JP2021190285A - Solid oxide type fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料ガスを改質した改質燃料ガス及び酸化剤ガスの酸化及び還元によって発電を行うセルスタックを備えた固体酸化物形燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell system including a cell stack that generates power by oxidizing and reducing a reformed fuel gas obtained by reforming a fuel gas and an oxidant gas.
従来より、酸化物イオンを伝導する膜として固体電解質を用いた固体酸化物形のセルスタックを備えた固体酸化物形燃料電池システムが知られている。この固体酸化物形燃料電池システムにおいては、セルスタックは複数の燃料電池セルを積層して構成され、各燃料電池セルにおける固体電解質の片面側に燃料ガスを酸化するための燃料極が設けられ、その他面側に空気(酸化剤ガス)中の酸素を還元するための酸素極が設けられている。この固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池セルの作動温度は約700〜900℃と高く、このような高温下において、燃料ガス(改質燃料ガス)中の水素や一酸化炭素、炭化水素と空気中の酸素とが電気化学反応を起こすことによって発電が行われる。 Conventionally, a solid oxide fuel cell system including a solid oxide cell stack using a solid electrolyte as a film for conducting oxide ions has been known. In this solid oxide fuel cell system, the cell stack is configured by stacking a plurality of fuel cell cells, and a fuel electrode for oxidizing fuel gas is provided on one side of the solid electrolyte in each fuel cell. An oxygen electrode for reducing oxygen in the air (oxidizing agent gas) is provided on the other surface side. The operating temperature of the fuel cell of this solid oxide fuel cell system is as high as about 700 to 900 ° C, and at such a high temperature, hydrogen, carbon monoxide, and hydrocarbons in the fuel gas (reformed fuel gas) Power is generated by an electrochemical reaction with oxygen in the air.
このような固体酸化物形燃料電池システムとして、燃料ガス(原燃料ガス)を水蒸気改質するための改質器と、改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤ガスの酸化及び還元によって発電を行うセルスタックと、セルスタックの酸素極(空気極)側に酸化剤ガスとしての空気を供給するための空気供給手段(酸化剤ガス供給手段)と、改質器に燃料ガス(原燃料ガス)を供給するための燃料ガス供給手段とを備え、セルスタック及び改質器が高温状態に保たれる高温ハウジングに収容されているものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 As such a solid oxide fuel cell system, a reformer for steam reforming fuel gas (raw fuel gas), and oxidation of reformed fuel gas and oxidant gas reformed by the reformer. A cell stack that generates power by reduction and reduction, an air supply means (oxidizer gas supply means) for supplying air as an oxidant gas to the oxygen electrode (air electrode) side of the cell stack, and a fuel gas to the reformer. It has been proposed that a fuel gas supply means for supplying (raw fuel gas) is provided, and a cell stack and a reformer are housed in a high temperature housing kept in a high temperature state (for example, Patent Document 1). reference).
この固体酸化物形燃料電池システムでは、セルスタックの上側に燃焼域が設けられ、この燃焼域の上方に改質器が配設されている。そして、改質器からの改質燃料ガスがセルスタックの燃料極側に送給され、空気供給手段からの空気がセルスタックの酸素極側に送給され、このセルスタックにおける電気化学反応(発電反応)により発電が行われる。セルスタックの燃料極側からの燃料オフガス(即ち、アノードオフガス)及び酸素極側からの空気オフガス(即ち、カソードオフガス)は燃焼域に送給されて燃焼され、この燃焼熱を利用して改質器などが加熱されるとともに、高温空間が高温状態に保たれる。 In this solid oxide fuel cell system, a combustion region is provided above the cell stack, and a reformer is disposed above the combustion region. Then, the reformed fuel gas from the reformer is supplied to the fuel electrode side of the cell stack, and the air from the air supply means is supplied to the oxygen electrode side of the cell stack, and the electrochemical reaction (power generation) in this cell stack is performed. Power is generated by the reaction). The fuel off gas from the fuel electrode side of the cell stack (that is, the anode off gas) and the air off gas from the oxygen electrode side (that is, the cathode off gas) are sent to the combustion region and burned, and reformed using this combustion heat. As the vessel and the like are heated, the high temperature space is kept in a high temperature state.
固体酸化物形燃料電池システムとして、セルスタックの上側に燃焼域を設けることに代えて、専用の燃焼器を備えたものも提案されている(例えば、特許文献2参照)。この固体酸化物形燃料電池システムでは、セルスタックの燃料極側からの燃料オフガス(アノードオフガス)が燃料オフガス送給流路を通して燃焼器に送給され、またセルスタックの酸素極側からの空気オフガス(カソードオフガス)が空気オフガス送給流路を通して燃焼器に送給され、この燃焼器において燃料オフガスが空気オフガスにより燃焼され、この燃焼熱を利用して改質器などが加熱されるとともに、高温空間が高温状態に保たれる。 As a solid oxide fuel cell system, a system equipped with a dedicated combustor instead of providing a combustion region on the upper side of the cell stack has also been proposed (see, for example, Patent Document 2). In this solid oxide fuel cell system, fuel off gas (anodic off gas) from the fuel electrode side of the cell stack is supplied to the combustor through the fuel off gas supply flow path, and air off gas from the oxygen electrode side of the cell stack. (Cathonate off gas) is supplied to the combustor through the air off gas supply flow path, and the fuel off gas is burned by the air off gas in this combustor, and the reformer and the like are heated by using this combustion heat, and the temperature is high. The space is kept hot.
近年、このような固体酸化物形燃料電池システムにおいて、発電効率を高めるようにしたものも提案されている(例えば、特許文献3参照)。この固体酸化物形燃料電池システムでは、セルスタックからの燃料オフガス(アノードオフガス)が高温空間から導出されて水蒸気凝縮部に送給され、この水蒸気凝縮部にて燃料オフガスに含まれた水蒸気が凝縮される。水蒸気凝縮部は、例えば、排熱を回収するための排熱回収用熱交換器及び凝縮された水を分離する気液分離器を備え、この排熱回収用熱交換器にて例えば貯湯装置からの水との熱交換により冷却され、この冷却により燃料オフガスに含まれている水分が凝縮される。そして、水分が除去された燃料オフガス(アノードオフガス)の一部(10〜40%程度)が燃料ガス供給手段(燃料ガス供給ポンプ)の上流側の減圧領域(燃料ガス供給系)に戻され、この戻された燃料オフガスが燃料ガス供給源からの燃料ガスに混合されて改質器に供給される。一方、残りの燃料オフガス(燃料ガス供給系に戻されないもの)は、高温空間内の燃焼器に送給され、この燃焼器にて空気オフガス(カソードオフガス)により燃焼される。 In recent years, in such a solid oxide fuel cell system, a system for increasing power generation efficiency has also been proposed (see, for example, Patent Document 3). In this solid oxide fuel cell system, the fuel off gas (anode off gas) from the cell stack is derived from the high temperature space and sent to the steam condensing section, where the steam contained in the fuel off gas is condensed. Will be done. The steam condensing unit includes, for example, an exhaust heat recovery heat exchanger for recovering exhaust heat and a gas-liquid separator for separating condensed water, and the exhaust heat recovery heat exchanger is used, for example, from a hot water storage device. It is cooled by heat exchange with water, and this cooling condenses the water contained in the fuel off gas. Then, a part (about 10 to 40%) of the fuel off gas (anode off gas) from which water has been removed is returned to the decompression region (fuel gas supply system) on the upstream side of the fuel gas supply means (fuel gas supply pump). This returned fuel off gas is mixed with the fuel gas from the fuel gas supply source and supplied to the reformer. On the other hand, the remaining fuel off gas (those that are not returned to the fuel gas supply system) is sent to a combustor in the high temperature space, and is burned by the air off gas (cathode off gas) in this combustor.
