permeability, a gas containing oxygen or hydrogen fuel flows, and at least a part of the wall portion on the outer periphery has a plurality of the fuel cells along the gas flow direction. A hollow substrate that is arranged in parallel and that is supplied to the fuel electrode side or the air electrode side of the fuel cell through which the gas passes through the wall; and a fuel electrode between the adjacent fuel cells that has electronic conductivity. A fuel cell system according to <1> or <2>, comprising a conductive member that connects the air electrode.

<15> 前記中空基体は、流通する水素燃料を含む気体を、前記壁部を透過して前記燃料電池の燃料極側に供給する、<14>に記載の燃料電池システム。   <15> The fuel cell system according to <14>, wherein the hollow base body supplies a gas containing flowing hydrogen fuel to the fuel electrode side of the fuel cell through the wall portion.

これらの構成によれば、中空基体を流通する酸素または水素燃料を含む気体は、壁部を介して、気体が酸素を含む場合は空気極に供給され、気体が水素燃料を含む場合は燃料極に供給されて発電に使用される。特に、気体が水素燃料を含む場合は、水素燃料に由来するプロトンが電解質を介して空気極側に移動して酸素と反応し、空気極側にて水蒸気が生じる。そのため、中空基体を流通する水素燃料を含む気体について、水蒸気による燃料の希釈化が生じず、プロトン導電性電解質を含まない燃料電池スタックを使用した場合と比較して、発電効率をより高めることができる。   According to these configurations, the gas containing oxygen or hydrogen fuel flowing through the hollow substrate is supplied to the air electrode through the wall when the gas contains oxygen, and when the gas contains hydrogen fuel, the fuel electrode is supplied. To be used for power generation. In particular, when the gas contains hydrogen fuel, protons derived from the hydrogen fuel move to the air electrode side through the electrolyte, react with oxygen, and water vapor is generated on the air electrode side. Therefore, for the gas containing hydrogen fuel flowing through the hollow substrate, the fuel is not diluted with water vapor, and the power generation efficiency can be further improved as compared with the case of using the fuel cell stack not containing the proton conductive electrolyte. it can.

<16> 前記プロトン導電性電解質は、以下の式(I)で表される化合物および式(II)で表される化合物より選ばれる少なくとも一種である、<1>〜<15>のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
1−δ(Ce1−x−yZr)O・・・・(I)
(La2−zCa)Ce・・・・(II)
(式(I)中、MはBaまたはSrを表し、RはY、Gd、InまたはYbを表し、δは−0.1〜0.1、xは0〜1、およびyは0〜0.5を表し、1−x−y≧0を満たす。式(II)中、zは0〜1を表す。)
<16> The proton conductive electrolyte is any one of <1> to <15>, which is at least one selected from a compound represented by the following formula (I) and a compound represented by the formula (II): The fuel cell system described in 1.
M 1-δ (Ce 1-xy Zr x R y ) O 3 ... (I)
(La 2-z Ca z) Ce 2 O 7 ···· (II)
(In the formula (I), M represents Ba or Sr, R represents Y, Gd, In or Yb, δ represents −0.1 to 0.1, x represents 0 to 1, and y represents 0 to 0. .5, and 1-xy ≧ 0 is satisfied.In formula (II), z represents 0 to 1.)

これらの化合物はプロトン導電性電解質として好適に用いることができる。   These compounds can be suitably used as a proton conductive electrolyte.

本発明によれば、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 capable of obtaining high power generation efficiency.

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、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る。In the present embodiment, it is a graph showing a fuel utilization rate of the first fuel cell stack and the second fuel cell stack when changing the r 1. 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、その断面図であり、(b)は、その上面図である。It is a schematic block diagram which shows the fuel cell system which concerns on other embodiment of this invention, (a) is the sectional drawing, (b) is the top view. 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、その斜視図であり、(b)は、その断面図である。It is a schematic block diagram which shows the fuel cell system which concerns on other embodiment of this invention, (a) is the perspective view, (b) is the sectional drawing. 比較例において、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 Comparative Example is a graph showing the power generation efficiency of the fuel cell system when changing the r 1.

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.

本発明に係る燃料電池システムは、電解質、燃料極および空気極を備える燃料電池が燃料の供給方向に沿って複数設置されており、少なくとも最も上流にある前記燃料電池の電解質がプロトン導電性電解質を含む。
上記構成では、最も上流にある燃料電池が備える電解質は、プロトン導電性電解質を含む。その燃料電池では、燃料極側に供給された燃料ガスに含まれる水素に由来するプロトンが電解質を介して空気極側に移動して酸素と反応し発電を行なう。この発電に伴って生成する水蒸気は空気極側で生成し、水蒸気による燃料の希釈化が生じない。そのため、プロトン導電性電解質を含まない燃料電池を最も上流に設けた場合と比較して、発電効率をより高めることができる。
In the fuel cell system according to the present invention, a plurality of fuel cells each including an electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode are installed along a fuel supply direction, and the electrolyte of at least the most upstream fuel cell includes a proton conductive electrolyte. Including.
In the above configuration, the electrolyte included in the most upstream fuel cell includes a proton conductive electrolyte. In the fuel cell, protons derived from hydrogen contained in the fuel gas supplied to the fuel electrode side move to the air electrode side through the electrolyte and react with oxygen to generate electricity. The water vapor generated with this power generation is generated on the air electrode side, and the fuel is not diluted with water vapor. Therefore, compared with the case where the fuel cell which does not contain a proton conductive electrolyte is provided in the most upstream, power generation efficiency can be improved more.

また、本発明に係る燃料電池システムは、最も上流にある前記燃料電池の電解質がプロトン導電性電解質を含んでいればよく、その燃料電池よりも下流に設置される燃料電池の電解質はプロトン導電性電解質を含んでいてもよく、含んでいなくてもよい。下流に設置される燃料電池の電解質がプロトン導電性電解質を含む場合、最も上流にある燃料電池以外の少なくとも一つの燃料電池の電解質がプロトン導電性電解質を含むことが好ましく、全ての燃料電池の電解質がプロトン導電性電解質を含むことがより好ましい。   Further, in the fuel cell system according to the present invention, it is only necessary that the electrolyte of the fuel cell at the most upstream contains a proton conductive electrolyte, and the electrolyte of the fuel cell installed downstream from the fuel cell is proton conductive. It may or may not contain an electrolyte. When the electrolyte of the fuel cell installed downstream includes a proton conductive electrolyte, it is preferable that the electrolyte of at least one fuel cell other than the most upstream fuel cell includes a proton conductive electrolyte, and all the fuel cell electrolytes More preferably includes a proton conductive electrolyte.

なお、本発明の燃料電池システムは、燃料電池が少なくとも2つ以上が燃料の供給方向に沿って(列をなして)設置されていればよく、以下に説明する2つの燃料電池(燃料電池スタック)を備える燃料電池システム100あるいは3つの燃料電池(燃料電池スタック)を備える燃料電池システム200は本発明の一実施形態にすぎず、本発明はこれらの実施形態に限定されない。   In the fuel cell system of the present invention, it is sufficient that at least two fuel cells are installed along the fuel supply direction (in a row), and two fuel cells (fuel cell stacks) described below are used. ) Or a fuel cell system 200 including three fuel cells (fuel cell stack) is merely one embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to these embodiments.

次に、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(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。   Next, an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating a fuel cell system according to the present embodiment, (a) is a diagram illustrating an overall configuration of the fuel cell system, and (b) is a fuel cell ( It is a figure which shows that the fuel cell stack 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、燃料電池として、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とを備え、第1の燃料電池スタック5は、プロトン導電性電解質を含む電解質、燃料極、および空気極を備え、第2の燃料電池スタック7は、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、第2の燃料電池スタック7の燃料極側に直接(即ち、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との間で改質器を介することなく)供給される。さらに、燃料電池システム100は、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13に炭化水素燃料を供給する第1の燃料供給手段と、を備えている。
[Fuel cell system 100]
A fuel cell system 100 according to an embodiment of the present invention includes a first fuel cell stack 5 and a second fuel cell stack 7 as fuel cells, and the first fuel cell stack 5 includes a proton conductive electrolyte. The second fuel cell stack 7 includes an electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode, and is disposed downstream of the first fuel cell stack 5. The exhaust gas discharged from the fuel electrode side of one fuel cell stack 5 is directly directed to the fuel electrode side of the second fuel cell stack 7 (that is, the first fuel cell stack 5 and the second fuel cell stack 7 (Without going through a reformer). Further, the fuel cell system 100 is disposed upstream of the first fuel cell stack 5, reforms the hydrocarbon fuel to generate a reformed gas, and uses the generated reformed gas as the first fuel cell stack 5. The first reformer 3 that supplies fuel to the fuel electrode side and first fuel supply means that supplies hydrocarbon fuel to the first reformer 13 are provided.

