JP2020119907A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
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.
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）システムを構成する機器、部材等には、一般に、クロム（Ｃｒ）を含む合金鋼（ステンレス鋼）が用いられる。通常６００℃以上の温度で作動するＳＯＦＣでは、クロムを含むステンレス鋼が高温に曝されることで、Ｃｒ（ＶＩ）の酸化物が生成することがある。Ｃｒ（ＶＩ）の酸化物は、例えば、ＳＯＦＣの空気極とつながる配管等において生成し、酸素を含むガスとともに空気極に運ばれ、空気極の材料にドープされているストロンチウム（Ｓｒ）等と反応し、クロム酸ストロンチウム（ＳｒＣｒＯ４）等として析出する。すなわち、電極材は、徐々にクロム被毒される。析出により空気極に被毒化合物が増えると、空気極の電気抵抗が増大し、電極性能が低下する。また、生成したＣｒ（ＶＩ）の酸化物は、空気極でＣｒ（ＩＩＩ）の化合物に還元され、空気極の三相界面に蓄積する。空気極の三相界面は、酸素分子がイオン化されて酸化物イオン（Ｏ２−）となる還元反応が起こる電極反応の活性場であるため、Ｃｒ（ＩＩＩ）の化合物が蓄積すると、電極反応の活性場が失活し、発電特性が低下する。 Generally, alloy steel (stainless steel) containing chromium (Cr) is used for devices, members, and the like constituting a solid oxide fuel cell (SOFC) system. In an SOFC that normally operates at a temperature of 600° C. or higher, when chromium-containing stainless steel is exposed to high temperatures, an oxide of Cr(VI) may be generated. The oxide of Cr(VI) is generated in, for example, a pipe connected to the air electrode of SOFC, is carried to the air electrode together with a gas containing oxygen, and reacts with strontium (Sr) or the like doped in the material of the air electrode. Then, strontium chromate (SrCrO 4 ) or the like is deposited. That is, the electrode material is gradually poisoned by chromium. When the poisoning compound increases in the air electrode due to deposition, the electric resistance of the air electrode increases and the electrode performance deteriorates. In addition, the generated oxide of Cr(VI) is reduced to a compound of Cr(III) at the air electrode and accumulates at the three-phase interface of the air electrode. Since the three-phase interface of the air electrode is an active field of an electrode reaction in which a reduction reaction in which oxygen molecules are ionized to form an oxide ion (O 2− ) occurs, when a compound of Cr(III) accumulates, the The active field is deactivated and the power generation characteristics deteriorate.
上記のようなＳＯＦＣの性能低下を招くクロム被毒の問題を解決するための方法としては、以下の方法が報告されている。
例えば、特許文献１には、燃料電池設備において、予熱器よりも下流側の酸化ガス供給系統にクロム捕捉器を設けることで、予熱後の酸化ガスに含まれるクロム蒸気を捕捉し、セルスタックのクロム被毒を抑制する方法が開示されている。
特許文献２には、空気極の材料として、ある特定の組成のペロブスカイト構造を有するセラミックスを用いることで、触媒のクロム被毒を抑制する方法が開示されている。
The following method has been reported as a method for solving the problem of chromium poisoning that causes the SOFC performance to deteriorate.
For example, in Patent Document 1, in a fuel cell facility, a chromium trap is provided in an oxidizing gas supply system on a downstream side of a preheater to trap chromium vapor contained in the preheated oxidizing gas, thereby reducing the cell stack. A method of controlling chromium poisoning is disclosed.
Patent Document 2 discloses a method of suppressing chromium poisoning of a catalyst by using a ceramic having a perovskite structure of a specific composition as a material of an air electrode.
クロム被毒の問題を解決するための方法としては、簡便かつ安価な方法であることが望ましい。
この点に関し、特許文献１に記載された方法では、酸化ガス供給系統の最下流（即ち、セルスタックの手前）で酸化ガス中のクロム蒸気を分別した後、電界印加によりトラップしているため、ＳＯＦＣシステムや構造が複雑になる。また、特許文献２に記載された方法のように、空気極の材料として、特定の組成を有する材料を選択することは、材料上の制約が大きいため、使用条件の制約やコスト高につながり、好ましいとはいえない。
As a method for solving the problem of chromium poisoning, a simple and inexpensive method is desirable.
In this regard, in the method described in Patent Document 1, after the chromium vapor in the oxidizing gas is separated at the most downstream side of the oxidizing gas supply system (that is, before the cell stack), it is trapped by applying an electric field. The SOFC system and structure become complicated. Further, as in the method described in Patent Document 2, selecting a material having a specific composition as the material of the air electrode leads to large restrictions on materials, leading to restrictions on usage conditions and high cost. Not preferred.
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、簡便かつ安価に、被毒元素による電池性能及び耐久性の低下を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of suppressing deterioration of cell performance and durability due to poisoning elements simply and inexpensively. And
上記課題を解決するための具体的な手段には、以下の形態が含まれる。
＜１＞ 燃料極と、空気極と、前記燃料極及び前記空気極の間に配置された固体酸化物電解質と、を備える固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池の前記空気極に供給される酸素を含むガスを加熱する加熱手段と、前記固体酸化物形燃料電池及び前記加熱手段の間に配置され、前記加熱手段によって加熱された酸素を含むガス中の被毒元素を吸着除去する被毒元素除去手段と、を備える燃料電池システム。
Specific means for solving the above problems include the following modes.
<1> A solid oxide fuel cell including a fuel electrode, an air electrode, and a solid oxide electrolyte disposed between the fuel electrode and the air electrode, and the air of the solid oxide fuel cell. A heating means for heating the oxygen-containing gas supplied to the electrode, and a poisoning element in the oxygen-containing gas heated by the heating means, which is disposed between the solid oxide fuel cell and the heating means. A fuel cell system comprising: a poisoning element removing unit that removes by adsorption.
本形態に係る燃料電池システムでは、燃料電池と、燃料電池の空気極に供給される酸化ガスを加熱する加熱手段との間に、加熱手段によって加熱された酸化ガス中の被毒元素を吸着除去する被毒元素除去手段が配置されている。本形態に係る燃料電池システムによれば、加熱された酸素を含むガス（以下、「酸素含有ガス」ともいう。）が配管等を流通することで生成した、空気極を被毒する元素（被毒元素）を含むガスは、被毒元素除去手段に送られるため、酸素含有ガス中の被毒元素は、空気極に供給される前に除去される。
したがって、本形態に係る燃料電池システムでは、被毒元素を含むガスが空気極に供給されることを防止するために、必ずしも加熱された酸化ガスと接触する全ての機器及び部材を、被毒元素を含まない材料に変更したり、空気極の被毒を抑制するために、空気極の材料を被毒され難い特定の材料に変更したりすることを要しないので、従来の方法よりも簡便かつ安価に、被毒元素による電池性能及び耐久性の低下を抑制することができる。また、本形態に係る燃料電池システムにおける被毒元素除去手段は、吸着による除去であるため、複雑な装置を必要とせず、簡便かつ安価に、被毒元素による電池性能及び耐久性の低下を抑制することができる。
In the fuel cell system according to the present embodiment, the poisoning element in the oxidizing gas heated by the heating means is adsorbed and removed between the fuel cell and the heating means for heating the oxidizing gas supplied to the air electrode of the fuel cell. A poisoning element removing means is provided. According to the fuel cell system according to the present embodiment, an element that poisons the air electrode (a substance to be poisoned) generated by flowing heated gas containing oxygen (hereinafter, also referred to as “oxygen-containing gas”) through a pipe or the like. Since the gas containing the poison element is sent to the poisoning element removing means, the poisoning element in the oxygen-containing gas is removed before being supplied to the air electrode.
