JP3659276B2

JP3659276B2 - Fuel cell device

Info

Publication number: JP3659276B2
Application number: JP17323496A
Authority: JP
Inventors: 意武井
Original assignee: 石川島播磨重工業株式会社
Priority date: 1996-07-03
Filing date: 1996-07-03
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2016-07-03
Also published as: JPH1021945A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はアノードガスを生成する改質器に燃焼用空気を供給する設備を有する燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融炭酸塩型燃料電池はアノードとカソードとからなり、次のような電極反応が行われる。
アノード反応（負極反応）
Ｈ₂＋ＣＯ₃ ^2-→Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂＋２ｅ …（１）
カソード反応（正極反応）
ＣＯ₂＋１／２Ｏ₂＋２ｅ→ＣＯ₃ ^2- …（２）
【０００３】
アノードでは、（１）式により水素ガスとＣＯ₃ ^2-とから水と炭酸ガスと電荷が生成され、カソードでは、（２）式により炭酸ガスと酸素と電荷とからＣＯ₃ ^2-が生成される。（１）式右辺はアノードから排出されるアノード排ガスの成分を表しており、炭酸ガスが含まれている。また（２）式左辺はカソードに供給されるカソードガスの成分を表しており、同じく炭酸ガスが含まれている。このためアノード排ガスの炭酸ガスをカソードに供給するようにしている。
【０００４】
この供給方法としては、アノード排ガスにはアノード反応が行われなかった燃焼可能成分が含まれているので、改質器で燃焼させ燃料ガスをアノードガスに改質する熱源とする。この燃焼排ガスに空気を混合しカソードガスを生成してカソードに供給する。また、カソード排ガスにはカソード反応が行われなかった酸素が含まれており、これらは高温であるのでアノード排ガスを燃焼するに必要な酸素供給源として使用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池は電力を供給する最低負荷を、例えば定格出力の３０％というように設定してあり、最低負荷から定格負荷間は、アノードにおける未反応分と改質器の燃焼に必要な熱量との熱バランスがとれているが、無負荷から最低負荷までの負荷上昇過程では負荷に対して燃料が過剰となる。このため改質器の熱源となるアノード排ガスの量が過剰になり改質器が過熱してしまうので、過剰なアノード排ガスを系外に排出している。しかし過熱を抑えるため過剰なアノード排ガスを排出するとカソードに送られる炭酸ガスの量が減少し安定した出力上昇ができなくなるという問題が発生していた。
【０００６】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、無負荷から最低負荷までの負荷上昇過程においても炭酸ガスをカソードに適切に供給することにより、負荷上昇を安定して行う燃料電池装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明では、酸素を含むカソードガスの供給を受けるカソードと水素を含むアノードガスの供給を受けるアノードとからなる燃料電池と、この燃料電池のアノード排ガスを燃焼する燃焼室と、水蒸気を含む燃料ガスをアノードガスに改質する改質室とを有する改質器と、この改質器の燃焼室からの燃焼排ガスによりこの改質器の燃焼室へ供給する燃焼用空気を加熱する空気予熱器と、この空気予熱器を通過した燃焼排ガスに空気を混合してカソードガスとしカソードに供給するカソードガスラインと、前記燃料電池のアノード排ガスを改質器の燃焼室に供給するアノード排ガスラインと、このアノード排ガスラインより分岐しアノード排ガスを排出するアノード排ガス分岐ラインと、前記空気予熱器を通過する燃焼用空気を分岐して改質器の燃焼室へ供給する空気分岐ラインと、を備え、前記空気分岐ラインの分岐量を制御して改質器の燃焼室へ供給される燃焼用空気温度を制御し、この温度に応じて前記アノード排ガス分岐ラインの分岐量を制御する。