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、中でも水蒸気改質が好ましい。以下の燃料電池システム100では、好ましい改質方法である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. Among them, steam reforming is preferable. In the following fuel cell system 100, a case where steam reforming, which is a preferred reforming method, is described, but the present invention is not limited to this.

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。   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.

燃料電池システム100では、第1の燃料電池スタック5が備える電解質は、プロトン導電性電解質を含む。そして、第1の燃料電池スタック5では、燃料極側に供給された燃料ガス(改質ガス)に含まれる水素に由来するプロトンが電解質を介して空気極側に移動して酸素と反応し発電を行なう。この発電に伴って生成する水蒸気は空気極側で生成し、水蒸気による燃料の希釈化が生じない。そのため、電解質が酸素イオン導電性電解質であり、かつプロトン導電性電解質を含まない燃料電池スタックを使用した場合と比較して、発電効率をより高めることができる。   In the fuel cell system 100, the electrolyte included in the first fuel cell stack 5 includes a proton conductive electrolyte. In the first fuel cell stack 5, protons derived from hydrogen contained in the fuel gas (reformed gas) supplied to the fuel electrode side move to the air electrode side through the electrolyte and react with oxygen to generate power. To do. The water vapor generated with this power generation is generated on the air electrode side, and the fuel is not diluted with water vapor. Therefore, compared with the case where the fuel is an oxygen ion conductive electrolyte and does not include a proton conductive electrolyte, the power generation efficiency can be further increased.

また、燃料電池システム100では、燃料の希釈化が生じないため、下流の燃料電池スタック、つまり第2の燃料電池スタック7のセル電圧の低下が抑制され、燃料電池スタックは長期安定性に優れる。   Further, in the fuel cell system 100, since fuel dilution does not occur, a decrease in the cell voltage of the downstream fuel cell stack, that is, the second fuel cell stack 7 is suppressed, and the fuel cell stack is excellent in long-term stability.

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、炭素析出が抑制される。   Exhaust gas (unreacted gas containing hydrogen) discharged from the fuel electrode side of the first fuel cell stack 5 is supplied to the fuel electrode side of the second fuel cell stack 7 via the exhaust gas supply pipe 6. . Electric power is generated in the second fuel cell stack 7 by reacting the supplied gas, and additional hydrocarbon fuel is supplied between the first fuel cell stack and the second fuel cell stack. I have not done it. 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 suppressed.

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にて水蒸気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 steam reformed in 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、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 a reformed gas containing 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.

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 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、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。さらに、燃料電池システム100において、第1の燃料電池スタック5の電解質は、プロトン導電性電解質を含んでいる。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中に含まれる水素に由来する水素イオンと、空気極側に供給された酸素と、を電気化学的に反応させて発電を行なう。水素イオンを反応させることにより生成される水蒸気は、空気極側から排出され、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、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 an 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. Further, in the fuel cell system 100, the electrolyte of the first fuel cell stack 5 includes a proton conductive electrolyte. The first fuel cell stack 5 electrically supplies hydrogen ions derived from hydrogen contained in the reformed gas supplied from the reformed gas supply pipe 4 to the fuel electrode side and oxygen supplied to the air electrode side. Power is generated by chemical reaction. Water vapor generated by reacting hydrogen ions is discharged from the air electrode side, and unreacted reformed gas is discharged to the exhaust gas supply pipe 6 as exhaust gas. The specific configuration of the fuel cell stack, electrolyte, fuel electrode, and 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、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。本実施形態に係る第2の燃料電池スタック7の電解質は、プロトン導電性電解質を含んでいなくてもよいが、プロトン導電性電解質を含んでいることが好ましい。   The second fuel cell stack 7 includes an electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode, is disposed downstream of the first fuel cell stack 5, and is connected to the exhaust gas supply pipe 6 on the fuel electrode side. Yes. The electrolyte of the second fuel cell stack 7 according to the present embodiment may not include a proton conductive electrolyte, but preferably includes a proton conductive electrolyte.

第2の燃料電池スタック7の電解質が、プロトン導電性電解質を含んでいない場合、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中に含まれる水素と、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、反応により生じた水蒸気および未反応ガスは燃料極側から排出される。   In the case where the electrolyte of the second fuel cell stack 7 does not contain a proton conductive electrolyte, the second fuel cell stack 7 contains hydrogen contained in the exhaust gas supplied from the exhaust gas supply pipe 6 to the fuel electrode side. Then, electricity is generated by electrochemically reacting oxygen ions derived from oxygen supplied to the air electrode side. Then, water vapor and unreacted gas generated by the reaction are discharged from the fuel electrode side.

一方、第2の燃料電池スタック7の電解質が、プロトン導電性電解質を含んでいる場合、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中に含まれる水素に由来する水素イオンと、空気極側に供給された酸素と、を電気化学的に反応させて発電を行なう。そして、反応により生じた水蒸気は空気極側から排出され、未反応ガスは燃料極側から排出される。このような構成によれば、第2の燃料電池スタック7の燃料極側から排出される排出ガスには水蒸気が含まれないことから、未反応ガスが希釈化されず、第2の燃料電池スタック7の後段に更に燃料電池スタックを配置する等、システム構成を柔軟に拡張することが可能となる。   On the other hand, when the electrolyte of the second fuel cell stack 7 includes a proton conductive electrolyte, the second fuel cell stack 7 is included in the exhaust gas supplied from the exhaust gas supply pipe 6 to the fuel electrode side. Electricity is generated by electrochemically reacting hydrogen ions derived from hydrogen and oxygen supplied to the air electrode side. The water vapor generated by the reaction is discharged from the air electrode side, and the unreacted gas is discharged from the fuel electrode side. According to such a configuration, since the exhaust gas discharged from the fuel electrode side of the second fuel cell stack 7 does not contain water vapor, the unreacted gas is not diluted and the second fuel cell stack It is possible to flexibly expand the system configuration, for example, by disposing a fuel cell stack further in the subsequent stage.

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を満たしていることが好ましい。 The ratio r 1 of the amount of fuel used in the second fuel cell stack 7 to the amount of fuel used in the first fuel cell stack 5 (the amount by which the fuel is electrochemically oxidized) is 0.35 ≦ r 1 ≦ It is preferable that 1.0 is satisfied.

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 has an effective electrode area relative to the effective electrode area of the first fuel cell stack 5. Since 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 , this value is 0.35 or more and 1 Adjust to less than 0.0.
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 ratio when the cell areas of the stacked cells of each fuel cell stack are summed. Means. 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.

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、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。   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 single cells 208 having an 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).

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、層状の電解質202と、層状の電解質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(導電部材)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 electrolyte 202, a layered fuel electrode 204 joined to one surface of the layered electrolyte 202, and a layered electrolyte 202. It is comprised with the laminated body of the layered air electrode 206 joined to one surface. The plurality of single cells 208 are stacked via an interconnector (conductive member) 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.

電解質202は、プロトン導電性電解質を含む電解質であればよい。プロトン導電性電解質は、プロトン導電性を有する電解質であれば特に限定されないが、例えば、ペロブスカイト構造、パイロクロア構造などを有する電解質が好ましい。プロトン導電性電解質としては、以下の式(I)で表される化合物(ペロブスカイト構造)および式(II)で表される化合物(パイロクロア構造)の少なくとも一方であることが好ましい。   The electrolyte 202 may be an electrolyte containing a proton conductive electrolyte. The proton conductive electrolyte is not particularly limited as long as it is an electrolyte having proton conductivity. For example, an electrolyte having a perovskite structure, a pyrochlore structure, or the like is preferable. The proton conductive electrolyte is preferably at least one of a compound represented by the following formula (I) (perovskite structure) and a compound represented by formula (II) (pyrochlore structure).

1−δ(Ce1−x−yZr)O・・・・(I)
(La2−z)Ce・・・・(II)
(式(I)中、MはBaまたはSrを表し、RはY、Gd、InまたはYbを表し、δは−0.1〜0.1、xは0〜1、およびyは0〜0.5を表し、1−x−y≧0を満たす。式(II)中、CはCoまたはCaを表し、zは0〜1を表す。また、Cは、好ましくはCaである。)
M 1-δ (Ce 1-xy Zr x R y ) O 3 ... (I)
(La 2-z C z) Ce 2 O 7 ···· (II)
(In the formula (I), M represents Ba or Sr, R represents Y, Gd, In or Yb, δ represents −0.1 to 0.1, x represents 0 to 1, and y represents 0 to 0. .5 and satisfies 1-xy ≧ 0. In formula (II), C represents Co or Ca, z represents 0 to 1, and C is preferably Ca.)

プロトン導電性電解質としては、以下の式(III)〜式(VI)で表される化合物の少なくともいずれかであることがより好ましく、安定性を考慮すると、式(V)、式(VI)で表される化合物のいずれかであることがさらに好ましい。   The proton conductive electrolyte is more preferably at least one of the compounds represented by the following formulas (III) to (VI). In consideration of stability, the proton conductive electrolyte is represented by formulas (V) and (VI). More preferably, it is any of the represented compounds.