Therefore, in the fuel cell system according to the present embodiment, in order to prevent the gas containing the poisoning element from being supplied to the air electrode, all the devices and members that are in contact with the heated oxidizing gas should be treated as the poisoning element. It is not necessary to change the material of the air electrode to a specific material that is difficult to be poisoned in order to change to a material that does not contain or to suppress the poisoning of the air electrode. It is possible to inexpensively suppress deterioration of battery performance and durability due to poisoning elements. Further, since the poisoning element removing means in the fuel cell system according to the present embodiment is removal by adsorption, a complicated device is not required, and the deterioration of cell performance and durability due to the poisoning element can be suppressed easily and inexpensively. can do.
＜２＞ 前記被毒元素は、クロム、硫黄、及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素である＜１＞に記載の燃料電池システム。 <2> The fuel cell system according to <1>, wherein the poisoning element is at least one element selected from the group consisting of chromium, sulfur, and boron.
本形態に係る燃料電池システムでは、被毒元素として、クロム、硫黄、及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素が、被毒元素除去手段によって吸着除去される。クロム、硫黄、及びホウ素はいずれも、空気極を被毒し得る元素である。
一般に、加熱された酸化ガスが流通する配管等の部材には、クロムを含むステンレス鋼が用いられる。このステンレス鋼が高温に曝されると、三酸化クロム（ＣｒＯ３）、クロム酸（Ｈ２ＣｒＯ４）等のＣｒ（ＶＩ）の酸化物が生成することがある。生成したＣｒ（ＶＩ）の酸化物は、酸化ガスとともに空気極に運ばれ、空気極の材料にドープされているストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）等と反応し、クロム酸ストロンチウム（ＳｒＣｒＯ４）、クロム酸カルシウム（ＣａＣｒＯ４）等として析出する。これらの化合物が空気極で析出して増えると、空気極の電気抵抗が増大し、電極性能が低下する。また、生成したＣｒ（ＶＩ）の酸化物は、空気極で酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）等のＣｒ（ＩＩＩ）の化合物に還元され、空気極の三相界面に蓄積する。空気極の三相界面は、酸素分子がイオン化されて酸化物イオン（Ｏ２−）となる還元反応が起こる電極反応の活性場であり、Ｃｒ（ＩＩＩ）の化合物が蓄積すると電極反応の活性場が失活し、発電特性が低下する。
また、空気中に含まれる不純物由来の硫黄、及びシステムを構成する機器、部材等の材料由来のホウ素は、空気極の触媒を劣化させることがある。
本形態に係る燃料電池システムでは、これらの被毒元素が、空気極の手前で被毒元素除去手段によって除去されるため、電池性能及び耐久性の低下が効果的に抑制される。
また、ホウ素が空気極の手前で除去されるため、加熱された酸化ガスが流通する配管の接合等に用いるガラスとして、ホウ素を含む結晶化ガラスを用いることが可能となる。また、硫黄が空気極の手前で除去されるため、酸化ガスへの硫黄の混入を防止する特殊なフィルターを設置する必要がない。
In the fuel cell system according to this embodiment, as the poisoning element, at least one element selected from the group consisting of chromium, sulfur and boron is adsorbed and removed by the poisoning element removing means. Chromium, sulfur, and boron are all elements that can poison the air electrode.
Generally, stainless steel containing chromium is used for members such as pipes through which a heated oxidizing gas flows. When this stainless steel is exposed to high temperatures, Cr(VI) oxides such as chromium trioxide (CrO 3 ) and chromic acid (H 2 CrO 4 ) may be generated. The produced oxide of Cr(VI) is carried to the air electrode together with the oxidizing gas, and reacts with strontium (Sr), calcium (Ca), etc., which are doped in the material of the air electrode, and strontium chromate (SrCrO 4 ) , Calcium chromate (CaCrO 4 ) and the like. When these compounds are deposited and increase in the air electrode, the electric resistance of the air electrode increases and the electrode performance deteriorates. Further, the produced oxide of Cr(VI) is reduced to a compound of Cr(III) such as chromium oxide (Cr 2 O 3 ) at the air electrode, and accumulates at the three-phase interface of the air electrode. The three-phase interface of the air electrode is an active field of an electrode reaction in which a reduction reaction in which oxygen molecules are ionized to form an oxide ion (O 2− ) occurs, and when a Cr(III) compound accumulates, an active field of the electrode reaction occurs. Will be deactivated and the power generation characteristics will deteriorate.
Further, sulfur derived from impurities contained in the air and boron derived from materials such as devices and members constituting the system may deteriorate the catalyst of the air electrode.
In the fuel cell system according to the present embodiment, these poisoning elements are removed by the poisoning element removing means before the air electrode, so that deterioration of cell performance and durability is effectively suppressed.
Further, since boron is removed before the air electrode, crystallized glass containing boron can be used as glass used for joining pipes through which heated oxidizing gas flows. Further, since the sulfur is removed before the air electrode, it is not necessary to install a special filter for preventing sulfur from being mixed into the oxidizing gas.
＜３＞ 前記被毒元素除去手段は、前記被毒元素を吸着する吸着材を備える＜１＞又は＜２＞に記載の燃料電池システム。 <3> The fuel cell system according to <1> or <2>, wherein the poisoning element removing unit includes an adsorbent that adsorbs the poisoning element.
＜４＞ 前記吸着材の形状は、球状、柱状、繊維状、及び粉砕状からなる群より選ばれる少なくとも１種の形状である＜３＞に記載の燃料電池システム。 <4> The fuel cell system according to <3>, wherein the adsorbent has a shape of at least one selected from the group consisting of spherical, columnar, fibrous, and pulverized.
本形態に係る燃料電池システムでは、被毒元素除去手段が、被毒元素を吸着する吸着材を備える態様を有している。そのため、吸着材の組成、材質、形状、大きさ、孔径等を選択することで、目的に応じた被毒元素除去手段を設計することができ、自由度が高い。なお、吸着材の形状としては、球状、柱状、繊維状、及び粉砕状からなる群より選ばれる少なくとも１種の形状が一般的である。 The fuel cell system according to this embodiment has a mode in which the poisoning element removing unit includes an adsorbent that adsorbs the poisoning element. Therefore, by selecting the composition, material, shape, size, pore diameter, etc. of the adsorbent, it is possible to design the poisoning element removing means according to the purpose, and the degree of freedom is high. The shape of the adsorbent is generally at least one selected from the group consisting of spherical, columnar, fibrous, and pulverized.