このように燃料オフガスの一部を燃料ガス供給系に戻すことにより、燃料電池システムの発電効率を高めることができる。一般的にセルスタックの燃料利用率が通常82〜83%程度であるのが、燃料オフガスを燃料ガス供給系に戻すことにより、この燃料利用率を87〜90%程度まで高めることができ、約5〜7ポイント程度の改善を図ることが可能になり、これにより、発電効率の嵩上げをすることが可能となる。 By returning a part of the fuel off gas to the fuel gas supply system in this way, the power generation efficiency of the fuel cell system can be improved. Generally, the fuel utilization rate of the cell stack is usually about 82 to 83%, but by returning the fuel off gas to the fuel gas supply system, this fuel utilization rate can be increased to about 87 to 90%. It is possible to improve by about 5 to 7 points, which makes it possible to increase the power generation efficiency.
この種の固体酸化物形燃料電池システムではセルスタックの作動温度が700〜900℃と高温であり、このような高温状態にて高い発電性能を持たせる必要があることから、燃料極としては、例えば金属状態のニッケルと電解質材料である安定化ジルコニアの混合物が用いられ、また酸素極(空気極)としては、例えばランタンストロンチウムコバルトフェライト(LSCF)やランタンマンガナイトが用いられる。このような燃料極材料は還元雰囲気でしか安定せず、また酸素極材料は酸化雰囲気でしか安定せず、そのために、システムの起動、発電、停止において、燃料極側には常に還元性のガスが流れ、酸素極側(空気極側)には酸素を含む酸化剤ガス(空気)が流れるようになっている。 In this type of solid oxide fuel cell system, the operating temperature of the cell stack is as high as 700 to 900 ° C., and it is necessary to have high power generation performance in such a high temperature state. For example, a mixture of metallic nickel and stabilized zirconia which is an electrolyte material is used, and as the oxygen electrode (air electrode), for example, lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF) or lanthanum manganite is used. Such fuel electrode materials are stable only in a reducing atmosphere, and oxygen electrode materials are stable only in an oxidizing atmosphere, so that reducing gas is always on the fuel electrode side during system start-up, power generation, and shutdown. Flows, and an oxidant gas (air) containing oxygen flows to the oxygen electrode side (air electrode side).
この固体酸化物形燃料電池システムでは一般的課題として、システムをシャットダウン停止する、例えば発電中に直ちに遮断弁を閉じて緊急停止なければならないようなシャットダウン動作(例えば、システムの故障、システムへの燃料ガスの供給遮断、各種センサの異常検知などのときに行われる動作)を行う場合、セルスタックへの悪影響が生じるおそれがある。尚、この明細書全体を通して、「シャットダウン停止」とはセルスタックの高温状態(例えば、500℃以上)のときに燃料ガスの供給流量をゼロ(零)にする停止をいう。 As a general task in this solid oxide fuel cell system, a shutdown operation that shuts down the system, for example, the shutoff valve must be closed immediately during power generation to make an emergency stop (eg, system failure, fuel to the system) When performing an operation that is performed when the gas supply is cut off or an abnormality is detected in various sensors), the cell stack may be adversely affected. Throughout this specification, "shutdown stop" means a stop in which the fuel gas supply flow rate is reduced to zero when the cell stack is in a high temperature state (for example, 500 ° C. or higher).
シャットダウン停止を行う場合、セルスタックの燃料極側においては、次のよう問題が生じる。この燃料極は、例えば金属状態のニッケルと電解質材料である安定化ジルコニアの混合物が用いられており、それ故に、シャットダウン停止して燃料ガスの供給が停止すると、セルスタックの酸素極側や排気ガス排出流路からの空気が燃料極側(その出口側)に到達するおそれがある。セルスタックの温度が高い(例えば、400℃以上)状態において燃料極側に空気が達すると、燃料極中のニッケルの一部(その粒子表面から)が酸化して酸化ニッケルになる。 When shutting down and stopping, the following problems occur on the fuel electrode side of the cell stack. For this fuel electrode, for example, a mixture of metallic nickel and stabilized zirconia, which is an electrolyte material, is used. Therefore, when the shutdown is stopped and the fuel gas supply is stopped, the oxygen electrode side of the cell stack and the exhaust gas are used. Air from the exhaust flow path may reach the fuel electrode side (its outlet side). When air reaches the fuel electrode side when the temperature of the cell stack is high (for example, 400 ° C. or higher), a part of nickel in the fuel electrode (from the particle surface thereof) is oxidized to nickel oxide.
この燃料極側の酸化は、シャットダウン停止後の通常の起動において改質燃料ガス(還元性ガス)が流れることによって還元状態である金属ニッケルに戻るようになるが、こうした酸化、還元の酸化深さ、回数によって燃料極の微構造や寸法に変化が生じ、これらのことに起因して、電極性能の劣化、燃料極と接している固体電解質のクラック発生などの問題が生じることがある。 Oxidation on the fuel electrode side returns to metallic nickel, which is in a reduced state, due to the flow of reformed fuel gas (reducing gas) during normal startup after shutdown is stopped. Depending on the number of times, the microstructure and dimensions of the fuel electrode change, which may cause problems such as deterioration of electrode performance and cracking of the solid electrolyte in contact with the fuel electrode.
また、セルスタックの酸素極側(空気極側)においては、次のような問題が生じる。酸素極側には酸素を含む酸化剤ガス(空気)が流れるようになっているが、シャットダウン停止時には酸化剤ガス(空気)の供給も同時に停止することが行われる(燃料ガスの供給停止状態でセルスタックへの空気供給を続けると、結果的に出口側から燃料極への酸素供給となり、燃料極側で上述した問題が起こり易くなるためである。)。 Further, on the oxygen pole side (air pole side) of the cell stack, the following problems occur. Oxidizing agent gas (air) containing oxygen flows to the oxygen electrode side, but when the shutdown is stopped, the supply of oxidizing agent gas (air) is also stopped at the same time (when the fuel gas supply is stopped). This is because if the air supply to the cell stack is continued, oxygen is eventually supplied from the outlet side to the fuel electrode, and the above-mentioned problems are likely to occur on the fuel electrode side).
セルスタックの高温状態(例えば、700℃前後)において、燃料ガス及び酸化剤ガス(空気)の供給を停止させると、次のようなことが発生する。燃料ガス供給系には気化器(水蒸気発生器)が存在しており、システムがシャットダウン停止したときには、この気化器内に改質用水が残存している。気化器に熱を与えるための燃焼器は、シャットダウン停止時には燃焼を止めるが、この気化器の周囲温度は充分に高いので、燃料ガスがない状態で燃料ガス供給系(主として気化器)にて水蒸気が発生する。その結果、少しの燃料ガスを含む水蒸気がスタックの燃料極側を通って燃焼器に流れることになる。 When the supply of the fuel gas and the oxidant gas (air) is stopped in a high temperature state (for example, around 700 ° C.) of the cell stack, the following occurs. A vaporizer (steam generator) exists in the fuel gas supply system, and when the system shuts down and stops, reforming water remains in the vaporizer. The combustor for applying heat to the vaporizer stops combustion when the shutdown is stopped, but since the ambient temperature of this combustor is sufficiently high, steam is vaporized in the fuel gas supply system (mainly the vaporizer) in the absence of fuel gas. Occurs. As a result, water vapor containing a small amount of fuel gas flows to the combustor through the fuel electrode side of the stack.