Ba1−δ(Ce1−x−yZr)O(BCZY)・・・(III)
Ba1−δ(ZrCe1−x−y)O(BZCY)・・・(IV)
Ba1−δ(ZrIn)O(BZI)・・・(V)
La2−zCaCe(LCCO)・・・(VI)
(式(III)〜(VI)中、δは−0.1〜0.1、xは0〜1、yは0〜0.5およびzは0〜1を表し、1−x−y≧0を満たす。ただし、式(III)では1−2x−y≧0を満たし、式(IV)では2x+y−1<0を満たす。)
Ba 1-δ (Ce 1-xy Zr x Y y ) O 3 (BCZY) (III)
Ba 1-δ (Zr x Ce 1-xy Y y ) O 3 (BZCY) (IV)
Ba 1-δ (Zr x In y ) O 3 (BZI) (V)
La 2-z Ca z Ce 2 O 7 (LCCO) ··· (VI)
(In the formulas (III) to (VI), δ represents −0.1 to 0.1, x represents 0 to 1, y represents 0 to 0.5, and z represents 0 to 1, and 1−xy ≧ (However, in formula (III), 1-2x−y ≧ 0 is satisfied, and in formula (IV), 2x + y−1 <0 is satisfied.)

さらに、上記BCZYとしては、例えば、Ba0.98Ce0.6Zr0.20.23ーdが好ましく、上記BZCYとしては、例えば、BaZr0.6Ce0.40.23−dが好ましく、上記BZIとしては、例えば、BaZr0.7In0.33ーdが好ましく、上記LCCOとしては、例えば、La1.95Ca0.05Ce7ーdが好ましい(なお、d≒0)。 Further, as the BCZY, for example, preferably Ba 0.98 Ce 0.6 Zr 0.2 Y 0.2 O 3 over d, As the BZCY, for example, BaZr 0.6 Ce 0.4 Y 0. preferably 2 O 3-d, as the above BZI, for example, preferably BaZr 0.7 in 0.3 O 3 over d, as the LCCO, for example, La 1.95 Ca 0.05 Ce 2 O 7 over d is preferable (d≈0).

電解質202は、プロトン導電性電解質からなる電解質であってもよいが、酸素イオン導電性電解質を含む電解質であってもよい。電解質202が酸素イオン導電性電解質を含む場合、酸素イオン導電性電解質の含有量は、10質量%以下であることが好ましい。   The electrolyte 202 may be an electrolyte made of a proton conductive electrolyte, or may be an electrolyte containing an oxygen ion conductive electrolyte. When the electrolyte 202 contains an oxygen ion conductive electrolyte, the content of the oxygen ion conductive electrolyte is preferably 10% by mass or less.

酸素イオン導電性電解質は、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 oxygen ion conductive electrolyte is composed of, for example, a dense body of oxide ion 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、供給された水素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、NiO、BCZY−NiO、BZCY−NiO、BZI−NiO、LCCO−NiOなどの材料により構成されていてもよく、BCZY−NiO、BZCY−NiO、BZI−NiO、LCCO−NiOについては、材料全体に対して、50質量%〜70質量%のNiOを含んでいることが好ましい。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, the supplied hydrogen reacts 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 electrolyte 202 or the like at a high temperature. The fuel electrode 204 may be made of, for example, a material such as NiO, BCZY-NiO, BZCY-NiO, BZI-NiO, LCCO-NiO, and BCZY-NiO, BZCY-NiO, BZI-NiO, LCCO-NiO. About, it is preferable that 50 mass%-70 mass% NiO is included with respect to the whole material. 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燃料極側から移動してきたプロトンと反応する際に電子を取り込んで、水(水蒸気)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、BSCF(Ba、Sr、Co、Feおよび酸素からなる化合物)、BSCFT(Ba、Sr、Co、Fe、Tiおよび酸素からなる化合物)、PBC(Pr、Br、Coおよび酸素からなる化合物)、BZYP(Ba、Zr、Y、Fe、Prおよび酸素からなる化合物)、LSCF(La、Sr、Co、Feおよび酸素からなる化合物)、BSCF−BCZY、BSCFT−BZCY、PBC−BZYP、LSCF−LCCOなどの材料により構成されていてもよい。BSCF−BCZY、BSCFT−BZCY、PBC−BZYP、LSCF−LCCOについては、材料全体に対して、50質量%〜70質量%のBSCF、BSCFT、PBC、LSCFをそれぞれ含んでいることが好ましい。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. In the air electrode 206, when oxygen in the oxidant gas reacts with protons that have moved from the fuel electrode side, electrons are taken in to form water (water vapor). The air electrode 206 is preferably, for example, porous, has high electron conductivity, and does not easily cause a solid-solid reaction with the electrolyte 202 or the like at a high temperature. The air electrode 206 includes, for example, BSCF (compound composed of Ba, Sr, Co, Fe and oxygen), BSCFT (compound composed of Ba, Sr, Co, Fe, Ti and oxygen), PBC (Pr, Br, Co and oxygen). Compound), BZYP (compound consisting of Ba, Zr, Y, Fe, Pr and oxygen), LSCF (compound consisting of La, Sr, Co, Fe and oxygen), BSCF-BCZY, BSCFT-BZCY, PBC-BZYP Or LSCF-LCCO. About BSCF-BCZY, BSCFT-BZCY, PBC-BZYP, and LSCF-LCCO, it is preferable that 50 mass%-70 mass% BSCF, BSCFT, PBC, and LSCF are included respectively with respect to the whole material. The air electrode 206 may be composed of a mixed material obtained by mixing two or more of the above materials.

さらに、上記BSCFとしては、例えば、Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.23−dが好ましく、上記BSCFTとしては、例えば、Ba0.5Sr0.5(Co0.8Fe0.20.9Ti0.13−dが好ましく、上記PBCとしては、例えば、PrBrCo5+dが好ましく、上記BZYPとしては、例えば、BaZr0.70.2FePr0.13−dが好ましく、上記LSCFとしては、例えば、LaSrCo1.5Fe1.510−dが好ましい(なお、d≒0)。 Further, as the BSCF, for example, Ba 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Fe 0.2 O 3-d is preferable, and as the BSCFT, for example, Ba 0.5 Sr 0.5 (Co 0 .8 Fe 0.2 ) 0.9 Ti 0.1 O 3-d is preferable, and as the PBC, for example, PrBrCo 2 O 5 + d is preferable, and as the BZYP, for example, BaZr 0.7 Y 0.2 FePr 0.1 O 3-d is preferable, and as the LSCF, for example, LaSr 3 Co 1.5 Fe 1.5 O 10-d is preferable (d≈0).

インターコネクタ210は、燃料極204または空気極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の燃料極204には、水素を含む改質ガスが供給され、水素について、以下の式(c)に示す反応が起こり、その際、水素イオン(プロトン)が電解質202の内部を移動する。   Next, an electrochemical reaction that occurs in the unit cell 208 will be described. First, a reformed gas containing hydrogen is supplied to the fuel electrode 204 of the unit cell 208, and a reaction represented by the following formula (c) occurs with respect to the hydrogen. To move.

→2H+2e・・・・(c) H 2 → 2H + + 2e (c)

また、空気極206には、酸素を含む酸化剤ガスが供給される。供給された酸素と、電解質202の内部を移動する水素イオンと、が空気極206と電解質202との界面にて反応する。反応式は以下の式(d)に示すとおりである。   The air electrode 206 is supplied with an oxidant gas containing oxygen. The supplied oxygen reacts with hydrogen ions moving inside the electrolyte 202 at the interface between the air electrode 206 and the electrolyte 202. The reaction formula is as shown in the following formula (d).

4H+O+4e→2HO・・・・(d) 4H + + O 2 + 4e → 2H 2 O (d)

上記式(d)に示すような、単電池での水素イオンの電気化学的な反応により、水蒸気が生成され、発電が行なわれる。   Water vapor is generated by the electrochemical reaction of hydrogen ions in the unit cell as shown in the above formula (d), and 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。   Hydrogen that has not been used in the first fuel cell stack 5 is discharged from the fuel electrode side of the first fuel cell stack 5, and the fuel electrode of the second fuel cell stack 7 is passed through the exhaust gas supply pipe 6. It is supplied directly to the 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.

なお、第2の燃料電池スタック7は、第1の燃料電池スタック5と同様に電解質にプロトン導電性電解質を含むスタックであってもよく、この場合、第2の燃料電池スタック7の構成は、第1の燃料電池スタック5と同様である。一方、第2の燃料電池スタック7は、電解質にプロトン導電性電解質を含まず、前述の酸素イオン導電性電解質からなる電解質を備えるスタックであってもよい。   Note that the second fuel cell stack 7 may be a stack containing a proton conductive electrolyte in the electrolyte as in the first fuel cell stack 5, and in this case, the configuration of the second fuel cell stack 7 is This is the same as the first fuel cell stack 5. On the other hand, the second fuel cell stack 7 may be a stack including an electrolyte made of the above-described oxygen ion conductive electrolyte without including a proton conductive electrolyte in the electrolyte.