＜５＞ 前記被毒元素除去手段は、前記被毒元素を吸着する吸着材と、前記吸着材を収容する容器と、前記容器の少なくともガス流通方向下流側に配置され、前記吸着材の飛散を防止するフィルターと、を備える＜４＞に記載の燃料電池システム。 <5> The poisoning element removing means is arranged at least on an adsorbent that adsorbs the poisoning element, a container that houses the adsorbent, and at least a downstream side of the container in the gas flow direction to prevent scattering of the adsorbent. A fuel cell system according to <4>, further comprising:
本形態に係る燃料電池システムでは、被毒元素除去手段は、吸着材を収容する容器の少なくともガス流通方向下流側に、吸着材の飛散を防止するフィルターを備えているため、酸素含有ガスの流通による吸着材の飛散を防止することができる。 In the fuel cell system according to the present embodiment, the poisoning element removing means is provided with a filter for preventing scattering of the adsorbent at least on the downstream side of the container containing the adsorbent in the gas flow direction. It is possible to prevent scattering of the adsorbent due to.
＜６＞ 前記吸着材は、前記空気極の材料と同じである＜３＞〜＜５＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 <6> The fuel cell system according to any one of <3> to <5>, in which the adsorbent is the same as the material of the air electrode.
＜７＞ 前記吸着材は、ペロブスカイト型酸化物である＜３＞〜＜６＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 <7> The fuel cell system according to any one of <3> to <6>, in which the adsorbent is a perovskite oxide.
本形態に係る燃料電池システムでは、吸着材が、空気極の材料と同じである態様が好ましい。また、本形態に係る燃料電池システムでは、吸着材が、ペロブスカイト型酸化物である態様がより好ましい。ペロブスカイト型酸化物は、空気極の材料として一般に用いられる材料である。これらの態様によれば、より安価に被毒元素除去手段を製造することができる。 In the fuel cell system according to this embodiment, it is preferable that the adsorbent is the same as the material of the air electrode. Further, in the fuel cell system according to this embodiment, it is more preferable that the adsorbent is a perovskite oxide. The perovskite type oxide is a material generally used as a material for the air electrode. According to these aspects, the poisoning element removing means can be manufactured at a lower cost.
本発明によれば、簡便かつ安価に、被毒元素による電池性能及び耐久性の低下を抑制することが可能な燃料電池システムが提供される。 According to the present invention, there is provided a fuel cell system capable of easily and inexpensively suppressing deterioration of cell performance and durability due to poisoning elements.
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及び上限値として含む範囲を意味する。 In the present specification, the numerical range represented by "to" means a range including the numerical values before and after "to" as the lower limit value and the upper limit value.
本発明の燃料電池システムの一実施形態について、図１を参照して説明する。図１は、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。 One embodiment of the fuel cell system of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell system according to an embodiment.
本実施形態に係る燃料電池システム１は、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器１２と、改質ガスを用いて発電を行なう燃料電池１４と、酸素を含むガス（空気）を加熱する加熱手段である熱交換器１６と、加熱された酸素を含むガス中の被毒元素を吸着除去する被毒元素除去手段である被毒元素除去器１８と、を備えている。 The fuel cell system 1 according to the present embodiment includes a reformer 12 that steam-reforms a raw material gas to generate a reformed gas, a fuel cell 14 that generates electric power using the reformed gas, and a gas containing oxygen ( A heat exchanger 16 that is a heating unit that heats air), and a poisoning element remover 18 that is a poisoning element removal unit that adsorbs and removes poisoning elements in a gas containing heated oxygen. ..
本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、酸素含有ガスを加熱する加熱手段である熱交換器１６と、燃料電池１４のカソードとの間に、加熱された酸素含有ガス中の被毒元素を吸着除去する被毒元素除去手段である被毒元素除去器１８が配置されているので、カソードを被毒する元素（被毒元素）のカソードへの混入が抑制されるため、被毒元素による電池性能及び耐久性の低下が抑制される。 According to the fuel cell system 1 of the present embodiment, the poisoning element in the heated oxygen-containing gas is provided between the heat exchanger 16 that is a heating unit that heats the oxygen-containing gas and the cathode of the fuel cell 14. Since the poisoning element remover 18 which is a poisoning element removing means for adsorbing and removing the element is arranged, the element poisoning the cathode (poisoning element) is suppressed from being mixed into the cathode. A decrease in battery performance and durability is suppressed.
（改質器）
本実施形態に係る燃料電池システム１は、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器１２を備えている。改質器１２は、例えば、改質部２０とバーナ又は燃焼触媒を配置した燃焼部２２とにより構成されている。
(Reformer)
The fuel cell system 1 according to this embodiment includes a reformer 12 that steam-reforms a raw material gas to generate a reformed gas. The reformer 12 is composed of, for example, a reforming section 20 and a combustion section 22 in which a burner or a combustion catalyst is arranged.
改質部２０は、ガス流通方向上流にて原料ガス供給経路３０と接続しており、ガス流通方向下流にて改質ガス供給経路３２と接続している。原料ガス供給経路３０は、原料ガス及び水蒸気の混合ガスを改質器１２に供給する。そのため、原料ガス供給経路３０を通じて、メタン（ＣＨ４）等の原料ガス及び水蒸気の混合ガスが改質部２０に供給され、改質部２０にて原料ガスが水蒸気改質された後、生成された改質ガスが改質ガス供給経路３２を通じて、燃料電池１４に供給される。 The reforming section 20 is connected to the raw material gas supply path 30 upstream in the gas flow direction and is connected to the reformed gas supply path 32 downstream in the gas flow direction. The raw material gas supply path 30 supplies a mixed gas of the raw material gas and steam to the reformer 12. Therefore, a mixed gas of a raw material gas such as methane (CH 4 ) and steam is supplied to the reforming section 20 through the raw material gas supply path 30, and the raw material gas is steam-reformed in the reforming section 20 and then generated. The reformed gas is supplied to the fuel cell 14 through the reformed gas supply path 32.
原料ガス供給経路３０内を流通する原料ガスとしては、水蒸気改質が可能なガスであれば特に限定されず、例えば、炭化水素ガスが挙げられる。炭化水素ガスとしては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガス等が例示される。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、特にメタンが好ましい。なお、炭化水素ガスとしては、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 raw material gas flowing through the raw material gas supply path 30 is not particularly limited as long as it is a gas capable of steam reforming, and examples thereof include hydrocarbon gas. Examples of the hydrocarbon gas include natural gas, LP gas (liquefied petroleum gas), coal reformed gas, lower hydrocarbon gas and the like. 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 particularly preferable. It should be noted that the hydrocarbon gas may be a mixture of the above-mentioned lower hydrocarbon gas, or may be a gas such as the above-mentioned lower hydrocarbon gas-containing natural gas, city gas, LP gas or the like.
原料ガス供給経路３０内を流通する水蒸気は、気化器１０にて生成される。気化器１０では、外部より供給された水を気化して水蒸気を生成する。水を気化するための熱としては、燃焼排ガス等を用いてもよい。 The water vapor flowing through the raw material gas supply path 30 is generated in the vaporizer 10. The vaporizer 10 vaporizes water supplied from the outside to generate water vapor. Combustion exhaust gas or the like may be used as the heat for vaporizing water.