【０００８】
改質器でアノード排ガスを燃焼するのに使用する燃焼用空気を空気予熱器により改質器の燃焼排ガスで予熱して供給するが、無負荷から最低負荷までの負荷上昇過程においては、空気予熱器を通過する燃焼用空気を空気分岐ラインにより分岐して予熱されない低温の空気を改質器へ供給する。これにより燃焼用空気の顕熱が低下するので、その分改質器へ供給するアノード排ガス量を増大させ、この燃焼排ガスに含まれる炭酸ガスをカソードに供給することにより、カソードにおける炭酸ガスの不足を防止し安定した出力上昇を行うことができる。このため空気分岐ラインの分岐量を制御して改質器へ供給される燃焼用空気温度を制御し、この温度に応じてアノード排ガス分岐ラインの分岐量を制御して、改質器が過熱せずかつカソードに適切な量の炭酸ガスを供給することができる。
【０００９】
請求項２の発明では、酸素を含むカソードガスの供給を受けるカソードと水素を含むアノードガスの供給を受けるアノードとからなる燃料電池と、この燃料電池のアノード排ガスをカソード排ガスの一部で燃焼する燃焼室と、その熱で水蒸気を含む燃料ガスをアノードガスに改質する改質室とを有する改質器と、前記燃料電池のカソード排ガスの一部を改質器の燃焼室へ供給するカソード排ガスラインと、前記改質器の燃焼室の燃焼排ガスに空気を混合してカソードガスとしカソードに供給するカソードガスラインと、前記カソード排ガスラインに設けられ改質器の燃焼室へ供給するカソード排ガスを分岐して排出する排出ラインと、前記改質器の燃焼室へ燃焼用空気を供給する空気ラインと、を備え、前記燃料電池の負荷が所定値より低いときは、前記排出ラインより改質器の燃焼室へ供給されるカソード排ガスを系外へ排出し、前記空気ラインより燃焼用空気を改質器の燃焼室へ供給する。
【００１０】
請求項２の発明では、改質器でアノード排ガスを燃焼させる酸素源としてカソード排ガスを用いている。無負荷から最低負荷までの負荷上昇過程においては、カソード排ガスラインより供給されるカソード排ガスを全て排出ラインより系外に排出してしまい、空気ラインから低温の空気を供給する。この空気量はアノード排ガスの燃焼によって改質器が過熱しない量とする。本発明は改質器の過熱を防止するためアノード排ガスの供給を少なくするという方法を用いていないのでカソードで炭酸ガスが不足するということは生じない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は第１実施の形態を示す機器配管図である。燃料電池１はカソードＣとアノードＡより構成される。改質器２は、燃料ガスライン９より水蒸気を含む燃料ガス（天然ガスがよく用いられる）を供給され、改質触媒によりアノードガスを生成しアノードガス供給ライン１０によりアノードＡに供給する改質室Ｒｅと、アノード排ガスライン５より供給されるアノード排ガスを燃焼用空気により燃焼して高温の燃焼排ガスを発生しこの発生熱で改質室Ｒｅを加熱する燃焼室Ｃｏより構成される。
【００１２】
空気予熱器３は改質器２の燃焼室Ｃｏへ供給する燃焼用空気を燃焼室Ｃｏから排出される燃焼排ガスで加熱する。このため空気予熱器３には燃焼用空気ライン７が接続され、さらに、燃焼排ガスに空気を混合しカソードガスを生成しカソードＣに供給するカソードガスライン４が接続している。燃焼用空気ライン７には空気予熱器３をバイパスする空気分岐ライン８が設けられている。空気分岐ライン８にはバイパスする空気流量を調節する流量調節弁１２が設けられ、燃焼室Ｃｏ内へ供給される燃焼用空気の温度が所定の温度となるように空気流量を調節する。アノード排ガスライン５にはアノード排ガス分岐ライン６が設けられ、アノード排ガスを分岐して系外に排出する。アノード排ガス分岐ライン６には流量調節弁１１が設けられ排出するアノード排ガス量を制御する。
【００１３】
次に動作について説明する。本燃料電池１は定格出力の、例えば、３０％を最低負荷とする。先ず無負荷より最低負荷までの動作について説明する。最低負荷とは発電装置として正常に動作する最低の負荷であり、燃料ガス、改質器燃焼用燃料であるアノード排ガス、改質器に必要な熱量との熱バランスがとれている。そのとき各系統を流れるガス等はこの最低負荷時の流量が流れるように制御されている。このため、起動すると燃料ガスライン９より最低負荷に相当する燃料ガスと水蒸気が改質器２の改質室Ｒｅに送られ、改質されてアノードガスとなり、アノードガス供給ライン１０によりアノードに供給される。アノードＡではアノード反応によりアノード排ガスが発生し、アノード排ガスライン５より改質器２の燃焼室Ｃｏに供給される。しかし、燃料電池１の出力が最低負荷に達していない間は、負荷に対して燃料ガスが過剰であるので、改質器に必要な熱量以上にアノード排ガス中の未反応可燃成分が多くなる。このためアノード排ガスの全量を改質器２に供給すると燃焼用燃料として過剰となり、燃焼室Ｃｏが過熱する。