第2の燃料電池スタック7が、酸素イオン導電性電解質からなる電解質を備える場合、燃料極は、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することができる。空気極は、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することができる。LaMnO系酸化物の具体例としては、例えば、La0.8Sr0.2MnO(LSM)や、La0.6Ca0.4MnO(LCM)等が挙げられる。燃料極および空気極は、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。 When the second fuel cell stack 7 includes an electrolyte made of an oxygen ion conductive electrolyte, the fuel electrode is made of, for example, Ni, yttria stabilized zirconia (YSZ) -nickel metal porous cermet, scandia stabilized zirconia (ScSZ). ) -Nickel metal porous cermet or the like. The air electrode can be 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 the LaMnO 3 -based oxide include La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 (LSM) and La 0.6 Ca 0.4 MnO 3 (LCM). The fuel electrode and the air electrode may be composed of a mixed material obtained by mixing two or more of the above materials.

次に、図1に示す燃料電池システム100とは異なる形態の燃料電池システムについて、図6、7を用いて、以下に説明する。図6、7は、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る。なお、前述した第1の燃料電池スタック5の各構成と同じ名称の構成については、第1の燃料電池スタック5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。   Next, a fuel cell system of a form different from the fuel cell system 100 shown in FIG. 1 will be described below with reference to FIGS. 6 and 7 are schematic configuration diagrams showing a fuel cell system according to another embodiment of the present invention. In addition, about the structure of the same name as each structure of the 1st fuel cell stack 5 mentioned above, the description in the 1st fuel cell stack 5 shall be used, and the detailed description is abbreviate | omitted.

図6に示す燃料電池システム300は、壁部が気体透過性を有し、水素燃料を含む気体が流通する中空基体(支持基体)301を備え、前記壁部の外周上の一部にて、前記気体の流通方向に沿って、燃料極304、プロトン導電性電解質を含む(あるいはプロトン導電性電解質からなる)電解質302、および空気極306をこの順に備える燃料電池308が複数並設されている。燃料電池308については、壁部側から見て、燃料極304と、電解質302と、空気極306と、がこの順に積層されている。なお、本実施形態では、電解質302、および空気極306をこの順に備える単電池を燃料電池としている。   The fuel cell system 300 shown in FIG. 6 includes a hollow base body (support base body) 301 in which a wall portion has gas permeability and a gas containing hydrogen fuel circulates. A plurality of fuel cells 308 including a fuel electrode 304, an electrolyte 302 containing a proton conductive electrolyte (or made of a proton conductive electrolyte), and an air electrode 306 are arranged in parallel along the gas flow direction. As for the fuel cell 308, as viewed from the wall side, a fuel electrode 304, an electrolyte 302, and an air electrode 306 are stacked in this order. In the present embodiment, a unit cell including the electrolyte 302 and the air electrode 306 in this order is a fuel cell.

中空基体301は、上流側にて改質ガス供給管(図示せず)と接続し、下流側にて排出ガス供給管と接続しており、改質ガス供給管から供給された改質ガス(水素燃料を含む気体)は、中空基体内部の改質ガス流路311を流通する。そして、中空基体301の壁部は気体透過性を有し、その壁部の外周上に複数の燃料電池308が気体の流通方向に沿って並設されている。そのため、気体透過性を有する壁部を介して、改質ガスが燃料電池308の燃料極304側に供給され、改質ガスに含まれる水素について、上記の式(c)に示す反応が起こり、その際に水素イオンが電解質302の内部を移動する。   The hollow substrate 301 is connected to a reformed gas supply pipe (not shown) on the upstream side, and connected to an exhaust gas supply pipe on the downstream side, and the reformed gas supplied from the reformed gas supply pipe ( Gas containing hydrogen fuel) flows through the reformed gas passage 311 inside the hollow substrate. The wall portion of the hollow substrate 301 has gas permeability, and a plurality of fuel cells 308 are arranged along the gas flow direction on the outer periphery of the wall portion. Therefore, the reformed gas is supplied to the fuel electrode 304 side of the fuel cell 308 through the wall having gas permeability, and the reaction represented by the above formula (c) occurs with respect to hydrogen contained in the reformed gas, At that time, hydrogen ions move inside the electrolyte 302.

また、酸素を含む気体(酸化剤ガス)が燃料電池308の空気極306側に供給され、供給された酸素と、電解質302の内部を移動する水素イオンと、が空気極306と電解質302との界面にて反応する(上記式(d))。これにより、燃料電池308での水素イオンの電気化学的な反応により、水蒸気が生成され、発電が行なわれる。   In addition, a gas containing oxygen (oxidant gas) is supplied to the air electrode 306 side of the fuel cell 308, and the supplied oxygen and hydrogen ions moving inside the electrolyte 302 form the air electrode 306 and the electrolyte 302. It reacts at the interface (the above formula (d)). As a result, water vapor is generated by the electrochemical reaction of hydrogen ions in the fuel cell 308 to generate power.

隣接する燃料電池間の燃料極と空気極とは、電子導電性を有するインターコネクタ310を介して接続されている。インターコネクタ310は、燃料極304又は空気極306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。これによって複数の燃料電池308は電気的に直列に接続される。インターコネクタ310の形状を変えて、複数の燃料電池308の燃料極304同士を接続するようにし、かつ空気極306を覆うようにメッシュ状電極等を接続することで、空気極306側で発生する水蒸気の排出を妨げることなく、複数の燃料電池308を電気的に並列に接続することも可能である。なお、図6(b)では、インターコネクタ310を省略している。   A fuel electrode and an air electrode between adjacent fuel cells are connected via an interconnector 310 having electronic conductivity. The interconnector 310 is composed of an electron conductive member in order to exchange electrons with the fuel electrode 304 or the air electrode 306. As a result, the plurality of fuel cells 308 are electrically connected in series. It is generated on the air electrode 306 side by changing the shape of the interconnector 310 so that the fuel electrodes 304 of the plurality of fuel cells 308 are connected to each other and a mesh electrode or the like is connected so as to cover the air electrode 306. It is also possible to electrically connect a plurality of fuel cells 308 in parallel without hindering the discharge of water vapor. In FIG. 6B, the interconnector 310 is omitted.

空気極306と電解質302との界面にて水素イオンの電気化学的な反応が起こるため、発電時に空気極306側に水蒸気が生成される。ここで、電解質がプロトン導電性電解質を含まない場合には、発電時に燃料極側に水蒸気が生成され、生成された水蒸気が中空基体301の壁部を介して改質ガス流路311に供給されることにより、燃料の希釈化が生じるおそれがある。しかし、本形態のように電解質がプロトン導電性電解質を含む場合には、発電時に空気極側に水蒸気が生成されるため、生成された水蒸気が中空基体301の壁部を介して改質ガス流路311に供給されることが抑制され、燃料の希釈化が生じず、発電効率をより高めることができる。   Since an electrochemical reaction of hydrogen ions occurs at the interface between the air electrode 306 and the electrolyte 302, water vapor is generated on the air electrode 306 side during power generation. Here, when the electrolyte does not include a proton conductive electrolyte, water vapor is generated on the fuel electrode side during power generation, and the generated water vapor is supplied to the reformed gas flow path 311 through the wall portion of the hollow substrate 301. As a result, the fuel may be diluted. However, when the electrolyte includes a proton conductive electrolyte as in this embodiment, since water vapor is generated on the air electrode side during power generation, the generated water vapor flows through the wall portion of the hollow base body 301. Supply to the path 311 is suppressed, fuel dilution does not occur, and power generation efficiency can be further increased.

中空基体301は、気体透過性を有する多孔質材料から形成されていることが好ましく、例えば、セラミック材料、金属材料などを好適に用いることができる。また中空基体301の形状としては、中空基体301の壁部の外周上に燃料電池308を設置できる形状であれば特に限定されず、例えば、四角形状、円筒形状などであってもよい。   The hollow substrate 301 is preferably formed of a porous material having gas permeability, and for example, a ceramic material, a metal material, or the like can be suitably used. The shape of the hollow substrate 301 is not particularly limited as long as the fuel cell 308 can be installed on the outer periphery of the wall of the hollow substrate 301. For example, the hollow substrate 301 may have a rectangular shape, a cylindrical shape, or the like.