燃焼部２２は、ガス流通方向上流にてカソードオフガス経路４０及びアノードオフガス経路４２が接続されており、ガス流通方向下流側にて排気経路４４と接続している。
燃焼部２２は、燃料電池１４の空気極（カソード）側から排出され、カソードオフガス経路４０を通じて供給された酸素含有ガスと、燃料電池１４の燃料極（アノード）側から排出され、アノードオフガス経路４２を通じて供給された未反応の水素ガスとの混合ガスを燃焼させ、改質部２０内の改質用触媒を加熱する。燃焼部２２からの排気は、排気経路４４を通じて排出される。また、燃焼部２２を別途設けずに、アノードオフガスとカソードオフガスとを燃料電池１４を経た直後に燃焼させ、燃焼の火炎を改質部２０に直接当てることにより、改質部２０内の改質用触媒を加熱してもよい。
The combustor 22 is connected to the cathode offgas passage 40 and the anode offgas passage 42 upstream in the gas flow direction, and is connected to the exhaust passage 44 downstream in the gas flow direction.
The combustion section 22 is discharged from the air electrode (cathode) side of the fuel cell 14, and is supplied from the oxygen-containing gas supplied through the cathode off-gas passage 40, and is discharged from the fuel electrode (anode) side of the fuel cell 14, and the anode off-gas passage 42. The mixed gas with the unreacted hydrogen gas supplied through is burned to heat the reforming catalyst in the reforming section 20. Exhaust gas from the combustion unit 22 is discharged through the exhaust path 44. Further, without separately providing the combustion unit 22, the anode off gas and the cathode off gas are burned immediately after passing through the fuel cell 14, and the flame of combustion is directly applied to the reforming unit 20, whereby the reforming in the reforming unit 20 is performed. The catalyst for use may be heated.
排気経路４４及び空気供給経路３６は、燃料電池１４のカソードに供給される酸素含有ガスを加熱する加熱手段である熱交換器１６とそれぞれ接続されている。
熱交換器１６では、排気経路４４を流通する排気ガスと、空気供給経路３６を流通する酸素含有ガスと、の間で熱交換を行なう。これにより、排気経路４４を流通する排気ガスは、冷却された後に排出され、空気供給経路３６を流通する酸素含有ガスは、燃料電池１４の作動温度に適した温度に加熱された後に、燃料電池１４のカソードに供給される。
The exhaust path 44 and the air supply path 36 are respectively connected to the heat exchanger 16 which is a heating means for heating the oxygen-containing gas supplied to the cathode of the fuel cell 14.
In the heat exchanger 16, heat exchange is performed between the exhaust gas flowing through the exhaust passage 44 and the oxygen-containing gas flowing through the air supply passage 36. As a result, the exhaust gas flowing through the exhaust path 44 is discharged after being cooled, and the oxygen-containing gas flowing through the air supply path 36 is heated to a temperature suitable for the operating temperature of the fuel cell 14, and then the fuel cell. 14 cathodes.
改質部２０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熱の供給が必要である。そのため、燃焼部２２で発生する燃焼熱により改質部２０を加熱することが好ましい。 Since the steam reforming that occurs in the reforming section 20 is accompanied by a large endotherm, it is necessary to supply heat for the progress of the reaction. Therefore, it is preferable to heat the reforming section 20 with the combustion heat generated in the combustion section 22.
原料ガスの一例であるメタンを水蒸気改質させた場合、改質部２０にて、以下の式（ａ）の反応が進行し、一酸化炭素及び水素が生成される。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２・・・（ａ）
When methane, which is an example of the raw material gas, is subjected to steam reforming, the reaction of the following formula (a) proceeds in the reforming section 20 to generate carbon monoxide and hydrogen.
CH 4 +H 2 O→CO+3H 2 ... (a)
改質部２０内に設置される改質用触媒としては、水蒸気改質反応の触媒となるものであれば、特に限定されない。改質用触媒としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）等を触媒金属として含む水蒸気改質用触媒が好ましい。 The reforming catalyst installed in the reforming section 20 is not particularly limited as long as it is a catalyst for the steam reforming reaction. As the reforming catalyst, for example, a steam reforming catalyst containing nickel (Ni), rhodium (Rh), ruthenium (Ru), iridium (Ir), palladium (Pd), platinum (Pt) or the like as a catalyst metal. preferable.
改質部２０に供給される原料ガス（好ましくは、メタン）の炭素原子数（Ａ）と水蒸気の分子数（Ｂ）との比（Ａ：Ｂ）は、水蒸気改質を効率良く行なう観点から、１：１．５〜３．０が好ましく、１：２．０〜２．５がより好ましい。 The ratio (A:B) of the number of carbon atoms (A) of the source gas (preferably methane) supplied to the reforming section 20 to the number of molecules of steam (B) is from the viewpoint of efficiently performing steam reforming. , 1:1.5 to 3.0 are preferable, and 1:2.0 to 2.5 are more preferable.
また、燃焼部２２は、水蒸気改質を効率良く行なう観点から、改質部２０を、６００℃〜８００℃に加熱することが好ましく、６００℃〜７００℃に加熱することがより好ましい。 From the viewpoint of efficiently performing steam reforming, the combustion section 22 preferably heats the reforming section 20 to 600°C to 800°C, and more preferably 600°C to 700°C.
（燃料電池）
本実施形態に係る燃料電池システム１は、改質器１２から供給された改質ガスを用いて発電を行なう燃料電池１４を備えている。
燃料電池１４は、燃料極（アノード）と、空気極（カソード）と、アノード及びカソードの間に配置された固体酸化物電解質と、を備え、アノードに供給される改質ガスと、カソードに供給される酸素含有ガスとを用いて発電を行なう固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。
燃料電池１４は、アノードと固体酸化物電解質とカソードとを備える燃料電池セルである。燃料電池１４は、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックであってもよい。
(Fuel cell)
The fuel cell system 1 according to this embodiment includes a fuel cell 14 that uses the reformed gas supplied from the reformer 12 to generate electricity.
The fuel cell 14 includes a fuel electrode (anode), an air electrode (cathode), and a solid oxide electrolyte disposed between the anode and the cathode. The reformed gas supplied to the anode and the cathode are supplied to the cathode. Is a solid oxide fuel cell (SOFC) that generates electric power using the oxygen-containing gas that is generated.
The fuel cell 14 is a fuel cell including an anode, a solid oxide electrolyte, and a cathode. The fuel cell 14 may be a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked.
燃料電池１４のカソード（図示せず）には、空気供給経路３６を通じて酸素含有ガスが供給される。酸素含有ガスがカソードに供給されることにより、以下の式（ｂ）に示す反応が起こり、その際、酸素イオンが固体酸化物電解質（図示せず）の内部を移動する。
Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−・・・（ｂ）
An oxygen-containing gas is supplied to the cathode (not shown) of the fuel cell 14 through the air supply passage 36. When the oxygen-containing gas is supplied to the cathode, the reaction represented by the following formula (b) occurs, and oxygen ions move inside the solid oxide electrolyte (not shown).
O 2 +4e − →2O 2 −... (b)
燃料電池１４のアノード（図示せず）には、改質ガス供給経路３２を通じて、水素を含む改質ガスが供給される。固体酸化物電解質の内部を移動する酸素イオンから、アノードと固体酸化物電解質との界面にて、水素又は一酸化炭素が電子を受け取ることにより、それぞれ以下の式（ｃ）又は（ｄ）に示す反応が起こる。
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−・・・（ｃ）
ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−・・・（ｄ）
The reformed gas containing hydrogen is supplied to the anode (not shown) of the fuel cell 14 through the reformed gas supply path 32. Hydrogen or carbon monoxide receives an electron at the interface between the anode and the solid oxide electrolyte from the oxygen ion that moves inside the solid oxide electrolyte, and is represented by the following formula (c) or (d), respectively. The reaction takes place.