このように燃焼器に流れる燃料ガス混じりの水蒸気は、そのまま排気ガス排出流路を通して外部に排出されれば問題はないが、実際には、この水蒸気は、排気ガス排出流路及び酸化材オフガス送給流路(セルスタックの酸素極側と燃焼器とを接続する流路)に分配され、これらの流れやすい方に多く分配されて流れることになる。 There is no problem if the water vapor mixed with the fuel gas flowing through the combustor is discharged to the outside through the exhaust gas discharge flow path as it is, but in reality, this water vapor is sent to the exhaust gas discharge flow path and the oxide material off gas. It is distributed to the supply flow path (the flow path connecting the oxygen electrode side of the cell stack and the combustor), and a large amount is distributed and flows to these easy-to-flow directions.
セルスタックの酸素極側(空気極側)に燃料ガス混じりの水蒸気が高温(例えば、500℃以上)で到達すると、酸素極側材料であるLSCF(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)電極(固体酸化物形燃料電池セルの代表的な酸素極材料である例えばペロブスカイト型酸化物)が還元を受け、この酸素極の一部が還元作用を受けると、LSCFが膨張し、その程度によっては酸素極層(LSCF層)にクラックが生じたり、この酸素極層が固体電解質から部分的に剥離し、このクラックや剥離は一度起こると不可逆な大きな劣化につながることになる。 When water vapor mixed with fuel gas reaches the oxygen electrode side (air electrode side) of the cell stack at a high temperature (for example, 500 ° C or higher), the LSCF (lanternstrontium cobalt ferrite) electrode (solid oxide fuel cell), which is the material on the oxygen electrode side, is used. When a typical oxygen electrode material of a battery cell, for example, a perovskite-type oxide) undergoes reduction and a part of the oxygen electrode undergoes a reducing action, the LSCF expands, and depending on the degree, the oxygen electrode layer (LSCF layer). ), Or the oxygen electrode layer is partially exfoliated from the solid electrolyte, and once this crack or exfoliation occurs, it leads to irreversible large deterioration.
本発明の目的は、シャットダウン停止時に発生しやすい酸素極側の劣化を抑えることができる固体酸化物形燃料電池システムを提供することである。 An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell system capable of suppressing deterioration on the oxygen electrode side, which tends to occur when shutdown is stopped.
本発明の請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池システムは、改質用水を気化させるための気化器と、前記気化器からの水蒸気を用いて燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤ガスの酸化及び還元によって発電を行うセルスタックと、前記酸化剤ガスを酸化剤ガス供給流路を通して前記セルスタックに供給するための酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガスを燃料ガス供給流路を通して前記改質器に供給するための燃料ガス供給手段と、前記改質器に関連して設けられた燃焼器と、前記セルスタックからの燃料オフガスに含まれる水蒸気を凝縮させる水蒸気凝縮部と、前記燃料オフガスの一部を前記燃料ガス供給手段の上流側に戻すためのリサイクル流路と、を備え、前記改質器からの前記改質燃料ガスが前記セルスタックの燃料極側に送給され、前記酸化剤ガス供給手段からの前記酸化剤ガスが前記セルスタックの酸素極側に送給され、前記セルスタックの前記燃料極側からの前記燃料オフガスに含まれる水蒸気が前記水蒸気凝縮部にて冷却されて凝縮水として回収され、前記水蒸気凝縮部にて水蒸気が除去された前記燃料オフガスの一部が前記リサイクル流路を通して前記燃料ガス供給手段の上流側に戻されるとともに、その残部が前記燃焼器に送給され、前記セルスタックの前記酸素極側からの酸化材オフガスにより燃焼される固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記気化器、前記改質器、前記セルスタック及び前記燃焼器が高温空間を規定するための高温ハウジング内に収容され、更に、システムのシャットダウン停止時に前記燃焼器内の還元性ガスが前記セルスタックの前記酸素極側に流入するのを防止するための還元性ガス流入防止手段が設けられていることを特徴とする。
The solid oxide fuel cell system according to claim 1 of the present invention has a vaporizer for vaporizing water for reforming and reforming for steam reforming fuel gas using steam from the vaporizer. The vessel, the cell stack that generates power by oxidizing and reducing the reformed fuel gas and the oxidant gas reformed by the reformer, and the oxidant gas are supplied to the cell stack through the oxidant gas supply flow path. An oxidant gas supply means for supplying the fuel gas, a fuel gas supply means for supplying the fuel gas to the reformer through the fuel gas supply flow path, and a combustor provided in connection with the reformer. The reformer is provided with a steam condensing unit for condensing water vapor contained in the fuel off gas from the cell stack, and a recycling flow path for returning a part of the fuel off gas to the upstream side of the fuel gas supply means. The reformed fuel gas from the cell stack is supplied to the fuel electrode side of the cell stack, the oxidant gas from the oxidant gas supply means is supplied to the oxygen electrode side of the cell stack, and the cell stack is described. The water vapor contained in the fuel off gas from the fuel electrode side is cooled by the water vapor condensing portion and recovered as condensed water, and a part of the fuel off gas from which the water vapor is removed by the steam condensing portion is a part of the recycling flow path. In a solid oxide fuel cell system, which is returned to the upstream side of the fuel gas supply means through the fuel gas supply means, and the balance thereof is fed to the combustor and burned by the oxide off gas from the oxygen electrode side of the cell stack. There,
The vaporizer, the reformer, the cell stack and the combustor are housed in a high temperature housing for defining a high temperature space, and the reducing gas in the combustor is charged in the cell stack when the system shuts down. It is characterized in that a reducing gas inflow preventing means for preventing the inflow to the oxygen electrode side is provided.
また、本発明の請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記還元性ガス流入防止手段は、前記酸化剤ガス供給手段又は前記酸化剤ガス供給流路に配設された逆流防止構造体から構成され、前記逆流防止構造体は、前記システムのシャットダウン停止時に前記酸化剤ガス供給手段又は前記酸化剤ガス供給流路における前記酸化剤ガスの逆流を防止し、これによって、前記燃焼器から前記セルスタックの前記酸素極側への前記還元性ガスの流入が防止されることを特徴とする。 Further, in the solid oxide type fuel cell system according to claim 2 of the present invention, the reducing gas inflow prevention means is a backflow prevention provided in the oxidant gas supply means or the oxidant gas supply flow path. The backflow prevention structure is composed of a structure, and the backflow prevention structure prevents the backflow of the oxidant gas in the oxidant gas supply means or the oxidant gas supply flow path when the shutdown of the system is stopped, whereby the combustor. The reducing gas is prevented from flowing into the oxygen electrode side of the cell stack.
また、本発明の請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記還元性ガス流入防止手段は、前記酸化剤ガス供給手段又は前記酸化剤ガス供給流路に配設された酸化剤ガス流量検知手段と、前記酸化剤ガス供給手段を作動制御して前記酸化剤ガスの逆流を防止するための逆流防止制御手段とから構成され、前記システムのシャットダウン停止時に前記酸化剤ガス流量検知手段が前記酸化剤ガスの逆流を検知すると、前記逆流防止制御手段は、前記酸化剤ガス流量検知手段からの検知信号に基づいて前記酸化剤ガス供給手段を作動制御して前記酸化剤ガスを前記セルスタックの前記酸素極側に供給し、これによって、前記燃焼器から前記セルスタックの前記酸素極側への前記還元性ガスの流入が防止されることを特徴とする。 Further, in the solid oxide fuel cell system according to claim 3 of the present invention, the reducing gas inflow prevention means is an oxidant gas supply means or an oxidant disposed in the oxidant gas supply flow path. It is composed of a gas flow rate detecting means and a backflow prevention control means for controlling the operation of the oxidant gas supply means to prevent the backflow of the oxidant gas, and the oxidant gas flow rate detecting means when the system is shut down. When the backflow of the oxidant gas is detected, the backflow prevention control means controls the operation of the oxidant gas supply means based on the detection signal from the oxidant gas flow rate detecting means to control the operation of the oxidant gas to the cell. It is characterized in that it is supplied to the oxygen electrode side of the stack, thereby preventing the inflow of the reducing gas from the combustor to the oxygen electrode side of the cell stack.