【００１４】
このためアノード排ガス分岐ライン６によりアノード排ガスを分岐して系外に排出する。しかし、このようにしただけでは、燃焼室Ｃｏからの燃焼排ガスも少なくなり、この燃焼排ガスにカソードガスライン４で空気を混合してカソードガスが生成されカソードＣに供給されるので、アノード排ガスの供給が少なくなると燃焼排ガスに含まれる炭酸ガスが不足し、カソードＣに十分な炭酸ガスが供給されなくなり正常なカソード反応ができなくなる。このため空気予熱器３を通る燃焼用空気ライン７の空気を、空気予熱器３をバイパスし予熱しない状態で顕熱を低くして燃焼室Ｃｏに供給する。これによりアノード排ガス分岐ライン６の系外放出量を少なくし、燃焼室Ｃｏへ供給するアノード排ガスを増加させ、カソードガスの炭酸ガス含有量を多くし、カソードＣにおける炭酸ガス利用率を低下させ、負荷上昇速度を大きくし、安定した運転を行うことが可能になる。
【００１５】
空気分岐ライン８は燃焼室Ｃｏへ供給する空気の温度を検出して、所定の温度となるよう流量調節弁１２を制御する。またアノード排ガス分岐ライン６では流量調節弁１１を調節して、燃焼室Ｃｏで発生する燃焼排ガスより生成するカソードガスの炭酸ガス含有量が不足しないように分岐ガス流量を制御する。最低負荷に相当する燃料ガス量で改質器の熱バランスのとれる負荷に達した後は、アノード排ガス分岐ライン６からの分岐量を少なくして零としてゆき、空気分岐ライン８の分岐量も同様に零にしてゆく。
【００１６】
次に第２実施の形態について説明する。図２は第２実施の形態を示す機器配管図である。燃料電池２１はカソードＣとアノードＡより構成される。改質器２２は、燃料ガスライン２７より水蒸気を含む燃料ガス（天然ガスがよく用いられる）を供給され、改質触媒によりアノードガスを生成しアノードガス供給ライン２８によりアノードＡに供給する改質室Ｒｅと、アノード排ガスライン２９より供給されるアノード排ガスを燃焼用空気により燃焼して高温の燃焼排ガスを発生しこの発生熱で改質室Ｒｅを加熱する燃焼室Ｃｏより構成される。
【００１７】
カソードＣからのカソード排ガスの一部は、カソード排ガスライン２３により燃焼室Ｃｏに供給されアノード排ガスを燃焼する酸素源となる。燃焼室Ｃｏで発生する燃焼排ガスはカソードガスライン２４で空気と混合してカソードガスとなりカソードＣに供給される。カソード排ガスライン２３にはカソード排ガス分岐ライン２５が設けられ、カソード排ガスを系外に排出する。また燃焼室Ｃｏには空気ライン２６が設けられ、カソード排ガスに代わる低温酸素源となる。カソード排ガスライン２３には遮断弁３０、カソード排ガス分岐ライン２５には遮断弁３１、空気ライン２６には遮断弁３２が設けられている。
【００１８】
次に動作について説明する。燃料電池２１は定格出力の３０％を最低負荷とし、無負荷より最低負荷までの動作について説明する。最低負荷とは発電装置として正常に動作する最低の負荷であり、燃料ガス、改質器燃焼用燃料であるアノード排ガス、改質器に必要な熱量との熱バランスがとれている。そのとき各系統を流れるガス等はこの最低負荷時の流量が流れるように制御されている。このため、起動すると燃料ガスライン２７より最低負荷に相当する燃料ガスと水蒸気が改質器２２の改質室Ｒｅに送られ、改質されてアノードガスとなり、アノードガス供給ライン２８によりアノードＡに供給される。アノードＡではアノード反応によりアノード排ガスが発生し、アノード排ガスライン２９より改質器２２の燃焼室Ｃｏに供給される。しかし、燃料電池２１の出力が最低負荷に達していない間は、負荷に対して燃料ガスが過剰であるので、改質器に必要な熱量以上にアノード排ガス中の未反応可燃成分が多くなる。このためアノード排ガスの全量を改質器２２に供給すると燃焼用燃料として過剰となり、燃焼室Ｃｏが過熱する。
【００１９】