H 2 + O 2- → H 2 O + 2e - ··· (c)
CO + O 2- → CO 2 + 2e - ··· (d)
上記式（ｂ）に示すように、燃料電池１４での改質ガスの電気化学的な反応により、固体酸化物形燃料電池では、主に水蒸気が生成される。また、アノードで生成された電子は、外部回路を通じてカソードに移動する。このようにして電子がアノードからカソードに移動することにより、燃料電池１４にて発電が行なわれる。 As shown in the above formula (b), the electrochemical reaction of the reformed gas in the fuel cell 14 mainly produces water vapor in the solid oxide fuel cell. Further, the electrons generated at the anode move to the cathode through an external circuit. In this way, the electrons move from the anode to the cathode, so that the fuel cell 14 generates power.
燃料電池１４のアノードは、例えば、多孔質で、イオン伝導性が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質と固体間反応を起こし難い材料で形成されていることが好ましい。アノードの材料としては、ニッケル（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が好ましい。アノードは、上記材料を２種以上混合した混合材料で形成されていてもよい。 The anode of the fuel cell 14 is preferably made of, for example, a material that is porous, has high ionic conductivity, and is unlikely to cause a solid-solid reaction with a solid oxide electrolyte at high temperatures. The anode material is preferably nickel (Ni), yttria-stabilized zirconia (YSZ)/nickel metal porous cermet, scandia-stabilized zirconia (ScSZ)/nickel metal porous cermet, or the like. The anode may be formed of a mixed material in which two or more of the above materials are mixed.
燃料電池１４の固体酸化物電解質の材料としては、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、固体酸化物電解質の材料としては、ペロブスカイト型酸化物（例えば、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ（３−δ））も挙げられる。 Examples of the material for the solid oxide electrolyte of the fuel cell 14 include stabilized zirconia and partially stabilized zirconia. Specific examples of the stabilized zirconia include yttria-stabilized zirconia (YSZ) and scandia-stabilized zirconia (ScSZ). Specific examples of the partially stabilized zirconia include yttria partially stabilized zirconia (YSZ) and scandia partially stabilized zirconia (ScSZ). Moreover, as a material of the solid oxide electrolyte, a perovskite type oxide (for example, La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O (3-δ) ) can also be mentioned.
燃料電池１４のカソードは、例えば、多孔質で、電子伝導率が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質と固体間反応を起こし難い材料で形成されていることが好ましい。カソードの材料としては、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、Ｓｎをドープした酸化インジウム、ＰｒＣｏＯ３系酸化物、ＬａＦｅＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３系酸化物、ＬａＭｎＯ３系酸化物等が挙げられる。ＬａＭｎＯ３系酸化物の具体例としては、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３（ＬＳＭ）、Ｌａ０．６Ｃａ０．４ＭｎＯ３（ＬＣＭ）等が挙げられる。ＬａＣｏＯ３系酸化物としては、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３等のＬＳＣＦが挙げられる。また、カソードの材料としては、Ａ１−ｘＢｘＣ１−ｙＤｙＯ３−ｚ［Ａ：ランタン（Ｌａ）、Ｂ：ストロンチウム（Ｓｒ）又はカルシウム（Ｃａ）、Ｃ：コバルト（Ｃｏ）、Ｄ：及び鉄（Ｆｅ）］で表されるペロブスカイト型酸化物も好ましく用いられる。カソードは、上記材料を２種以上混合した混合材料で形成されていてもよい。 The cathode of the fuel cell 14 is preferably made of, for example, a material that is porous, has high electronic conductivity, and is unlikely to cause solid-solid reaction with the solid oxide electrolyte at high temperatures. Examples of materials for the cathode include scandia-stabilized zirconia (ScSZ), Sn-doped indium oxide, PrCoO 3 -based oxide, LaFeO 3 -based oxide, LaCoO 3 -based oxide, and LaMnO 3 -based oxide. 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). Examples of the LaCoO 3 based oxide include LSCF such as La 0.6 Sr 0.4 Fe 0.8 Co 0.2 O 3 . Further, as a material of the cathode, A 1-x B x C 1-y D y O 3-z [A: lanthanum (La), B: strontium (Sr) or calcium (Ca), C: cobalt (Co)] , D: and iron (Fe)] are also preferably used. The cathode may be formed of a mixed material in which two or more of the above materials are mixed.
（被毒元素除去器）
本実施形態に係る燃料電池システム１は、熱交換器１６と燃料電池１４のカソードとの間に、熱交換器１６で加熱された酸素含有ガス中の被毒元素を吸着除去する、被毒元素除去手段である被毒元素除去器１８が配置されている。
(Poisoning element remover)
The fuel cell system 1 according to the present embodiment adsorbs and removes poisoning elements in the oxygen-containing gas heated by the heat exchanger 16 between the heat exchanger 16 and the cathode of the fuel cell 14. A poisoning element remover 18, which is a removing means, is arranged.
燃料電池１４のカソードに供給される酸素含有ガスは、燃料電池１４に供給される前に、熱交換器１６にて燃料電池１４の作動温度に適した温度（６００℃以上）に加熱される。加熱された酸素含有ガスが流通する機器、配管等では、燃料電池１４のカソードを被毒し得る被毒元素を含む材料が用いられているため、高温に加熱された酸素含有ガスと接触すると、被毒元素を含むガスが発生し、カソードに供給される酸素含有ガス中に混入する場合がある。 The oxygen-containing gas supplied to the cathode of the fuel cell 14 is heated by the heat exchanger 16 to a temperature (600° C. or higher) suitable for the operating temperature of the fuel cell 14 before being supplied to the fuel cell 14. A device containing a poisoning element capable of poisoning the cathode of the fuel cell 14 is used in equipment, pipes, and the like through which the heated oxygen-containing gas flows, and therefore, when contacted with the oxygen-containing gas heated to a high temperature, A gas containing a poisoning element may be generated and mixed in the oxygen-containing gas supplied to the cathode.
被毒元素除去器１８は、ガス流通方向上流において、熱交換器１６により加熱された酸素含有ガスが流通する空気供給経路３４と接続されており、ガス流通方向下流において、燃料電池１４のカソードに供給される空気供給経路３６と接続されている。そのため、熱交換器１６で加熱された酸素含有ガスが空気供給経路３４を流通することで生成した、被毒元素を含む酸素含有ガスは、被毒元素除去器１８に送られ、被毒元素除去器１８にて被毒元素が除去された後に、空気供給経路３６を通じて燃料電池１４のカソードに供給される。
したがって、本実施形態に係る燃料電池システム１では、カソードへの被毒元素の混入が抑制され、電池性能及び耐久性の低下を抑制することができる。
The poisoning element remover 18 is connected to the air supply path 34 through which the oxygen-containing gas heated by the heat exchanger 16 flows, upstream of the gas flow direction, and is connected to the cathode of the fuel cell 14 downstream of the gas flow direction. It is connected to the supplied air supply path 36. Therefore, the oxygen-containing gas containing the poisoning element generated by the oxygen-containing gas heated in the heat exchanger 16 flowing through the air supply path 34 is sent to the poisoning element remover 18 to remove the poisoning element. After the poisoning element is removed by the container 18, the poisoning element is supplied to the cathode of the fuel cell 14 through the air supply path 36.