また、本発明の請求項4に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記セルスタックの温度を検知するための温度検知手段が更に設けられ、前記酸化剤ガス流量検知手段が前記酸化剤ガスの逆流を検知し且つ前記温度検知手段が前記セルスタックの高温度を検知すると、前記逆流防止制御手段は前記酸化剤ガス供給手段を作動制御して前記酸化剤ガスを前記セルスタックの前記酸素極側に供給し、これによって、前記燃焼器から前記セルスタックの前記酸素極側への前記還元性ガスの流入が防止されることを特徴とする。
Further, in the solid oxide fuel cell system according to
更に、本発明の請求項5に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記還元性ガス流入防止手段は、前記セルスタックの前記酸素極側からの前記酸化材オフガスを前記燃焼器に送給する酸化材オフガス送給流路に配設された還元性ガス吸着材から構成され、前記還元性ガス吸着材は、前記システムのシャットダウン停止時に前記燃焼器から前記セルスタックの前記酸素極側に流れる前記還元性ガスを吸着し、これによって、前記燃焼器から前記セルスタックの前記酸素極側への前記還元性ガスの流入が防止されることを特徴とする。 Further, in the solid oxide fuel cell system according to claim 5 of the present invention, the reducing gas inflow prevention means supplies the oxide off gas from the oxygen electrode side of the cell stack to the combustor. Oxidizing material The reducing gas adsorbent is composed of a reducing gas adsorbent disposed in the off-gas supply flow path, and the reducing gas adsorbent flows from the combustor to the oxygen electrode side of the cell stack when the system is shut down. It is characterized in that it adsorbs the reducing gas, thereby preventing the inflow of the reducing gas from the combustor to the oxygen electrode side of the cell stack.
本発明の請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、燃料ガス(例えば、都市ガス)は改質器にて気化器からの水蒸気を用いて水蒸気改質され、この改質器からの改質燃料ガスがセルスタックの燃料極側に送給され、酸化剤ガス供給手段からの酸化剤ガス(例えば、空気)がセルスタックの酸素極側に送給され、セルスタックの燃料極側からの燃料オフガスに含まれる水蒸気が水蒸気凝縮部にて冷却されて凝縮水として回収される。また、水蒸気凝縮部にて水蒸気が除去された燃料オフガスの一部がリサイクル流路を通して燃料ガス供給手段の上流側に戻されるとともに、その残部が燃焼器に送給され、セルスタックの酸素極側からの酸化材オフガス(例えば、空気オフガス)により燃焼される。 According to the solid oxide fuel cell system according to claim 1 of the present invention, the fuel gas (for example, city gas) is steam reformed using steam from the vaporizer in the reformer, and the reforming is performed. The reformed fuel gas from the vessel is supplied to the fuel electrode side of the cell stack, and the oxidizing agent gas (for example, air) from the oxidizing agent gas supply means is supplied to the oxygen electrode side of the cell stack to fuel the cell stack. The steam contained in the fuel off gas from the polar side is cooled by the steam condensing section and recovered as condensed water. In addition, a part of the fuel off gas from which steam has been removed by the steam condensing part is returned to the upstream side of the fuel gas supply means through the recycling flow path, and the rest is sent to the combustor, which is on the oxygen electrode side of the cell stack. Oxidizer off gas from (eg, air off gas) burns.
気化器、改質器、セルスタック及び燃焼器が高温ハウジング内に収容され、更に還元性ガスの流入を防ぐための還元性ガス流入防止手段が設けられているので、高温状態においてシステムがシャットダウン停止すると、気化器にて還元性ガスの混じった水蒸気が生じるが、この還元性ガス流入防止手段がこの水蒸気の燃焼器からセルスタックの酸素極側への流入するのを防ぎ、これによって、還元性ガスによるセルスタックの酸素極の劣化を抑えることができる。 Since the vaporizer, reformer, cell stack and combustor are housed in the high temperature housing and the reducing gas inflow prevention means is provided to prevent the inflow of reducing gas, the system shuts down at high temperature. Then, steam mixed with reducing gas is generated in the vaporizer, and this reducing gas inflow prevention means prevents the steam from flowing from the combustor to the oxygen electrode side of the cell stack, thereby reducing the reducing property. Deterioration of the oxygen electrode of the cell stack due to gas can be suppressed.
また、本発明の請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、還元性ガス流入防止手段は、酸化剤ガス供給手段(又は酸化剤ガス供給流路)に配設された逆流防止構造体から構成されているので、この逆流防止構造体により、セルスタックの酸素極から酸化剤ガス供給手段に向けての酸化剤ガスの逆流を防ぎ、これによって、シャットダウン停止時における燃焼器からセルスタックの酸素極側への還元性ガスの流入を防止することができる。 Further, according to the solid oxide fuel cell system according to claim 2 of the present invention, the reducing gas inflow prevention means is a backflow arranged in the oxidant gas supply means (or the oxidant gas supply flow path). Since it is composed of a preventive structure, this backflow preventive structure prevents the backflow of oxidant gas from the oxygen electrode of the cell stack toward the oxidant gas supply means, thereby preventing the oxidant gas from flowing back from the combustor when the shutdown is stopped. It is possible to prevent the inflow of the reducing gas to the oxygen electrode side of the cell stack.
また、本発明の請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、還元性ガス流入防止手段は、酸化剤ガス供給手段(又は酸化剤ガス供給流路)に配設された酸化剤ガス流量検知手段と、酸化剤ガス供給手段を作動制御して酸化剤ガスの逆流を防止するための逆流防止制御手段とから構成されているので、システムのシャットダウン停止時に酸化剤ガス流量検知手段により酸化剤ガスの逆流を検知すると、セルスタックの酸素極から酸化剤ガス供給手段に向けての酸化剤ガスの逆流が生じないように酸化剤ガス供給手段が作動制御され、これによって、シャットダウン停止時に燃焼器からセルスタックの酸素極側への還元性ガスの流入を防止することができる。 Further, according to the solid oxide fuel cell system according to claim 3 of the present invention, the reducing gas inflow preventing means is an oxidation arranged in the oxidant gas supply means (or the oxidant gas supply flow path). Since it is composed of the agent gas flow rate detecting means and the backflow prevention control means for controlling the operation of the oxidant gas supply means to prevent the backflow of the oxidant gas, the oxidant gas flow rate detecting means is used when the system is shut down. When the backflow of the oxidant gas is detected, the operation of the oxidant gas supply means is controlled so that the backflow of the oxidant gas from the oxygen electrode of the cell stack to the oxidant gas supply means does not occur, thereby stopping the shutdown. Sometimes it is possible to prevent the inflow of reducing gas from the combustor to the oxygen electrode side of the cell stack.