このため従来は第１実施の形態に示すようにアノード排ガスを分岐して系外に排出していたが、本実施の形態ではカソード排ガスライン２３の遮断弁３０を閉とし、カソード排ガス分岐ライン２５の遮断弁３１を開としてカソード排ガスの燃焼室Ｃｏへの供給を止め、遮断弁３２を開として空気ライン２６より空気を供給する。これにより高温のカソード排ガスに代えて低温の空気が供給されるため、アノード排ガスの供給を制限しなくても燃焼室Ｃｏの過熱を防止することができる。また、アノード排ガスの供給を制限していないので、燃焼室Ｃｏから排出される燃焼排ガスに含まれる炭酸ガスの量は減少せず、カソードＣに供給される炭酸ガスも不足しない。これにより、カソードＣにおける炭酸ガス利用率を低下させ、負荷上昇速度を大きくし、安定した運転を行うことが可能になる。
【００２０】
このようにして最低負荷まで出力が上昇すると遮断弁３０を開とし、遮断弁３１を閉にしてカソード排ガスの供給を開始し、これに応じて遮断弁３２を閉じて空気の供給を停止する。以降この状態で所定の負荷まで出力上昇して定常運転を行う。
【００２１】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明は、起動時より最低負荷となるまでの期間にアノード排ガスの改質器への供給を減少させず低温の空気を供給して改質器の過熱を防止し、かつカソードへの炭酸ガスの供給を適切に行う。これによりカソード入口の炭酸ガス濃度が上がるため、電池のセル電圧が上昇し、負荷上昇速度が上げられ、安定した運転ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態を示す機器配管図である。
【図２】本発明の第２実施の形態を示す機器配管図である。
【符号の説明】
１燃料電池
２改質器
３空気予熱器
４カソードガスライン
５アノード排ガスライン
６アノード排ガス分岐ライン
７燃焼用空気ライン
８空気分岐ライン
９燃料ガスライン
１０アノードガス供給ライン
１１，１２流量調節弁
２１燃料電池
２２改質器
２３カソード排ガスライン
２４カソードガスライン
２５カソード排ガス分岐ライン
２６空気ライン
２７燃料ガスライン
２８アノードガス供給ライン
２９アノード排ガスライン
３０，３１，３２遮断弁[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell device having equipment for supplying combustion air to a reformer that generates anode gas.
[0002]
[Prior art]
A molten carbonate fuel cell includes an anode and a cathode, and the following electrode reaction is performed.
Anode reaction (negative electrode reaction)
H ₂ + CO ₃ ²⁻ → H ₂ O + CO ₂ + 2e (1)
Cathode reaction (positive electrode reaction)
CO ₂ + 1 / 2O ₂ + 2e → CO ₃ ^2- (2)
[0003]
At the anode, water, carbon dioxide and electric charge are generated from hydrogen gas and CO ₃ ^{2- according} to equation (1), and at the cathode, CO ₃ ^2- is generated from carbon dioxide, oxygen and electric charge according to equation (2). The The right side of the equation (1) represents the component of the anode exhaust gas discharged from the anode, and contains carbon dioxide gas. The left side of equation (2) represents the component of the cathode gas supplied to the cathode, and similarly contains carbon dioxide gas. For this reason, carbon dioxide gas of the anode exhaust gas is supplied to the cathode.