Therefore, in the fuel cell system 1 according to the present embodiment, it is possible to prevent the poisoning element from being mixed into the cathode and suppress deterioration of cell performance and durability.
被毒元素除去器１８により被毒元素が除去された後であって、燃料電池１４のカソードに供給される前に、流通するガス中に被毒元素が混入する可能性を低減する観点から、被毒元素除去器１８よりもガス流通方向下流側の空気供給経路３６の長さは、ガス流通方向上流側の空気供給経路３４の長さよりも短いこと、即ち、被毒元素除去器１８は、熱交換器１６及び燃料電池１４のカソードの間において、燃料電池１４のカソードにより近い場所に配置されていることが好ましい。 From the viewpoint of reducing the possibility that the poisoning element is mixed in the flowing gas after the poisoning element is removed by the poisoning element remover 18 and before being supplied to the cathode of the fuel cell 14, The length of the air supply path 36 downstream of the poisoning element remover 18 in the gas flow direction is shorter than the length of the air supply path 34 upstream of the gas flow direction, that is, the poisoning element remover 18 is Between the heat exchanger 16 and the cathode of the fuel cell 14, it is preferably located closer to the cathode of the fuel cell 14.
空気供給経路３６の材料は、コストを抑える観点から、カソードを被毒し得る被毒元素を含まない材料で形成されているか、カソードを被毒し得る被毒元素を含んでいても、６００℃以上の高温で揮発しない材料で形成されていることが好ましい。 From the viewpoint of cost reduction, the material of the air supply path 36 is 600° C. even if it is formed of a material that does not contain a poisoning element that can poison the cathode or contains a poisoning element that can poison the cathode. It is preferably formed of a material which does not volatilize at the above high temperature.
次に、本実施形態に係る燃料電池システムにおける被毒元素除去器１８について、図２を参照しながら説明する。 Next, the poisoning element remover 18 in the fuel cell system according to this embodiment will be described with reference to FIG.
図２に示す被毒元素除去器１８は、加熱された酸素含有ガス中の被毒元素を吸着する球状の吸着材５０と、複数の吸着材５０を収容する円筒形の容器６０と、吸着材５０の飛散を防止するフィルター７０と、を備えている。また、被毒元素除去器１８には、フィルター７０のガス流通方向上流側及びガス流通方向下流側に、容器６０とフィルター７０とにより形成された空間が設けられている。 The poisoning element remover 18 shown in FIG. 2 includes a spherical adsorbent 50 that adsorbs poisoning elements in a heated oxygen-containing gas, a cylindrical container 60 that houses a plurality of adsorbents 50, and an adsorbent. And a filter 70 for preventing the scattering of 50. Further, in the poisoning element remover 18, a space formed by the container 60 and the filter 70 is provided on the upstream side in the gas flow direction of the filter 70 and the downstream side in the gas flow direction.
図２に示す被毒元素除去器１８では、空気供給経路３４を通じて供給された被毒元素を含む酸素含有ガスが、吸着材５０が充填された容器６０内を流れることで、酸素含有ガス中の被毒元素が吸着材５０に吸着され、除去される。
被毒元素除去器１８のガス流通方向上流側及びガス流通方向下流側には、フィルター７０が設けられているため、酸素含有ガスの流通による吸着材５０の飛散が防止される。
被毒元素除去器１８には、フィルター７０のガス流通方向上流側に、容器６０とフィルター７０とにより形成された空間が設けられているため、空気供給経路３４を通じて供給された被毒元素を含む酸素含有ガスは、その空間内に広がった後、容器内を流通する。また、被毒元素除去器１８には、フィルター７０のガス流通方向下流側にも、容器６０とフィルター７０とにより形成された空間が設けられているため、被毒元素を含む酸素含有ガスが吸着材５０全体に行き渡る。
したがって、被毒元素除去器１８は、吸着材５０による被毒元素の吸着効率が良い。
被毒元素が除去された酸素含有ガスは、空気供給経路３６を通じて、燃料電池１４のカソードに供給される。
In the poisoning element remover 18 shown in FIG. 2, the oxygen-containing gas containing the poisoning element supplied through the air supply path 34 flows in the container 60 filled with the adsorbent 50, so that the oxygen-containing gas in the oxygen-containing gas is removed. The poisoning element is adsorbed by the adsorbent 50 and removed.
Since the filters 70 are provided on the upstream side and the downstream side in the gas flow direction of the poisoning element remover 18, the adsorbent 50 is prevented from scattering due to the flow of the oxygen-containing gas.
Since the poisoning element remover 18 is provided with a space formed by the container 60 and the filter 70 on the upstream side of the filter 70 in the gas flow direction, it contains the poisoning element supplied through the air supply path 34. The oxygen-containing gas spreads in the space and then flows in the container. Further, in the poisoning element remover 18, since a space formed by the container 60 and the filter 70 is provided also on the downstream side of the filter 70 in the gas flow direction, the oxygen-containing gas containing the poisoning element is adsorbed. It spreads throughout the material 50.
Therefore, the poisoning element remover 18 has good adsorption efficiency of the poisoning element by the adsorbent 50.
The oxygen-containing gas from which the poisoning element has been removed is supplied to the cathode of the fuel cell 14 through the air supply path 36.
吸着材５０は、被毒元素との反応性が高く、６００℃付近の高温で安定であり、かつ、吸着した被毒元素を放出しないことが好ましい。このような吸着材としては、例えば、Ａ１−ｘＢｘＣ１−ｙＤｙＯ３−ｚ［Ａ：ランタン（Ｌａ）、Ｂ：ストロンチウム（Ｓｒ）又はカルシウム（Ｃａ）、Ｃ：コバルト（Ｃｏ）、Ｄ：及び鉄（Ｆｅ）］で表されるペロブスカイト型酸化物が挙げられる。ペロブスカイト型酸化物は、その組成によって、特定の被毒元素を選択的に吸着し得る。例えば、ランタン、サマリウム（Ｓｍ）、ストロンチウム、コバルト、鉄等を構成元素として含むペロブスカイト型酸化物は、クロム、硫黄、及びホウ素を吸着し得る。
その他、クロム、硫黄、及びホウ素を吸着し得る吸着材としては、燃料電池１４のカソードの材料と同様の材料を用いた吸着材が挙げられる。
吸着材５０は、燃料電池１４のカソードの材料と同じであることが好ましい。吸着材５０をカソードの材料と同じにすると、カソードで反応してしまう被毒元素を先にトラップできるため、燃料電池１４を保護できると同時に、安価な材料での製造が可能となる。
It is preferable that the adsorbent 50 has high reactivity with the poisoning element, is stable at a high temperature near 600° C., and does not release the adsorbed poisoning element. As such an adsorbent, for example, A 1-x B x C 1-y D y O 3-z [A: lanthanum (La), B: strontium (Sr) or calcium (Ca), C: cobalt ( Co), D: and iron (Fe)]. The perovskite type oxide can selectively adsorb a specific poisoning element depending on its composition. For example, a perovskite oxide containing lanthanum, samarium (Sm), strontium, cobalt, iron, etc. as constituent elements can adsorb chromium, sulfur, and boron.