また、本発明の請求項4に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、セルスタックの温度を検知するための温度検知手段が更に設けられ、酸化剤ガス流量検知手段が酸化剤ガスの逆流を検知し且つ温度検知手段がセルスタックの高温度を検知すると、逆流防止制御手段は酸化剤ガス供給手段を作動制御するので、セルスタックの高温状態においてセルスタックの酸素極側への還元性ガスの流入を防止し、これによって、高温状態におけるセルスタックの酸素極の劣化を防止することができる。
Further, according to the solid oxide fuel cell system according to
更に、本発明の請求項5に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、還元性ガス流入防止手段は、酸化材オフガス送給流路に配設された還元性ガス吸着材から構成されているので、シャットダウン停止時に燃焼器からの還元性ガスの混じった水蒸気がセルスタックの酸素極側に流れたとしても、この還元性ガス吸着材が還元性ガスを吸着し、これによって、還元性ガスのセルスタックの酸素極側への流入を防止することができる。 Further, according to the solid oxide fuel cell system according to claim 5 of the present invention, the reducing gas inflow prevention means is composed of a reducing gas adsorbent disposed in the oxidizing material off-gas supply flow path. Therefore, even if the water vapor mixed with the reducing gas from the combustor flows to the oxygen electrode side of the cell stack when the shutdown is stopped, this reducing gas adsorbent adsorbs the reducing gas, thereby reducing the reducing property. It is possible to prevent the inflow of gas to the oxygen electrode side of the cell stack.
以下、添付図面を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの各種実施形態について説明する。まず、図1を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第1の実施形態について説明する。 Hereinafter, various embodiments of the solid oxide fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. First, a first embodiment of the solid oxide fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIG.
図1において、図示の固体酸化物形燃料電池システム2は、原燃料ガスとして都市ガス、LPガスなどの燃料ガスを用いて発電を行うものであり、燃料ガス(原燃料ガス)を改質するための改質器4と、この改質器4にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤ガスとしての空気の酸化及び還元によって発電(所謂、発電反応)を行う固体酸化物形のセルスタック6と、を備えている。
In FIG. 1, the illustrated solid oxide fuel cell system 2 uses fuel gas such as city gas and LP gas as raw fuel gas to generate power, and reforms the fuel gas (raw fuel gas). A solid oxide fuel cell that generates power (so-called power generation reaction) by oxidizing and reducing the
セルスタック6は、発電反応によって発電を行うための複数の固体酸化物形の燃料電池セルを集電部材を介して積層して構成されており、図示していないが、酸素イオンを伝導する固体電解質と、この固体電解質の片側に設けられた燃料極と、固体電解質の他側に設けられた酸素極(空気極)とを備え、固体電解質として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。
The
このセルスタック6の燃料極側8は、改質燃料ガス送給流路10介して改質器4に接続され、この形態では、改質器4は、改質用水を気化するための気化器12と一体的に改質ユニットとして構成されている。尚、気化器12は、改質器4と別体に構成し、気化器12にて気化された水蒸気を水蒸気送給流路(図示せず)を介して改質器4に送給するようにしてもよい。
The fuel electrode side 8 of the
気化器12は、燃料ガス供給流路14を介して燃料ガスを供給するための燃料ガス供給源(図示せず)(例えば、埋設管や貯蔵タンクなどから構成される)に接続され、燃料ガス供給源からの燃料ガス(原燃料ガス)が燃料ガス供給流路14を通して気化器12に供給される。尚、この燃料ガス供給流路14を改質器4に接続し、燃料ガス供給源からの燃料ガスを改質器4に直接的に供給するようにしてもよい。
The vaporizer 12 is connected to a fuel gas supply source (not shown) for supplying fuel gas through the fuel gas supply flow path 14 (for example, composed of a buried pipe, a storage tank, or the like), and is connected to the fuel gas. The fuel gas (raw fuel gas) from the supply source is supplied to the vaporizer 12 through the fuel gas
また、この気化器12には、水供給流路18を通して改質用水が供給される。改質器4には改質触媒が収容され、改質触媒として例えばアルミナにルテニウムを担持させたものが用いられ、この改質触媒によって、燃料ガス供給流路14を通して供給される燃料ガスが気化器12にて気化された水蒸気でもって水蒸気改質される。
Further, reforming water is supplied to the vaporizer 12 through the water
この燃料ガス供給流路14には、気化器12から上流側に向けて順に脱硫器20、第1絞り部材22、燃料ガス供給ポンプ24(燃料ガス供給手段を構成する)、第2絞り部材26、圧力調整部材としてのゼロガバナ28、燃料流量センサ30及び遮断弁32が配設されている。脱硫器20は、燃料ガスに含まれる硫黄成分(付臭剤中の硫黄成分)を除去し、燃料ガス供給ポンプ24は、燃料ガス供給流路14を流れる燃料ガスを昇圧して気化器12に供給し、この燃料ガス供給ポンプ24の回転数を制御することによって燃料ガスの供給流量が調整され、燃料ガス供給ポンプ24の回転数を大きくする(又は小さくする)と、燃料ガス供給流路14を通して供給される燃料ガスの供給流量が多くなる(又は少なくなる)。
In the fuel gas
また、ゼロガバナ28は、燃料ガス供給源(図示せず)から燃料ガス供給流路14を通して供給される燃料ガスを所定圧力(即ち、大気圧)に調整し、燃料ガス流量センサ30は、燃料ガス供給流路14を通して供給される燃料ガスの流量を測定し、遮断弁32は、閉状態になると燃料ガス供給流路14を遮断して燃料ガスの供給を停止する。また、燃料ガス供給ポンプ24の両側(即ち、下流側及び上流側)に位置する第1及び第2絞り部材22,26は、燃料ガス供給流路14を流れる燃料ガスの流量を安定させるために設けられ、第1絞り部材22は例えばキャピラリー管から構成され、第2絞り部材26は、例えば小さいオリフィスを有する絞り部材から構成される。また、燃料ガス流量センサ30は、例えば熱式流量センサから構成される。尚、燃料ガスを安定的して供給することができるときには、第1絞り部材22を省略するようにしてもよく、また第2絞り部材26に代えて例えばバッファ−タンクを用いるようにしてもよい。
Further, the zero