燃料電池システム300では、中空基体301の壁部の上部だけに複数の燃料電池308を気体の流通方向に沿って並設されているだけでなく、図6(a)に示すように、中空基体301の壁部の下部にも複数の燃料電池308を気体の流通方向に沿って並設されていてもよい。つまり、中空基体301の壁部に複数(n’個:n’は2以上の整数)の燃料電池308を気体の流通方向に沿って並設させてなる燃料電池群312を一列形成してもよく、二列以上形成してもよい。なお、図6(a)において、燃料電池308が配置された部位を除く中空基体301の周面には、燃料ガスの漏出を防ぐ遮蔽部材(図示せず)が設けられている。   In the fuel cell system 300, not only a plurality of fuel cells 308 are juxtaposed along the gas flow direction only on the upper part of the wall of the hollow substrate 301, but as shown in FIG. A plurality of fuel cells 308 may be juxtaposed along the gas flow direction at the lower portion of the wall portion 301. That is, even if a plurality of (n ′: n ′ is an integer of 2 or more) fuel cells 308 are juxtaposed along the gas flow direction on the wall portion of the hollow substrate 301, a fuel cell group 312 is formed in a row. Alternatively, two or more rows may be formed. In FIG. 6A, a shielding member (not shown) for preventing leakage of fuel gas is provided on the peripheral surface of the hollow base 301 excluding the portion where the fuel cell 308 is disposed.

次に、図7に示す燃料電池システム400は、壁部が気体透過性を有し、水素燃料を含む気体が流通する中空基体401を備え、前記壁部の外周上にて、前記気体の流通方向に沿って複数並設され、燃料極404、プロトン導電性電解質を含む(あるいはプロトン導電性電解質からなる)電解質402、および空気極406をこの順に備える燃料電池408が複数並設されている。燃料電池408については、壁部側から見て、燃料極404と、電解質402と、空気極406とがこの順に積層されている。また、隣接する燃料電池間の燃料極と空気極とは、電子導電性を有するインターコネクタ410を介して接続されており、インターコネクタ410上には、インターコネクタ410を保護する保護膜412が設けられている。このインターコネクタ410によって複数の燃料電池408が電気的に直列に接続される。   Next, a fuel cell system 400 shown in FIG. 7 includes a hollow base body 401 having a gas permeable wall portion and a gas containing hydrogen fuel flowing therethrough, and the gas flow on the outer periphery of the wall portion. A plurality of fuel cells 408 are arranged in parallel along the direction, and a plurality of fuel cells 408 including a fuel electrode 404, an electrolyte 402 including a proton conductive electrolyte (or made of a proton conductive electrolyte), and an air electrode 406 in this order. As for the fuel cell 408, as viewed from the wall side, a fuel electrode 404, an electrolyte 402, and an air electrode 406 are stacked in this order. The fuel electrode and the air electrode between adjacent fuel cells are connected via an interconnector 410 having electronic conductivity, and a protective film 412 for protecting the interconnector 410 is provided on the interconnector 410. It has been. A plurality of fuel cells 408 are electrically connected in series by the interconnector 410.

図6に示す燃料電池システム300では、中空基体301の壁部の外周上の一部に四角形状の燃料電池308が複数設けられているが、図7に示す燃料電池システム400では、中空基体401の壁部の外周上に環状の燃料電池408が複数設けられている点で相違する。   In the fuel cell system 300 shown in FIG. 6, a plurality of rectangular fuel cells 308 are provided on a part of the outer periphery of the wall portion of the hollow base 301. In the fuel cell system 400 shown in FIG. The difference is that a plurality of annular fuel cells 408 are provided on the outer periphery of the wall portion.

燃料電池システム300と同様に、燃料電池システム400を用いた場合にも、空気極406と電解質402との界面にて水素イオンの電気化学的な反応が起こるため、発電時に空気極406側に水蒸気が生成される。そのため、生成された水蒸気が中空基体401の壁部を介して改質ガス流路411に供給されることが抑制され、燃料の希釈化が生じず、発電効率をより高めることができる。   Similarly to the fuel cell system 300, even when the fuel cell system 400 is used, an electrochemical reaction of hydrogen ions occurs at the interface between the air electrode 406 and the electrolyte 402. Is generated. Therefore, the generated water vapor is suppressed from being supplied to the reformed gas flow path 411 via the wall portion of the hollow base body 401, fuel is not diluted, and the power generation efficiency can be further increased.

図6に示す燃料電池システム300および図7に示す燃料電池システム400について、中空基体の内部を流通する気体としては、水素燃料を含む気体に限定されず、酸素を含む気体(酸化剤ガス)であってもよい。このとき、燃料電池については、中空基体の壁部の外周上には、壁部側から見て、空気極と、電解質と、燃料極と、がこの順に積層されていればよい。この構成により、燃料極側から供給された水素に由来し、電解質の内部を移動する水素イオンと、中空基体の壁部を透過して空気極側に供給された酸素と、が反応して発電が行なわれる。   In the fuel cell system 300 shown in FIG. 6 and the fuel cell system 400 shown in FIG. 7, the gas flowing through the hollow substrate is not limited to a gas containing hydrogen fuel, but a gas containing oxygen (oxidant gas). There may be. At this time, as for the fuel cell, it is only necessary that the air electrode, the electrolyte, and the fuel electrode are laminated in this order on the outer periphery of the wall portion of the hollow base body as viewed from the wall portion side. With this configuration, hydrogen ions derived from hydrogen supplied from the fuel electrode side and moving inside the electrolyte react with oxygen supplied to the air electrode side through the wall of the hollow substrate to generate power. Is done.

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)の性能およ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−0.99V、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]
Assuming that the fuel utilization rate of a fuel cell stack (single stage stack) is 75%, the system efficiency in the fuel cell stack is 55% LHV (low heating value), and the loss due to efficiency conversion from the stack to the system is assumed to be 10% To do. 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 -0.99 V in terms of the potential with respect to air, and the oxygen potential is determined as -0.877 V at the fuel electrode side outlet of the stack.

〔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. 4 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.

図3は、電解質にプロトン導電性電解質を含む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0.2A/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、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のそれぞれの電解質は、プロトン導電性電解質を含むことを想定している。
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 in which the electrolyte includes a proton conductive electrolyte. 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. It is assumed that Uf (total) = 85% and when operating at a current density of 0.2 A / cm 2 , the first fuel cell is assumed to have an internal resistance (ASR) of the stack of 0.3517 Ω · cm 2. It is assumed that the electrolyte of each of the stack 5 and the second fuel cell stack 7 includes a proton conductive electrolyte.
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0.4〜0.7付近で発電効率が最大値(約69.5%)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≦0.7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 reaches the maximum value (about 69.5%) when r 1 is in the vicinity of 0.4 to 0.7. Therefore, the range of r 1, preferably from 0.35 ≦ r 1 ≦ 0.7, it is preferable that 0.4 ≦ r 1 ≦ 0.6.

次に、比較例の燃料電池システムの発電効率について、図8を用いて説明する。図8は、比較例において、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。比較例の燃料電池システムでは、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について、プロトン導電性電解質を含まずに酸素イオン導電性電解質からなる電解質を用いており、その他の構成については燃料電池システム100と同様である。なお、Uf(total)=85%としている。 Next, the power generation efficiency of the fuel cell system of the comparative example will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a graph showing the power generation efficiency of the fuel cell system when r 1 is changed in the comparative example. In the fuel cell system of the comparative example, the first fuel cell stack and the second fuel cell stack use an electrolyte made of an oxygen ion conductive electrolyte without including a proton conductive electrolyte, and the other configurations are fuels. This is the same as the battery system 100. Note that Uf (total) = 85%.

図8から、rが0.4〜0.5付近で発電効率が最大値(約62%)となっており、図3の結果と比べて、発電効率の値が7%以上小さいことが分かる。そのため、本実施形態の燃料電池システム100は、電解質としてプロトン導電性電解質を含んでいるため、プロトン導電性電解質を含んでいない比較例の燃料電池システムよりも高い発電効率を得ることができる。また、本実施形態の燃料電池システム100が、プロトン導電性電解質を含んでいない比較例の燃料電池システムと同じ内部抵抗のスタックを用いている場合でも、電解質にプロトン導電体を含むことで、水蒸気が燃料極側にて発生せず、これにより、多段式の燃料電池システム100では、発電効率の大幅な上昇が可能となっている。 From FIG. 8, the power generation efficiency is the maximum value (about 62%) when r 1 is around 0.4 to 0.5, and the value of the power generation efficiency is 7% or more smaller than the result of FIG. I understand. Therefore, since the fuel cell system 100 of the present embodiment includes a proton conductive electrolyte as an electrolyte, it is possible to obtain higher power generation efficiency than a fuel cell system of a comparative example that does not include a proton conductive electrolyte. Further, even when the fuel cell system 100 of the present embodiment uses a stack having the same internal resistance as the fuel cell system of the comparative example that does not include the proton conductive electrolyte, the electrolyte contains the proton conductor, Does not occur on the fuel electrode side, and in the multistage fuel cell system 100, the power generation efficiency can be significantly increased.