[0004]
As this supply method, since the anode exhaust gas contains combustible components that have not undergone the anode reaction, the anode exhaust gas is used as a heat source that is combusted in a reformer and reforms the fuel gas into the anode gas. Air is mixed with the combustion exhaust gas to generate cathode gas, which is supplied to the cathode. Further, the cathode exhaust gas contains oxygen that has not undergone the cathode reaction, and since these are high temperature, they are used as an oxygen supply source necessary for burning the anode exhaust gas.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The fuel cell has a minimum load for supplying electric power, for example, 30% of the rated output. Between the minimum load and the rated load, the unreacted component in the anode and the amount of heat necessary for combustion of the reformer Although the heat balance is achieved, the fuel becomes excessive with respect to the load in the process of increasing the load from no load to the minimum load. For this reason, the amount of anode exhaust gas serving as a heat source for the reformer becomes excessive and the reformer overheats, so that excess anode exhaust gas is discharged out of the system. However, if excessive anode exhaust gas is discharged in order to suppress overheating, the amount of carbon dioxide sent to the cathode is reduced, resulting in a problem that the output cannot be increased stably.
[0006]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and a fuel cell device that stably increases a load by appropriately supplying carbon dioxide gas to a cathode even in a load increasing process from no load to a minimum load. The purpose is to provide.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a fuel cell comprising a cathode that is supplied with a cathode gas containing oxygen and an anode that is supplied with an anode gas containing hydrogen, and combustion of the anode exhaust gas of the fuel cell a combustion chamber which supplies a reformer having a reforming chamber for reforming fuel gas containing water vapor in the anode gas, the combustion exhaust gas from the combustion chamber of the reformer into the combustion chamber of the reformer An air preheater that heats combustion air, a cathode gas line that mixes air with the combustion exhaust gas that has passed through the air preheater and supplies the cathode gas to the cathode, and combustion of the anode exhaust gas of the fuel cell in the reformer passing the anode exhaust gas line for supplying to the chamber, the anode exhaust gas branch line for discharging anode exhaust gas branched from the anode exhaust gas line, the air preheater That branches the combustion air and a air branch line for supplying to the combustion chamber of the reformer, the combustion air temperature supplied by controlling the branch of the air branch line to the combustion chamber of the reformer And the branch amount of the anode exhaust gas branch line is controlled according to this temperature.
[0008]
The combustion air used to burn the anode exhaust gas in the reformer is preheated and supplied with the reformer combustion exhaust gas by the air preheater, but in the process of increasing the load from no load to the minimum load, the air preheating is performed. Combustion air that passes through the reactor is branched by an air branch line, and low-temperature air that is not preheated is supplied to the reformer. As a result, the sensible heat of the combustion air is reduced, so that the amount of anode exhaust gas supplied to the reformer is increased by that amount, and carbon dioxide contained in this combustion exhaust gas is supplied to the cathode. Can be prevented and stable output increase can be performed. For this reason, the temperature of the combustion air supplied to the reformer is controlled by controlling the branch amount of the air branch line, and the branch amount of the anode exhaust gas branch line is controlled according to this temperature, so that the reformer overheats. In addition, an appropriate amount of carbon dioxide can be supplied to the cathode.
[0009]
According to the second aspect of the present invention, a fuel cell comprising a cathode that is supplied with a cathode gas containing oxygen and an anode that is supplied with an anode gas containing hydrogen, and the anode exhaust gas of the fuel cell is combusted as part of the cathode exhaust gas. A reformer having a combustion chamber and a reforming chamber for reforming fuel gas containing water vapor into anode gas by the heat, and a cathode for supplying a part of the cathode exhaust gas of the fuel cell to the combustion chamber of the reformer An exhaust gas line, a cathode gas line that mixes air with the combustion exhaust gas in the combustion chamber of the reformer and supplies the cathode gas to the cathode, and a cathode exhaust gas that is provided in the cathode exhaust gas line and that is supplied to the combustion chamber of the reformer a discharge line for discharging branches, and provided with an air line for supplying combustion air to the combustion chamber of the reformer, the load of the fuel cell is lower than a predetermined value Huang, the cathode exhaust gas supplied to the combustion chamber of the reformer from the discharge line and discharged out of the system, for supplying combustion air from the air line to the combustion chamber of the reformer.