水供給流路18には水供給ポンプ34(水供給手段を構成する)が配設され、この水供給ポンプ34によって、改質用水が後述するように水供給流路18を通して気化器12に供給される。この水供給ポンプ34の回転数を制御することによって改質用水の供給流量が調整され、水供給ポンプ34の回転数を大きくする(又は小さくする)と、水供給流路18を通して供給される改質用水の供給流量が多くなる(又は少なくなる)。
A water supply pump 34 (which constitutes a water supply means) is arranged in the water
このセルスタック6の酸素極(空気極)側36は、空気供給流路38(酸化剤ガス供給流路を構成する)を介して酸化剤ガス供給手段としての空気ブロア40に接続されている。空気ブロア40は、空気(酸化剤ガス)を空気供給流路38(酸化剤ガス供給流路)を通してセルスタック6の酸素極側36(空気極側)に供給する。この空気ブロア40の回転数を制御することによって空気の供給流量が調整され、空気ブロア40の回転数を大きくする(又は小さくする)と、空気供給流路38を通して供給される空気(酸化剤ガス)の供給流量が多くなる(又は少なくなる)。
The oxygen electrode (air electrode)
セルスタック6の燃料極側8から排出される燃料オフガス(即ち、アノードオフガス)は、燃料オフガス導出流路44を通して水蒸気凝縮部46に送給され、この水蒸気凝縮部46にて燃料オフガスに含まれている水蒸気が凝縮されて除去され、水蒸気が除去された燃料オフガスは、燃料オフガス送給流路48を通して燃焼器50に送給される。また、セルスタック6の酸素極側36から排出される空気オフガス(酸化材オフガス)(即ち、カソードオフガス)は、空気オフガス送給流路52を通して燃焼器50に送給され、この燃焼器50において、セルスタック6の燃料極側8からの燃料オフガス(燃料ガスを含んでいる)と酸素極側36(空気極側)からの空気オフガス(酸素を含んでいる)とが燃焼される。気化器12及び改質器4は、この燃焼器50に接触乃至近接して配置されており、この燃料オフガスの燃焼熱を利用して気化器12及び改質器4などが加熱されるとともに、後述する高温空間64が高温状態に保たれる。燃焼器50からの燃焼排気ガスは排気ガス排出流路54を通して大気に排出される。
The fuel off gas (that is, the anode off gas) discharged from the fuel electrode side 8 of the
更に、燃料オフガス送給路48から分岐してリサイクル流路56が設けられ、このリサイクル流路56の下流側は、燃料ガス供給流路14、具体的には燃料ガス供給ポンプ24の配設部位と第2絞り部材26の配設部位との間の部位に接続されている。このようにリサイクル流路56が設けられているので、燃料オフガス送給流路48を流れる燃料オフガス(アノードオフガス)の一部はリサイクル流路56を通して燃料ガス供給流路14における燃料ガス供給ポンプ24の配設部位の上流側に戻され、その残部は、燃料オフガス送給流路48を通して燃焼器50に送給される。
Further, a
この実施形態では、改質ユニット(改質器4及び気化器12)、セルスタック6及び燃焼器50が高温ハウジング62に収容されている。高温ハウジング62は、金属製(例えば、ステンレス鋼製)であり、その内面は断熱部材(図示せず)で覆われており、その内側に高温空間64を規定し、改質ユニット(改質器4及び気化器12)、セルスタック6及び燃焼器50がこの高温空間64内で高温状態に保たれる。
In this embodiment, the reformer unit (
この固体酸化物形燃料電池システム2では、燃料オフガス導出流路44の一部が高温ハウジング62(高温空間64)外に導出されて水蒸気凝縮部46に接続され、この水蒸気凝縮部46からの燃料オフガス送給流路48の一部が高温ハウジング62(高温空間64)外からその内側に導入されて燃焼器50に接続されている。
In the solid oxide fuel cell system 2, a part of the fuel off-gas lead-
この実施形態では、水蒸気凝縮部46は、排熱回収用の第1熱交換器66と、燃料オフガスから凝縮水を分離するための気液分離器68と、凝縮水に含まれる不純物を除去するためのイオン交換器70と、凝縮水を溜めるための水回収容器72とを含んでいる。気液分離器68は例えばドレンセパレータから構成され、第1熱交換器66は、例えば、燃料オフガスの熱を温水として貯湯するためのコ−ジェネレーションシステム用の貯湯装置74と組み合わせて用いられている。
In this embodiment, the
この貯湯装置74は、温水として貯湯するための貯湯タンク76と、第1熱交換器66を通して循環する循環流路78と、循環流路78に配設された循環ポンプ80とを備えている。この貯湯装置74と組み合わせて用いると、循環ポンプ80によって貯湯タンク76内の水が循環流路66を通して循環され、この第1熱交換器66にて循環流路78を流れる水と燃料オフガス導出流路44を流れる燃料オフガスとの間で熱交換が行われ、熱交換により加温された温水が貯湯タンク76に貯えられる。また、この熱交換により燃料オフガスが冷却されてそれに含まれた水蒸気が凝縮され、燃料オフガス及び凝縮された水(凝縮水)が下流側の気液分離器68に流れる。
The hot
気液分離器68は、凝縮水と燃料オフガスとを分離し、分離された凝縮水は、下側のイオン交換器70に流れ、内蔵されたイオン交換樹脂によってイオン成分などの不純物が除去された後に水回収タンク72に蓄えられる。この水回収タンク72に回収された水(凝縮水)は改質用水として用いられ、水供給ポンプ34の作用によって水供給流路18を通して気化器12に送給される。尚、この実施形態では、水蒸気凝縮部46にて凝縮された凝縮水を改質用水として用いているが、この凝縮水に代えて、水タンクなどに充填された水を用いるようにしてもよい。
The gas-
また、空気供給流路38(酸化剤ガス供給流路)に関連して、空気予熱用の第2熱交換器82が配設され、この第2熱交換器82は、空気供給流路38を流れる空気(酸化剤ガス)と排気ガス排出流路54を通して排出される燃焼排気ガスとの間で熱交換を行い、この熱交換により加温された空気がセルスタック6の酸素極側36に送給される。
Further, a
更に、燃料オフガス送給流路48に関連して、燃料オフガス余熱用の第3熱交換器84が配設され、この第3熱交換器84は、燃料オフガス送給流路48を流れる燃料オフガスと燃料オフガス導出流路44を流れる燃料オフガスとの間で熱交換を行い、この熱交換により加温された燃料オフガスが燃焼器50に送給される。尚、第2及び第3熱交換器82.84は、高温ハウジング62(高温空間64)内に収容されて高温状態に保たれる。
Further, a
この固体酸化物形燃料電池システム2の発電運転は、次のように行われる。燃料ガス(原燃料ガス)が燃料ガス供給ポンプ24の作用によって気化器12に供給され、また改質用水(凝縮水)が水供給ポンプ34の作用によって気化器12に供給され、気化器12にて改質用水が気化されて水蒸気となり、発生した水蒸気に燃料ガスが混合されて改質器4に送給される。改質器4では燃料ガスが水蒸気と反応して水蒸気改質され、水蒸気改質された改質燃料ガスがセルスタック6の燃料極側8に送給される。また、空気(酸化剤ガス)が空気ブロア40の作用によってセルスタック6の酸素極側8に送給される。
The power generation operation of the solid oxide fuel cell system 2 is performed as follows. The fuel gas (raw fuel gas) is supplied to the vaporizer 12 by the action of the fuel
セルスタック6では、改質燃料ガス及び空気(酸化剤ガス)の酸化及び還元により発電反応が行われ、発生した発電電力は電力負荷(図示せず)に送給されて消費される。セルスタック6の燃料極側8からの燃料オフガス(アノードオフガス)は、水蒸気凝縮部46に送給され、第1熱交換器66における熱交換により冷却されて燃料オフガス中の水蒸気が凝縮され、凝縮された凝縮水は水回収容器72に回収される。このとき、第1熱交換器66における熱交換により加温された温水は、貯湯装置74の貯湯タンク76に貯えられる。
In the
水蒸気が除去された燃料オフガスは燃焼器50に送給され、またセルスタック6の酸素極側36から排出された空気オフガス(カソードオフガス)も燃焼器50に送給され、この燃焼器50において、セルスタック6の燃料極側8からの燃料オフガスと酸素極側36からの空気オフガスとが燃焼される。燃料オフガス送給流路48を流れる燃料オフガスの一部は、リサイクル流路56を通して燃料ガス供給流路14(燃料ガス供給ポンプ24の配設部位の上流側)に戻され、燃料ガス供給流路14を通して供給される燃料ガスに混合される。
The fuel off gas from which the water vapor has been removed is sent to the