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 , when Uf (A) and Uf (B) match (in the vicinity of r 1 = 0.4 as shown in FIG. 4), or Uf (A) and Uf (B) are close It is preferable to take a value, and assuming that Uf (total) is 80% to 95%, it is preferable that 0.25 ≦ r 1 ≦ 0.6, and 0.35 ≦ r 1 ≦ 0.6. More preferably. 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、プロトン導電性電解質を含む電解質、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<4.0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. Further, the fuel cell system 200 includes an electrolyte including a proton conductive electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode, and is disposed upstream of the first reformer 13 and is discharged from the fuel electrode side. Is supplied to the first reformer 13, and the ratio r of the fuel usage amount in the third fuel cell stack 25 to the fuel usage amount in the first fuel cell stack 15 is r. 2 satisfies 0.1 ≦ r 2 <4.0.

燃料電池システム200は、図5(b)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<4.0を満たしている。さらに、この実施形態では、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の全ての電解質にプロトン導電性電解質が含まれている構成について説明する。 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 as shown in FIG. is there. 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 <4.0. Furthermore, in this embodiment, a configuration in which a proton conductive electrolyte is included in all the electrolytes of the first fuel cell stack 15, the second fuel cell stack 17, and the third fuel cell stack 25 will be described.

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4.0未満であることにより、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 less than 4.0, 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.

燃料電池システム200では、第3の燃料電池スタック25の電解質がプロトン導電性電解質を含んでいるため、水素イオンが燃料極側から空気極側に移動し、酸素と反応して発電を行なう。そのため、第3の燃料電池スタック25の内部にて発生する水蒸気は、空気極側から排出され、燃料極側から排出される排出ガスに含まれる水蒸気の量が低減される。よって、水蒸気による燃料濃度の希釈化が生じず、後段の第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のセル電圧の低下を抑制することができ、燃料電池スタックの長期安定性を確保することができる。さらに、燃料電池システム全体についてより高い発電効率を得ることができる。   In the fuel cell system 200, since the electrolyte of the third fuel cell stack 25 includes a proton conductive electrolyte, hydrogen ions move from the fuel electrode side to the air electrode side and react with oxygen to generate power. Therefore, the water vapor generated inside the third fuel cell stack 25 is discharged from the air electrode side, and the amount of water vapor contained in the exhaust gas discharged from the fuel electrode side is reduced. Therefore, dilution of the fuel concentration by water vapor does not occur, and a decrease in the cell voltage of the first fuel cell stack 15 and the second fuel cell stack 17 in the subsequent stage can be suppressed, and the long-term stability of the fuel cell stack can be improved. Can be secured. Furthermore, higher power generation efficiency can be obtained for the entire fuel cell system.

第3の燃料電池スタック25は、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中に含まれる水素に由来する水素イオンと、空気極側に供給された酸素と、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、空気極側から排出される。一方、第3の燃料電池スタック25の燃料極側に供給された改質ガス中に含まれる、水蒸気(後述する第2の改質器での水蒸気改質で使用されなかった水蒸気)および未反応の水素は、排出ガスとして燃料極側から排出され、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 an electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode, and is disposed upstream of the first reformer 13, and the reformed gas supply pipe 24 and the exhaust gas are disposed on the fuel electrode side. A supply pipe 11 is connected. The third fuel cell stack 25 electrically connects hydrogen ions derived from hydrogen contained in the reformed gas supplied from the reformed gas supply pipe 24 to the fuel electrode side and oxygen supplied to the air electrode side. Power is generated by chemical reaction. And the water (water vapor | steam) produced | generated by the electrochemical reaction (reaction shown to Formula (d)) at the time of electric power generation is discharged | emitted from the air electrode side. On the other hand, steam (steam not used in steam reforming in a second reformer described later) and unreacted contained in the reformed gas supplied to the fuel electrode side of the third fuel cell stack 25 The hydrogen is discharged from the fuel electrode side as exhaust gas, and is supplied to the first reformer 13 through the exhaust gas supply pipe 11. 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 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、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 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、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 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、少なくとも第3の燃料電池スタック25の電解質がプロトン導電性電解質を含む。   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 discharged from the pole side to the first reformer 13 and an upstream side of the third fuel cell stack 25 are provided to reform hydrocarbon fuel. The reformed gas is generated, and the generated reformed gas is supplied to the third fuel cell system. Tsu and a second reformer 23 is supplied to the fuel electrode side of the click 25, the electrolyte of at least a third fuel cell stack 25 includes a proton conductive electrolyte.

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が追加された構成であってもよい。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。なお、第3の燃料電池スタック25が、電解質にプロトン導電性電解質を含むスタックであればよく、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は、電解質にプロトン導電性電解質を含むスタックであってもよく、電解質にプロトン導電性電解質を含まないスタックであってもよい。 The fuel cell system 200 may have 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. The third fuel cell stack 25 may be a stack that includes a proton conductive electrolyte in the electrolyte, and the first fuel cell stack 15 and the second fuel cell stack 17 include a proton conductive electrolyte in the electrolyte. A stack may be sufficient and the stack which does not contain a proton conductive electrolyte in electrolyte may be sufficient.

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、2.0〜3.0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 3.0, and even 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、本発明において、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は、第3の燃料電池スタックと同様に電解質にプロトン導電性電解質を含むスタックであってもよく、この場合、これらの燃料電池スタックの構成は、第3の燃料電池スタックと同様である。一方、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いずれか一方のスタック、もしくは両方のスタックは、電解質にプロトン導電性電解質を含まず、前述の酸素イオン導電性電解質からなる電解質を備えるスタックであってもよい。   In the present invention, the first fuel cell stack and the second fuel cell stack may be a stack containing a proton conductive electrolyte in the electrolyte similarly to the third fuel cell stack. The configuration of the fuel cell stack is the same as that of the third fuel cell stack. On the other hand, either one of the first fuel cell stack and the second fuel cell stack, or both stacks do not include a proton conductive electrolyte in the electrolyte, and include an electrolyte made of the above-described oxygen ion conductive electrolyte. It may be a stack.

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 need not be attached to the outside of the first fuel cell stack 15 or the second fuel cell stack 17, and steam reforming (internal reforming) is performed inside each fuel cell stack. ). 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0.4〜0.7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56.67%となり、Uf(B)は65.38%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. In the case of 4 to 0.7, 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 56.67% and Uf (B) is 65.38%. 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).

さらに、燃料電池システム200の発電効率を求め、その発電効率を評価する。発電効率が、68%以下である場合を評価C、68%超74%以下である場合を評価B、74%超である場合を評価Aとする。そして、評価B以上であれば、高い発電効率が得られていると判断する。   Further, the power generation efficiency of the fuel cell system 200 is obtained and the power generation efficiency is evaluated. The case where the power generation efficiency is 68% or less is evaluated as C, the case where it is over 68% and 74% or less is evaluated as B, and the case where it is over 74% is evaluated as A. And if it is more than evaluation B, it will be judged that high electric power generation efficiency is acquired.

まず、本実施形態に係る燃料電池システム200との比較のため、各燃料電池スタックの電解質が酸素イオン導電性電解質であり、プロトン導電性電解質を含まない燃料電池システムについて、長期耐久性および発電効率の評価を行なう。なお、比較対象となる燃料電池システムは、電解質以外の構成については燃料電池システム200と同様である。比較対象の燃料電池システムについて、第1の燃料電池スタックでの燃料使用量に対する第3の燃料電池スタックでの燃料使用量の比rを0.5〜0.7とし、第1の改質器に供給される炭化水素燃料の流量(流量1)と、第2の改質器に供給される炭化水素燃料の流量(流量2)との比r(流量2/流量1)を1または0.8と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の改質器および第2の改質器に供給される炭化水素燃料は、メタンであり、第1の改質器に供給されるメタンの流量を基準として、第2の改質器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, for comparison with the fuel cell system 200 according to the present embodiment, a long-term durability and power generation efficiency of a fuel cell system in which the electrolyte of each fuel cell stack is an oxygen ion conductive electrolyte and does not include a proton conductive electrolyte. To evaluate. The fuel cell system to be compared is the same as the fuel cell system 200 with respect to the configuration other than the electrolyte. For the fuel cell system to be compared, 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 is set to 0.5 to 0.7, and the first reforming is performed. The ratio r 3 (flow rate 2 / flow rate 1) of the flow rate of hydrocarbon fuel supplied to the reactor (flow rate 1) and the flow rate of hydrocarbon fuel supplied to the second reformer (flow rate 2) is 1 or Table 1 shows the long-term durability index and power generation efficiency results when 0.8. The hydrocarbon fuel supplied to the first reformer and the second reformer is methane, and the second reformer is based on the flow rate of methane supplied to the first reformer. The value of r 3 is adjusted by changing the flow rate of methane supplied to the vessel.