In addition, as the adsorbent capable of adsorbing chromium, sulfur, and boron, an adsorbent using a material similar to the material of the cathode of the fuel cell 14 can be used.
The adsorbent 50 is preferably the same as the material of the cathode of the fuel cell 14. When the adsorbent 50 is made the same as the material of the cathode, the poisoning element that reacts at the cathode can be trapped first, so that the fuel cell 14 can be protected and at the same time, it can be manufactured with an inexpensive material.
吸着材５０の形状は、特に限定されず、球状、柱状、繊維状、粉砕状等の飛散し難い形状が挙げられる。これらの中でも、吸着材５０の形状としては、被毒元素を含むガスとの接触面積が大きく、かつ、圧力損失を生じ難いという観点から、粉砕状が好ましい。例えば、吸着材５０としてペロブスカイト型酸化物を用いる場合には、加圧によるペレット成形性が良好であるため、ペレット状に加圧成形した後、粒子状に粉砕することで、飛散し難い粉砕状の吸着材を得ることができる。
吸着材５０は、ハニカム構造を有していてもよい。吸着材５０がハニカム構造を有していると、被毒元素を含むガスとの接触面積が大きくなるため、被毒元素の吸着効率が高まる。また、圧力損失を生じ難い。
吸着材５０の大きさは、特に限定されず、圧力損失、容器６０からの飛散等を考慮し、適宜設定するとよい。
The shape of the adsorbent 50 is not particularly limited, and examples thereof include spherical shapes, columnar shapes, fibrous shapes, crushed shapes, and the like that are difficult to scatter. Among these, as the shape of the adsorbent 50, a pulverized shape is preferable from the viewpoint that the contact area with the gas containing the poisoning element is large and pressure loss is unlikely to occur. For example, when a perovskite-type oxide is used as the adsorbent 50, since pellet formability by pressurization is good, it is difficult to scatter by pelletizing after being press-molded into pellets. Can be obtained.
The adsorbent 50 may have a honeycomb structure. When the adsorbent 50 has a honeycomb structure, the contact area with the gas containing the poisoning element increases, so that the adsorption efficiency of the poisoning element increases. Also, pressure loss is unlikely to occur.
The size of the adsorbent 50 is not particularly limited, and may be appropriately set in consideration of pressure loss, scattering from the container 60, and the like.
容器６０は、カソードを被毒し得る被毒元素を含まない材料で形成されているか、カソードを被毒し得る被毒元素を含んでいても、６００℃以上の高温で揮発しない材料で形成されていることが好ましい。このような材料としては、例えば、日新製鋼（株）のＮＣＡ−１（耐高温酸化用フェライト系ステンレス、クロム−アルミ合金）が挙げられる。 The container 60 is made of a material that does not contain a poisoning element that can poison the cathode, or a material that does not volatilize at a high temperature of 600° C. or higher even if it contains a poisoning element that can poison the cathode. Preferably. Examples of such a material include NCA-1 (ferritic stainless steel for high temperature oxidation resistance, chromium-aluminum alloy) manufactured by Nisshin Steel Co., Ltd.
容器６０における吸着材５０の充填密度は、被毒元素の吸着効率、圧力損失等を考慮し、適宜設定することができる。 The packing density of the adsorbent 50 in the container 60 can be appropriately set in consideration of adsorption efficiency of poisoning elements, pressure loss, and the like.
フィルター７０は、吸着材５０が飛散することを防止している。フィルター７０は、被毒元素除去器１８のガス流通方向下流側（空気供給経路３６側）に配置されていてもよく、被毒元素除去器１８のガス流通方向上流側（空気供給経路３４側）に配置されていてもよく、被毒元素除去器１８のガス流通方向上流側（空気供給経路３４側）及びガス流通方向下流側の両方に配置されていてもよい。フィルター７０は、被毒元素除去器１８の少なくともガス流通方向下流側（空気供給経路３６側）に配置されていることが好ましく、被毒元素除去器１８のガス流通方向上流側（空気供給経路３４側）及びガス流通方向下流側の両方に配置されていることがより好ましい。 The filter 70 prevents the adsorbent 50 from scattering. The filter 70 may be arranged on the downstream side of the poisoning element remover 18 in the gas flow direction (air supply path 36 side), and on the upstream side of the poisoning element remover 18 in the gas flow direction (air supply path 34 side). It may be arranged in both the upstream side of the poisoning element remover 18 in the gas flow direction (on the side of the air supply path 34) and the downstream side in the gas flow direction of the poisoning element remover 18. The filter 70 is preferably disposed at least on the downstream side (air supply path 36 side) of the poisoning element remover 18 in the gas flow direction, and on the upstream side of the poisoning element remover 18 in the gas flow direction (air supply path 34). It is more preferable to be arranged both on the side) and on the downstream side in the gas flow direction.
フィルター７０は、金網状に成形されたメッシュフィルターであることが好ましい。また、フィルター７０は、カソードを被毒し得る被毒元素を含まない材料で形成されているか、カソードを被毒し得る被毒元素を含んでいても、６００℃以上の高温で揮発しない材料で形成されていることが好ましい。 The filter 70 is preferably a mesh filter formed in a wire mesh shape. Further, the filter 70 is formed of a material that does not contain a poisoning element that can poison the cathode, or a material that does not volatilize at a high temperature of 600° C. or higher even if it contains a poisoning element that can poison the cathode. It is preferably formed.
フィルター７０のメッシュサイズは、吸着材５０を捕捉できればよく、特に限定されない。吸着材５０を的確に捕捉する観点からは、フィルター７０の孔径は、吸着材５０の最小外径よりも小さいことが好ましい。
フィルター７０の孔の面積Ａ及び孔の数Ｂと、ガス供給経路３４の断面積Ｃとは、Ａ×Ｂ＞Ｃの式を満たす関係にあることが好ましい。フィルター７０の孔の面積Ａ及び孔の数Ｂと、ガス供給経路３４の断面積Ｃとが、上記の式を満たす関係にあると、フィルター７０による圧力損失が生じ難い。また、一般に、燃料電池システムは、流通するガスをシステム全体に循環させるためのブロアを備えているが、フィルター７０の孔の面積Ａ及び孔の数Ｂと、ガス供給経路３４の断面積Ｃとが、上記の式を満たす関係にあると、フィルター７０に圧がかかり難くなるため、ブロア、ひいては燃料電池システム全体に負担が生じ難い。
The mesh size of the filter 70 is not particularly limited as long as it can capture the adsorbent 50. From the viewpoint of accurately capturing the adsorbent 50, the pore size of the filter 70 is preferably smaller than the minimum outer diameter of the adsorbent 50.
The area A of the holes of the filter 70, the number B of the holes, and the cross-sectional area C of the gas supply path 34 preferably satisfy the relationship of A×B>C. When the area A of the holes of the filter 70 and the number B of the holes and the cross-sectional area C of the gas supply path 34 have a relationship satisfying the above formula, pressure loss due to the filter 70 is unlikely to occur. Further, generally, the fuel cell system is provided with a blower for circulating the circulating gas throughout the system, but the area A of the holes of the filter 70 and the number B of the holes and the cross-sectional area C of the gas supply path 34 are set. However, if the relationship is satisfied, the filter 70 is less likely to be pressed, and the blower, and thus the fuel cell system as a whole, is less likely to be burdened.