このような固体酸化物形燃料電池システム2においては、システムの異常故障などによってシステムがシャットダウン停止するようになっており、このシャットダウン停止時には、燃料ガス供給ポンプ24、水供給ポンプ34及び送風ブロア40が作動停止し、燃料ガス、改質用水及び空気の供給が停止される。高温ハウジング62内が高温状態(例えば、500℃以上の状態)においてシステムがシャットダウン停止すると、気化器12内に改質用水が残存しているために、気化器12の周囲の熱によってこの改質用水が気化して水蒸気となり、燃料ガス(改質燃料ガス)混じりの水蒸気(即ち、還元性ガス)がセルスタック6の燃料極側8を通って燃焼器50に流れるようになる。燃焼器50に流れた燃料ガス混じりの水蒸気(還元性ガス)は、排気ガス排出流路54及空気オフガス送給流路52(酸化材オフガス送給流路)に分配されて流れ、その一部は排気ガス排出流路54を通して外部に排出されるが、その残部は、空気オフガス送給流路52を通してセルスタック6の酸素極側36に逆流するようになる。この逆流した燃料ガス混じりの水蒸気が酸素極側36に達すると、この酸素極側36が還元を受け、酸素極層(空気極層)が部分的に剥離したり、部分的にクラックが発生するおそれがある。
In such a solid oxide fuel cell system 2, the system shuts down and stops due to an abnormal failure of the system or the like. At the time of this shutdown stop, the fuel
この固体酸化物形燃料電池システム2では、燃料ガス混じりの水蒸気が燃焼器50からセルスタック6の酸素極側36に逆流するのを防止するために、更に、次のように構成されている。更に説明すると、この第1の実施形態では、燃料ガス混じりの水蒸気がセルスタック6の酸素極側36に流入するのを防止するための還元性ガス流入防止手段92が空気供給流路38に関連して設けられ、この還元性ガス流入防止手段92が逆流防止構造体94から構成されている。この逆流防止構造体94は、送風ブロア40からセルスタック6の酸素極側36への空気の流れを許容するが、この酸素極側36から送風ブロア40側への空気の流れを阻止するものであり、例えば市販の逆流防止ダンパから構成される。
The solid oxide fuel cell system 2 is further configured as follows in order to prevent the water vapor mixed with the fuel gas from flowing back from the
この逆流防止構造体94は、図1に示すように、空気供給流路38における高温ハウジング62外に位置する部位に配設するのが好ましく、このような部位に設けることにより、逆流防止構造体94が高温に晒されることがなく、その寿命を長く保つことができる。
As shown in FIG. 1, the
このように逆流防止構造体94を設けた場合、高温状態においてシステムがシャットダウン停止して気化器12内の改質用水が気化して水蒸気となり、燃料ガス混じりの水蒸気がスタック6の燃料極側8を通って燃焼器50に流れると、この燃料ガス混じりの水蒸気は、排気ガス排出流路54及空気オフガス送給流路52(酸化材オフガス送給流路)に分配されて流れようとするが、逆流防止構造体94がセルスタック6(酸素極側36)から送風ブロア40への空気の流れを阻止するために、この水蒸気の燃焼器50からセルスタック6(酸素極側36)への分配流れが阻止され、これによって、燃焼器50に流れた燃料ガス混じりの水蒸気は、セルスタック6の酸素極側36に逆流することなく、その全てが排気ガス排出流路54を通して外部に排出され、その結果、シャットダウン停止時の還元性ガスによるセルスタック6の酸素極の劣化を抑えることができる。
When the
この第1の実施形態では、逆流防止構造体94を逆流防止ダンパから構成しているが、逆流防止ダンパに代えて、逆流防止弁から構成するようにしてもよく、或いは電磁開閉弁から構成し、シャットダウン停止時にこの電磁開閉弁を作動させて空気供給流路38を閉塞するようにしてもよい。
In this first embodiment, the
また、この第1実施形態では、還元性ガス流入防止手段92を空気供給流路38(酸化剤ガス供給流路)に配設しているが、このような構成に代えて、送風ブロア40(酸化剤ガス供給手段)に内蔵するようにしてもよい。
Further, in the first embodiment, the reducing gas
次に、図2を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第2の実施形態について説明する。この第2の実施形態においては、還元性ガス流入防止手段の構成が第1の実施形態のものと異なっている。尚、以下の実施形態において、第1の実施形態と実質上同一のものには同一の参照番号を付し、その説明を省略する。 Next, a second embodiment of the solid oxide fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIG. In this second embodiment, the configuration of the reducing gas inflow prevention means is different from that of the first embodiment. In the following embodiments, the same reference numbers are assigned to those substantially the same as those of the first embodiment, and the description thereof will be omitted.
図2において、この第2の実施形態の固体酸化物形燃料電池システム2Aでは、空気オフガス送給流路52(酸化材オフガス送給流路)にガス吸着器102が設けられ、このガス吸着器102内に還元性ガス吸着材が充填され、還元性ガス吸着材を含むガス吸着器102が還元性ガス流入防止手段92Aとして機能している。還元性ガス吸着材としては、例えば酸化コバルト、酸化ニッケルや酸素極(空気極)として用いられているランタンストロンチウムコバルトフェライト(LSCF)やランタンマンガナイトなどを含む材料を用いることができる。この第2の実施形態のその他の構成は、上述した第1の実施形態と実質上同一である。
In FIG. 2, in the solid oxide
この第2の実施形態の固体酸化物形燃料電池システム2Aにおいては、高温状態でシステムがシャットダウン停止して気化器12内の改質用水が気化し、燃料ガス混じりの水蒸気がスタック6の燃料極側8を通って燃焼器50に流れると、この燃料ガス混じりの水蒸気は、排気ガス排出流路54及空気オフガス送給流路52(酸化材オフガス送給流路)に分配され、この水蒸気の一部は、この排気ガス排出流路54を通して外部に排出されるが、その残部は、この空気オフガス送給流路52及びガス吸着器102を通してセルスタック6の酸素極側36に流れる。このとき、水蒸気に混ざった燃料ガス(還元性ガス)は還元性ガス吸着材に吸着されて除去され、燃料ガスが除去された水蒸気がセルスタック6の酸素極側36に流れるようになる。
In the solid oxide
従って、セルスタック6の酸素極側36に逆流する水蒸気には燃料ガス(還元性ガス)が含まれておらず、セルスタック6の酸素極が燃料ガスによる還元作用を受けることがなく、このように構成することによってもシャットダウン停止時の還元性ガスによるセルスタック6の酸素極の劣化を抑えることができる。
Therefore, the water vapor flowing back to the
この第2の実施形態においては、空気オフガス送給流路52(酸化材オフガス送給流路)にガス吸着器102を配設しているが、このような構成に限定されず、空気オフガス送給流路52を規定する配管部材の内周面に、還元性ガス流入防止手段としての還元性ガス吸着材を設けて水蒸気に混じった燃料ガスを吸着するようにしてもよい。
In the second embodiment, the
次に、図3を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第3の実施形態について説明する。この第3の実施形態においては、還元性ガス流入防止手段の構成が第1及び第2の実施形態のものと異なっている。 Next, a third embodiment of the solid oxide fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIG. In this third embodiment, the configuration of the reducing gas inflow prevention means is different from that of the first and second embodiments.