表1に示すように、比較対象となる燃料電池システムでは、長期耐久性の指標は全て基準を満たしているため、安全性は良好であるが、発電効率が65%程度であり、発電効率は不十分であった。   As shown in Table 1, in the fuel cell system to be compared, since all the long-term durability indicators satisfy the standards, the safety is good, but the power generation efficiency is about 65%, and the power generation efficiency is It was insufficient.

次に、本実施形態に係る燃料電池システム200の長期安定性および発電効率を評価した。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1〜4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2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0.1〜5.0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。 Next, the long-term stability and power generation efficiency of the fuel cell system 200 according to this embodiment were evaluated. 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 2 the results of the indicator and the power generation efficiency of the long-term durability of changing the ratio r 3 between the flow rate of the hydrocarbon fuel supplied to the second reformer 23 to 1-4 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 5.0, and the first reformer 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.

表2に示すように、rが1.0のとき、ActCAiが0.2超となっている。そのため、rが1.0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。また、発電効率が68%以上であるため、rの数値に関係なく、高い発電効率が得られたと判断した。 As shown in Table 2, when r 3 is 1.0, ActCAi has become greater than 0.2. Therefore, it is determined that r 3 is when the 1.0 and a stability defect, is determined that the stability is good otherwise. Further, since the power generation efficiency is 68% or more, regardless of the value of r 3, it was determined to be high power generation efficiency was obtained.

次に、rを0.5に固定し、rを1〜10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 indices and power generation efficiency results when r 2 is fixed to 0.5 and r 3 is changed to 1 to 10.

表3に示すように、rが1.0のとき、ActCAiが0.2超となっている。そのため、rが1.0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。また、発電効率が70%以上であるため、rの数値に関係なく、高い発電効率が得られたと判断した。 As shown in Table 3, when r 3 is 1.0, ActCAi has become greater than 0.2. Therefore, it is determined that r 3 is when the 1.0 and a stability defect, is determined that the stability is good otherwise. Further, since the power generation efficiency is 70% or more, regardless of the value of r 3, it was determined to be high power generation efficiency was obtained.

次に、rを1.0に固定し、rを1〜10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 indicators and power generation efficiency results when r 2 is fixed at 1.0 and r 3 is changed to 1 to 10.

表4に示すように、rが1.0のとき、ActCAiが0.2超となっている。そのため、rが1.0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。また、発電効率が72%以上であるため、rの数値に関係なく、高い発電効率が得られたと判断した。 As shown in Table 4, when r 3 is 1.0, ActCAi has become greater than 0.2. Therefore, it is determined that r 3 is when the 1.0 and a stability defect, is determined that the stability is good otherwise. Further, since the power generation efficiency is 72% or more, regardless of the value of r 3, it was determined to be high power generation efficiency was obtained.

次に、rを2.0に固定し、rを1〜10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 the long-term durability index and the result of the power generation efficiency when r 2 is fixed to 2.0 and r 3 is changed to 1 to 10.

表5に示すように、rが1.0のとき、ActCAiが0.2超となっている。そのため、rが1.0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。また、発電効率が74%以上であるため、rの数値に関係なく、非常に高い発電効率が得られたと判断した。 As shown in Table 5, when r 3 is 1.0, ActCAi has become greater than 0.2. Therefore, it is determined that r 3 is when the 1.0 and a stability defect, is determined that the stability is good otherwise. Moreover, since the power generation efficiency was 74% or more, it was judged that a very high power generation efficiency was obtained regardless of the value of r 3 .

次に、rを3.0に固定し、rを3〜1000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 3.0 and r 3 is changed to 3 to 1000.

表6に示すように、rが3.0のとき、Uf(C)が80%超となっている。そのため、rが3.0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。また、発電効率が75%以上であるため、rの数値に関係なく、非常に高い発電効率が得られたと判断した。 As shown in Table 6, when r 3 is 3.0, Uf (C) is 80% greater. Therefore, it is determined that when r 3 is 3.0 and a stability defect, is determined that the stability is good otherwise. Further, since the power generation efficiency is 75% or more, regardless of the value of r 3, determines that a very high power generation efficiency was obtained.

次に、rを4.0に固定し、rを4〜20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7に示す。 Next, Table 7 shows long-term durability indicators and results of power generation efficiency when r 2 is fixed to 4.0 and r 3 is changed to 4 to 20.

表7に示すように、rが4.0のとき、Uf(C)が80%超となり、rが4、10、20のとき、OCVAiが0.989V未満となっている。そのため、結果を示したrが4.0のときは、安定性が不良であると判断した。 As shown in Table 7, when r 3 is 4.0, Uf (C) exceeds 80%, and when r 3 is 4, 10, or 20, OCVAi is less than 0.989V. Therefore, when r indicating the result was 4.0, it was determined that the stability was poor.

次に、rを5.0に固定し、rを5〜100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 the long-term durability index and the results of power generation efficiency when r 2 is fixed to 5.0 and r 3 is changed to 5 to 100.

表8に示すように、rが5.0のとき、Uf(C)が80%超となり、rが5、100のとき、OCVAiが0.99V未満となっている。そのため、結果を示したrが5.0のときは、安定性が不良であると判断した。 As shown in Table 8, when r 3 is 5.0, when Uf (C) is 80% ultra next, r 3 is 5,100, OCVAi has become less than 0.99 V. Therefore, when r 1 indicating the result was 5.0, it was determined that the stability was poor.

以上、表1〜表8に示すように、本実施形態の燃料電池システム200は、各燃料電池スタックにて、電解質としてプロトン導電性電解質を含んでいるため、プロトン導電性電解質を含んでいない比較例の燃料電池システムよりも高い発電効率を得ることができる。また、本実施形態の燃料電池システム200が、プロトン導電性電解質を含んでいない比較例の燃料電池システムと同じ内部抵抗のスタックを用いている場合であっても、電解質にプロトン導電体を含むことで、水蒸気が燃料極側にて発生せず、これにより、多段式の燃料電池システム200では、発電効率の大幅な上昇が可能となっている。   As described above, as shown in Tables 1 to 8, since the fuel cell system 200 of the present embodiment includes the proton conductive electrolyte as the electrolyte in each fuel cell stack, the comparison does not include the proton conductive electrolyte. It is possible to obtain higher power generation efficiency than the example fuel cell system. Further, even when the fuel cell system 200 of the present embodiment uses a stack having the same internal resistance as that of the fuel cell system of the comparative example not including the proton conductive electrolyte, the electrolyte includes the proton conductor. Thus, water vapor is not generated on the fuel electrode side, and in this way, in the multistage fuel cell system 200, the power generation efficiency can be significantly increased.

表2〜表8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<4.0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、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4.0未満に調整すればよい。
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 shown in Tables 2 to 8, in order to ensure the long-term stability of the fuel cell system 200, the amount of fuel used in the third fuel cell stack 25 relative to the amount of fuel used in the first fuel cell stack 15 is shown. It is preferable that the ratio r 2 satisfies 0.1 ≦ r 2 <4.0. Here, in order to satisfy this numerical range, 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 or the cell stack of the first fuel cell stack 15 Since the ratio of the number of stacked cells of the third fuel cell stack 25 to the number corresponds to r 2 , this value may be adjusted to 0.1 or more and less than 4.0.
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 ratio when the cell areas of the stacked cells of each fuel cell stack are summed. Means. 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<4.0を満たせばよいが、中でも0.5≦r≦3.0を満たすことが好ましく、2.0≦r≦3.0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 <4.0, but preferably satisfies 0.5 ≦ r 2 ≦ 3.0, and satisfies 2.0 ≦ r 2 ≦ 3.0. 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.

前記比rは1.0≦r≦3.0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r≧4を満たすことが好ましい。この構成によれば、炭素析出が抑制され、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。 The ratio r 2 satisfies 1.0 ≦ r 2 ≦ 3.0, and the flow rate of the hydrocarbon fuel supplied to the first reformer 13 and the carbonization supplied to the second reformer 23. The ratio r 3 to the hydrogen fuel flow rate preferably satisfies r 3 ≧ 4. According to this configuration, it is possible to provide a fuel cell system in which carbon deposition is suppressed, the fuel cell stack has excellent long-term stability, and power generation efficiency is high.