上記の実施形態では、燃料電池システムが燃料電池スタックを１つ備える場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、燃料電池システムが燃料電池スタックを複数備える場合にも適用することができる。複数の燃料電池スタックの空気供給経路が直列に接続されている場合には、例えば、複数ある燃料電池スタックの各々が、ガス流通方向上流側に被毒元素除去器を備えていてもよいし、複数ある燃料電池スタックのうち、ガス流通方向最上流に配置された燃料電池スタックのガス流通方向上流側にのみ被毒元素除去器を備えていてもよい。 In the above embodiment, the case where the fuel cell system includes one fuel cell stack has been described, but the present invention is not limited to this, and is also applied to a case where the fuel cell system includes a plurality of fuel cell stacks. be able to. When the air supply paths of the plurality of fuel cell stacks are connected in series, for example, each of the plurality of fuel cell stacks may be provided with a poisoning element remover on the upstream side in the gas flow direction, Of the plurality of fuel cell stacks, the poisoning element remover may be provided only on the upstream side in the gas flow direction of the fuel cell stack arranged at the uppermost stream in the gas flow direction.
１・・・燃料電池システム、１０・・・気化器、１２・・・改質器、１４・・・燃料電池、１６・・・熱交換器、１８・・・被毒元素除去器、２０・・・改質部、２２・・・燃焼部、３０・・・原料ガス供給経路、３２・・・改質ガス供給経路、３４、３６・・・空気供給経路、４０・・・カソードオフガス経路、４２・・・アノードオフガス経路、４４・・・排気経路、５０・・・吸着材、６０・・・容器、７０・・・フィルター 1... Fuel cell system, 10... Vaporizer, 12... Reformer, 14... Fuel cell, 16... Heat exchanger, 18... Poisoning element remover, 20... ..Reforming section, 22... Combustion section, 30... Raw material gas supply path, 32... Reformed gas supply path, 34, 36... Air supply path, 40... Cathode off gas path, 42... Anode off-gas passage, 44... Exhaust passage, 50... Adsorbent, 60... Container, 70... Filter
Claims (8)
原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質手段と、
前記固体酸化物形燃料電池の前記燃料極側から排出されるアノードオフガス、及び、前記固体酸化物形燃料電池の前記空気極側から排出されるカソードオフガスを燃焼させる燃焼手段と、
前記燃焼手段からの排気ガスと熱交換して、前記固体酸化物形燃料電池の前記空気極に供給される酸素を含むガスを加熱する加熱手段と、
前記固体酸化物形燃料電池及び前記加熱手段の間に配置され、前記加熱手段によって加熱された酸素を含むガス中の被毒元素を吸着除去する被毒元素除去手段と、
を備え、
前記改質手段は、前記燃焼手段によって発生する燃焼熱により前記原料ガスを水蒸気改質させる燃料電池システム。 A solid oxide fuel cell comprising a fuel electrode, an air electrode, and a solid oxide electrolyte disposed between the fuel electrode and the air electrode;
Reforming means for producing a reformed gas by steam reforming the raw material gas,
An anode off-gas discharged from the fuel electrode side of the solid oxide fuel cell, and a combustion means for burning the cathode off-gas discharged from the air electrode side of the solid oxide fuel cell,
Heating means for exchanging heat with the exhaust gas from the combustion means to heat the gas containing oxygen supplied to the air electrode of the solid oxide fuel cell;
A poisoning element removing unit that is disposed between the solid oxide fuel cell and the heating unit and that adsorbs and removes the poisoning element in the gas containing oxygen heated by the heating unit.
Equipped with
The reforming means is a fuel cell system for steam reforming the raw material gas by the combustion heat generated by the combustion means.
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Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006224094A (en) * | 2005-01-03 | 2006-08-31 | Air Products & Chemicals Inc | Material gas contaminant removal in ion transport membrane system |
| JP2006331722A (en) * | 2005-05-24 | 2006-12-07 | Nitto Denko Corp | Filter medium for fuel cell and filter for fuel cell using it |
| JP2008147086A (en) * | 2006-12-12 | 2008-06-26 | Sumitomo Precision Prod Co Ltd | Fuel cell system |
| JP2008238107A (en) * | 2007-03-28 | 2008-10-09 | Toyota Central R&D Labs Inc | Filter for removing sulfur-based gas and method for removing sulfur-based gas using the same |
| JP2009023869A (en) * | 2007-07-19 | 2009-02-05 | Aisin Seiki Co Ltd | Desulfurizer and system for supplying raw material to be reformed |
| US20100119886A1 (en) * | 2007-01-09 | 2010-05-13 | Technical University Of Denmark | Method of producing a multilayer barrier structure for a solid oxide fuel cell |
| US20140057184A1 (en) * | 2012-08-21 | 2014-02-27 | Bloom Energy Corporation | Systems and Methods for Suppressing Chromium Poisoning in Fuel Cells |
| JP2015153709A (en) * | 2014-02-19 | 2015-08-24 | 日本特殊陶業株式会社 | fuel cell |
| JP2015191728A (en) * | 2014-03-27 | 2015-11-02 | 東京瓦斯株式会社 | Desulfurization method of air for fuel cell, and fuel cell |
| JP2016031827A (en) * | 2014-07-29 | 2016-03-07 | 株式会社村田製作所 | Fuel battery module |
-
2020
- 2020-04-22 JP JP2020076219A patent/JP6909897B2/en active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006224094A (en) * | 2005-01-03 | 2006-08-31 | Air Products & Chemicals Inc | Material gas contaminant removal in ion transport membrane system |
| JP2006331722A (en) * | 2005-05-24 | 2006-12-07 | Nitto Denko Corp | Filter medium for fuel cell and filter for fuel cell using it |
| JP2008147086A (en) * | 2006-12-12 | 2008-06-26 | Sumitomo Precision Prod Co Ltd | Fuel cell system |
| US20100119886A1 (en) * | 2007-01-09 | 2010-05-13 | Technical University Of Denmark | Method of producing a multilayer barrier structure for a solid oxide fuel cell |
| JP2008238107A (en) * | 2007-03-28 | 2008-10-09 | Toyota Central R&D Labs Inc | Filter for removing sulfur-based gas and method for removing sulfur-based gas using the same |
| JP2009023869A (en) * | 2007-07-19 | 2009-02-05 | Aisin Seiki Co Ltd | Desulfurizer and system for supplying raw material to be reformed |
| US20140057184A1 (en) * | 2012-08-21 | 2014-02-27 | Bloom Energy Corporation | Systems and Methods for Suppressing Chromium Poisoning in Fuel Cells |
| JP2015153709A (en) * | 2014-02-19 | 2015-08-24 | 日本特殊陶業株式会社 | fuel cell |
| JP2015191728A (en) * | 2014-03-27 | 2015-11-02 | 東京瓦斯株式会社 | Desulfurization method of air for fuel cell, and fuel cell |
| JP2016031827A (en) * | 2014-07-29 | 2016-03-07 | 株式会社村田製作所 | Fuel battery module |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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