図3において、この第3の実施形態の固体酸化物形燃料電池システム2Bでは、高温ハウジング62内のセルスタック6に接触乃至近接して温度センサ112(温度検知手段を構成する)が配設され、この温度センサ112はセルスタック6の温度を検知する。また、空気供給流路38(酸化剤ガス供給流路)に空気流量センサ114(酸化剤ガス流量検知手段を構成する)が設けられ、この空気流量センサ114は空気供給流路38を流れる空気の流量を検知する。更に、燃料ガス供給ポンプ24(燃料ガス供給手段)、送風ファン40(酸化剤ガス供給手段)及び水供給ポンプ34(水供給手段)を作動制御するためのコントローラ116が設けられ、このコントローラ116は、空気(酸化剤ガス)の逆流を防止するために送風ファン40を作動制御するための逆流防止制御手段118を含んでいる。
In FIG. 3, in the solid oxide
この固体酸化物形燃料電池システム2Bでは、温度センサ112、燃料ガス流量センサ30及び空気流量センサ114の検知信号がコントローラ116に送給され、コントローラ116はこれらセンサ112,30,114からの検知信号に基づいて燃料ガス供給ポンプ24、送風ブロア40及び水供給ポンプ34を作動制御し、後の説明から理解される如く、温度センサ112、空気流量センサ114及びコントローラ116の逆流防止制御手段118が還元性ガス流入防止手段92Bを構成し、更に送風ブロア40(酸化剤ガス供給手段)が還元性ガス流入防止手段92Bの一部としても機能する。この第3の実施形態のその他の構成は、上述した第1の実施形態と実質上同一である。
In this solid oxide
この第3の実施形態の固体酸化物形燃料電池システム2Bにおいて、システムがシャットダウン停止すると、温度センサ112(温度検知手段)及び空気流量センサ114(酸化剤ガス流量検知手段)からの検知信号がコントローラ116に送給される。このとき、高温ハウジング62内が高温状態であると、気化器12内の改質用水が気化し、燃料ガス混じりの水蒸気がスタック6の燃料極側8を通って燃焼器50に流れ、その水蒸気の一部が空気オフガス送給流路52(酸化材オフガス送給流路)を通してセルスタック6の酸素極側36側に流れる。そして、この水蒸気の一部がセルスタック6の酸素極側36に流れると、この水蒸気の流れに押されて、空気供給流路38(酸化剤ガス供給流路)内の空気(酸化剤ガス)が送風ブロア40に向けて逆流するようになる。
In the solid oxide
このように高温状態において空気供給流路38内の空気が逆流する、換言すると温度センサ112(温度検知手段)が高温度(例えば、500℃以上)を検知し、且つ空気流量センサ114(酸化剤ガス流量検知手段)が空気の逆流(即ち、セルスタック6の酸素極側36から送風ブロア40に向けての流れ)を検知すると、コントローラ116の逆流防止制御手段118は逆流防止信号を生成し、この逆流防止信号に基づき送風ブロア40が送給方向に作動される。
In this way, the air in the air
かくすると、送風ブロア40からの空気(酸化剤ガス)は、空気供給流路36及びセルスタック6の酸素極側36を通して燃焼器50に流れ、燃焼器50から空気オフガス送給流路52(酸化材オフガス送給流路)に分配される水蒸気がこの空気の流れによって燃焼器50に戻され、これによって、燃料ガス混じりの水蒸気は、セルスタック6の酸素極側36に逆流することなく、その全てが排気ガス排出流路54を通して外部に排出され、このように構成しても、シャットダウン停止時の還元性ガスによるセルスタック6の酸素極の劣化を抑えることができる。
Thus, the air (oxidizing agent gas) from the
このとき、セルスタック6の酸素極側36に送る空気の送給流量が多くなると、送給された空気が燃焼器50から燃料オフガス送給流路48燃料オフガス導出流路44を通してセルスタック6の燃料極側8に流れ、その燃料極が酸化して劣化するおそれがあり、それ故に、このときの空気(酸化剤ガス)の送給流量は、燃焼器50内の水蒸気が空気オフガス送給流路52に逆流しない程度にするのが望ましい。
At this time, when the supply flow rate of the air sent to the
この第3の実施形態においては、空気供給流路38(酸化剤ガス供給流路)に配設した空気流量センサ114(酸化剤ガス流量検知手段)により空気の逆流を検知しているが、このような構成に代えて、送風ブロア40に回転数検知センサを設け、この回転数検知センサの検知回転数に基づいて空気流量(空気の逆流を含む)を検知するようにしてもよく、この場合、この回転数検知センサが酸化剤ガス流量検知手段として機能する。
In the third embodiment, the backflow of air is detected by the air flow rate sensor 114 (oxidizing agent gas flow rate detecting means) arranged in the air supply flow path 38 (oxidizing agent gas supply flow path). Instead of such a configuration, a rotation speed detection sensor may be provided in the
また、この第3の実施形態においては、温度センサ112を設け、この温度センサ112が高温(例えば、500℃以上)を検知したときに送風ブロア40を作動させているが、この温度センサ112を省略し、シャットダウン停止時に作動するタイマ手段を設け、このタイマ手段が所定時間(例えば、10〜20分程度)を計時するまで空気流量センサ114(酸化剤ガス流量検知手段)により空気の逆流を監視するようにしてもよい。
Further, in the third embodiment, the
以上、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの実施形態について説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更乃至修正が可能である。 Although the embodiment of the solid oxide fuel cell system according to the present invention has been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various changes or modifications can be made without departing from the scope of the present invention. Is.
2,2A,2B 固体酸化物形燃料電池システム
4 改質器
6 セルスタック
12 気化器
46 水蒸気凝縮部
62 高温ハウジング
92,92A,92B 還元性ガス流入防止手段
94 逆流防止構造体
102 ガス吸着器
112 温度センサ(温度検知手段)
114 空気流量センサ(酸化剤ガス流量検知手段)
118 逆流防止制御手段
2,2A, 2B Solid oxide
94
114 Air flow rate sensor (oxidizing agent gas flow rate detecting means)
118 Backflow prevention control means
Claims (5)
前記気化器、前記改質器、前記セルスタック及び前記燃焼器が高温空間を規定するための高温ハウジング内に収容され、更に、システムのシャットダウン停止時に前記燃焼器内の還元性ガスが前記セルスタックの前記酸素極側に流入するのを防止するための還元性ガス流入防止手段が設けられていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。 A vaporizer for vaporizing the reforming water, a reformer for steam reforming the fuel gas using the steam from the vaporizer, a reformed fuel gas reformed by the reformer, and the reformer. A cell stack that generates power by oxidizing and reducing the oxidant gas, an oxidant gas supply means for supplying the oxidant gas to the cell stack through the oxidant gas supply flow path, and a fuel gas supply flow for supplying the fuel gas. A fuel gas supply means for supplying the reformer through the path, a combustor provided in connection with the reformer, and a steam condensing unit for condensing the steam contained in the fuel off gas from the cell stack. A recycling flow path for returning a part of the fuel off gas to the upstream side of the fuel gas supply means is provided, and the reformed fuel gas from the reformer is supplied to the fuel electrode side of the cell stack. Then, the oxidant gas from the oxidant gas supply means is supplied to the oxygen electrode side of the cell stack, and steam contained in the fuel off gas from the fuel electrode side of the cell stack is sent to the steam condensing portion. A part of the fuel off gas, which has been cooled and recovered as condensed water and whose steam has been removed by the steam condensing portion, is returned to the upstream side of the fuel gas supply means through the recycling flow path, and the rest thereof is described as described above. A solid oxide fuel cell system that is fed to a combustor and burned by an oxide off gas from the oxygen electrode side of the cell stack.
The vaporizer, the reformer, the cell stack and the combustor are housed in a high temperature housing for defining a high temperature space, and the reducing gas in the combustor is charged in the cell stack when the system shuts down. A solid oxide fuel cell system, characterized in that a reducing gas inflow preventing means for preventing the inflow to the oxygen electrode side is provided.
The reducing gas inflow preventing means is composed of a reducing gas adsorbent arranged in an oxidizing material off gas supply flow path for supplying the oxidizing material off gas from the oxygen electrode side of the cell stack to the combustor. The reducing gas adsorbent adsorbs the reducing gas flowing from the combustor to the oxygen electrode side of the cell stack when the system is shut down, whereby the combustor to the cell stack said. The solid oxide type fuel cell system according to claim 1, wherein the inflow of the reducing gas to the oxygen electrode side is prevented.
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