100、200、300、400 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、302、402 電解質
204、304、404 燃料極
206、306、406 空気極
208 単電池
308、408 燃料電池
210、310、410 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
301、401 中空基体
311、411 改質ガス流路
312 燃料電池群
412 保護膜
100, 200, 300, 400 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 cell stack 6, 11, 16 Exhaust gas supply pipe 7, 17 Second fuel cell stack 23 Second reformer 25 Third fuel cell stack 202, 302, 402 Electrolyte 204, 304, 404 Fuel Electrode 206, 306, 406 Air electrode 208 Single cell 308, 408 Fuel cell 210, 310, 410 Interconnector 210A Reformed gas flow path forming groove 210B Oxidant gas flow path forming groove 301, 401 Hollow substrate 311, 411 Reformed gas Flow path 312 Fuel cell group 412 Protective film

Claims (16)

電解質、燃料極および空気極を備える燃料電池が燃料の供給方向に沿って複数設置されており、
少なくとも最も上流にある前記燃料電池の電解質がプロトン導電性電解質を含む、燃料電池システム。
A plurality of fuel cells including an electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode are installed along the fuel supply direction,
The fuel cell system, wherein the electrolyte of at least the most upstream fuel cell includes a proton conductive electrolyte.
最も上流にある前記燃料電池以外の少なくとも一つの燃料電池の電解質がプロトン導電性電解質を含む、請求項1に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the electrolyte of at least one fuel cell other than the fuel cell located upstream is a proton conductive electrolyte. 前記燃料電池として、第1の燃料電池と第2の燃料電池とを備え、
前記第1の燃料電池は、プロトン導電性電解質を含む電解質、燃料極、および空気極を備え、
前記第2の燃料電池は、電解質、燃料極、および空気極を備え、前記第1の燃料電池よりも下流に配置されており、前記第1の燃料電池の燃料極側から排出される排出ガスが、前記第2の燃料電池の燃料極側に供給される、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 includes a first fuel cell and a second fuel cell,
The first fuel cell includes an electrolyte including a proton conductive electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode.
The second fuel cell includes an electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode, is disposed downstream of the first fuel cell, and is discharged from the fuel electrode side of the first fuel cell. The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein is supplied to a fuel electrode side of the second fuel cell.
第1の燃料電池および第2の燃料電池の合計の燃料利用率は、80%〜95%である、請求項3に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 3, wherein the total fuel utilization of the first fuel cell and the second fuel cell is 80% to 95%. 前記第2の燃料電池の電解質は、プロトン導電性電解質を含む、請求項3または請求項4に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 3 or 4, wherein the electrolyte of the second fuel cell includes a proton conductive electrolyte. 前記第1の燃料電池での燃料使用量に対する前記第2の燃料電池での燃料使用量の比rは、0.35≦r≦1.0を満たす、請求項3〜請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The ratio r 1 of the fuel usage amount in the second fuel cell to the fuel usage amount in the first fuel cell satisfies 0.35 ≦ r 1 ≦ 1.0. The fuel cell system according to any one of claims. 前記第1の燃料電池の上流に配置され、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、
をさらに備える、請求項3〜請求項6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The first fuel cell is disposed upstream of the first fuel cell, 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. A reformer,
First fuel supply means for supplying hydrocarbon fuel to the first reformer;
The fuel cell system according to any one of claims 3 to 6, further comprising:
プロトン導電性電解質を含む電解質、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の燃料電池をさらに備え、
前記第1の燃料電池での燃料使用量に対する前記第3の燃料電池での燃料使用量の比rは、0.1≦r<4.0を満たす、請求項7に記載の燃料電池システム。
An exhaust gas including water vapor, which includes an electrolyte including a proton conductive electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode, is disposed upstream of the first reformer, and is discharged from the fuel electrode side. A third fuel cell that supplies the first reformer;
8. The fuel cell according to claim 7, wherein a ratio r 2 of a fuel usage amount in the third fuel cell to a fuel usage amount in the first fuel cell satisfies 0.1 ≦ r 2 <4.0. system.
前記第3の燃料電池の上流に配置され、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8に記載の燃料電池システム。
The second fuel cell is disposed upstream of the third fuel cell, reforms the hydrocarbon fuel to generate a reformed gas, and supplies the generated reformed gas to the fuel electrode side of the third fuel cell. A reformer,
Second fuel supply means for supplying hydrocarbon fuel to the second reformer;
The fuel cell system according to claim 8, 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9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 9, wherein the steam carbon ratio S / C is 1.6 to 3.5. 前記比rは、0.5≦r≦3.0を満たす、請求項8〜請求項10のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 11. The fuel cell system according to claim 8, wherein the ratio r 2 satisfies 0.5 ≦ r 2 ≦ 3.0. 前記比rは、2.0≦r≦3.0を満たす、請求項8〜請求項11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 8, wherein the ratio r 2 satisfies 2.0 ≦ r 2 ≦ 3.0. 前記比rは1.0≦r≦3.0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r≧4を満たす、請求項9または請求項10に記載の燃料電池システム。 The ratio r 2 satisfies 1.0 ≦ r 2 ≦ 3.0, and the flow rate of the hydrocarbon fuel supplied to the first reformer and the carbonization supplied to the second reformer. 11. The fuel cell system according to claim 9, wherein a ratio r 3 to a flow rate of hydrogen fuel satisfies r 3 ≧ 4. 壁部が気体透過性を有し、酸素または水素燃料を含む気体が流通し、前記壁部の外周上の少なくとも一部にて、前記気体の流通方向に沿って前記燃料電池が複数並設され、前記気体が前記壁部を透過して前記燃料電池の燃料極側または空気極側に供給される中空基体と、
電子伝導性を有し、隣り合う前記燃料電池間の燃料極と空気極とを接続する導電部材と、を備える、請求項1または請求項2に記載の燃料電池システム。
The wall portion has gas permeability, a gas containing oxygen or hydrogen fuel flows, and a plurality of the fuel cells are arranged in parallel along the gas flow direction at least at a part on the outer periphery of the wall portion. A hollow substrate through which the gas passes through the wall and is supplied to the fuel electrode side or the air electrode side of the fuel cell;
The fuel cell system according to claim 1, further comprising: a conductive member having electronic conductivity and connecting a fuel electrode and an air electrode between the adjacent fuel cells.
前記中空基体は、流通する水素燃料を含む気体を、前記壁部を透過して前記燃料電池の燃料極側に供給する、請求項14に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 14, wherein the hollow base body supplies a gas containing flowing hydrogen fuel to the fuel electrode side of the fuel cell through the wall portion. 前記プロトン導電性電解質は、以下の式(I)で表される化合物および式(II)で表される化合物より選ばれる少なくとも一種である、請求項1〜請求項15のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
1−δ(Ce1−x−yZr)O・・・・(I)
(La2−zCa)Ce・・・・(II)
(式(I)中、MはBaまたはSrを表し、RはY、Gd、InまたはYbを表し、δは−0.1〜0.1、xは0〜1、およびyは0〜0.5を表し、1−x−y≧0を満たす。式(II)中、zは0〜1を表す。)
16. The proton conductive electrolyte according to claim 1, wherein the proton conductive electrolyte is at least one selected from a compound represented by the following formula (I) and a compound represented by the formula (II). Fuel cell system.
M 1-δ (Ce 1-xy Zr x R y ) O 3 ... (I)
(La 2-z Ca z) Ce 2 O 7 ···· (II)
(In the formula (I), M represents Ba or Sr, R represents Y, Gd, In or Yb, δ represents −0.1 to 0.1, x represents 0 to 1, and y represents 0 to 0. .5, and 1-xy ≧ 0 is satisfied.In formula (II), z represents 0 to 1.)
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019021578A (en) * 2017-07-20 2019-02-07 東京瓦斯株式会社 Fuel cell system
JP2019519076A (en) * 2016-09-30 2019-07-04 エルジー・ケム・リミテッド Method of operating a solid oxide fuel cell
US10374241B2 (en) 2015-07-08 2019-08-06 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system
JP2020107406A (en) * 2018-12-26 2020-07-09 東邦瓦斯株式会社 Fuel battery and operation method of fuel battery

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006332027A (en) * 2005-04-27 2006-12-07 Tokyo Gas Co Ltd Reformer-integrated fuel cell
JP2009205946A (en) * 2008-02-28 2009-09-10 Toyota Motor Corp Operating method for fuel cell system and fuel cell system
JP2010287394A (en) * 2009-06-10 2010-12-24 Honda Motor Co Ltd Fuel cell system

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006332027A (en) * 2005-04-27 2006-12-07 Tokyo Gas Co Ltd Reformer-integrated fuel cell
JP2009205946A (en) * 2008-02-28 2009-09-10 Toyota Motor Corp Operating method for fuel cell system and fuel cell system
JP2010287394A (en) * 2009-06-10 2010-12-24 Honda Motor Co Ltd Fuel cell system

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10374241B2 (en) 2015-07-08 2019-08-06 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system
JP2019519076A (en) * 2016-09-30 2019-07-04 エルジー・ケム・リミテッド Method of operating a solid oxide fuel cell
US11043681B2 (en) 2016-09-30 2021-06-22 Lg Chem, Ltd. Method for operating solid oxide fuel cell
JP2019021578A (en) * 2017-07-20 2019-02-07 東京瓦斯株式会社 Fuel cell system
JP7029122B2 (en) 2017-07-20 2022-03-03 東京瓦斯株式会社 Fuel cell system
JP2020107406A (en) * 2018-12-26 2020-07-09 東邦瓦斯株式会社 Fuel battery and operation method of fuel battery

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