[0010]
In the invention of claim 2, the cathode exhaust gas is used as an oxygen source for burning the anode exhaust gas in the reformer. In the process of increasing the load from no load to the minimum load, all the cathode exhaust gas supplied from the cathode exhaust gas line is discharged out of the system from the discharge line, and low-temperature air is supplied from the air line. This amount of air is set so that the reformer does not overheat due to combustion of the anode exhaust gas. Since the present invention does not use a method of reducing the supply of anode exhaust gas in order to prevent overheating of the reformer, there is no shortage of carbon dioxide at the cathode.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an equipment piping diagram showing the first embodiment. The fuel cell 1 includes a cathode C and an anode A. The reformer 2 is supplied with a fuel gas containing water vapor (natural gas is often used) from the fuel gas line 9, reforms the anode gas generated by the reforming catalyst, and supplies it to the anode A via the anode gas supply line 10. Combustion chamber Co and combustion chamber Co that burns anode exhaust gas supplied from anode exhaust gas line 5 with combustion air to generate high-temperature combustion exhaust gas and heats reforming chamber Re with the generated heat.
[0012]
The air preheater 3 heats the combustion air supplied to the combustion chamber Co of the reformer 2 with the combustion exhaust gas discharged from the combustion chamber Co. For this reason, a combustion air line 7 is connected to the air preheater 3, and a cathode gas line 4 that mixes air with combustion exhaust gas to generate cathode gas and supply the cathode gas to the cathode C is connected. The combustion air line 7 is provided with an air branch line 8 that bypasses the air preheater 3. The air branch line 8 is provided with a flow rate adjusting valve 12 that adjusts the bypassed air flow rate, and adjusts the air flow rate so that the temperature of the combustion air supplied into the combustion chamber Co becomes a predetermined temperature. The anode exhaust gas line 5 is provided with an anode exhaust gas branch line 6 to branch the anode exhaust gas and discharge it outside the system. The anode exhaust gas branch line 6 is provided with a flow control valve 11 to control the amount of anode exhaust gas to be discharged.
[0013]
Next, the operation will be described. The fuel cell 1 uses, for example, 30% of the rated output as the minimum load. First, the operation from no load to the minimum load will be described. The minimum load is the minimum load that normally operates as a power generation device, and has a heat balance with the fuel gas, the anode exhaust gas that is the fuel for reformer combustion, and the amount of heat required for the reformer. At that time, the gas flowing through each system is controlled so that the flow rate at the minimum load flows. For this reason, when activated, fuel gas and water vapor corresponding to the minimum load are sent from the fuel gas line 9 to the reforming chamber Re of the reformer 2, reformed to become anode gas, and supplied to the anode by the anode gas supply line 10. Is done. At the anode A, anode exhaust gas is generated by an anode reaction, and is supplied from the anode exhaust gas line 5 to the combustion chamber Co of the reformer 2. However, while the output of the fuel cell 1 does not reach the minimum load, the fuel gas is excessive with respect to the load, so the amount of unreacted combustible components in the anode exhaust gas exceeds the amount of heat necessary for the reformer. For this reason, if the whole quantity of anode exhaust gas is supplied to the reformer 2, it becomes excessive as fuel for combustion, and the combustion chamber Co is overheated.
[0014]
For this reason, the anode exhaust gas is branched by the anode exhaust gas branch line 6 and discharged out of the system. However, if only this is done, the combustion exhaust gas from the combustion chamber Co is reduced, and air is mixed with this combustion exhaust gas in the cathode gas line 4 to generate cathode gas and supply it to the cathode C. When the supply is reduced, the carbon dioxide contained in the combustion exhaust gas is insufficient, and sufficient carbon dioxide is not supplied to the cathode C, so that a normal cathode reaction cannot be performed. For this reason, the air of the combustion air line 7 passing through the air preheater 3 is supplied to the combustion chamber Co with the sensible heat lowered without bypassing the air preheater 3 and preheating. This reduces the out-of-system discharge amount of the anode exhaust gas branch line 6, increases the anode exhaust gas supplied to the combustion chamber Co, increases the carbon dioxide content of the cathode gas, and reduces the carbon dioxide utilization rate at the cathode C. It becomes possible to increase the load increasing speed and perform stable operation.
[0015]
The air branch line 8 detects the temperature of the air supplied to the combustion chamber Co and controls the flow rate adjustment valve 12 so as to reach a predetermined temperature. In the anode exhaust gas branch line 6, the flow rate control valve 11 is adjusted to control the branch gas flow rate so that the carbon dioxide content of the cathode gas generated from the combustion exhaust gas generated in the combustion chamber Co is not insufficient. After reaching the load that can achieve the heat balance of the reformer with the fuel gas amount corresponding to the minimum load, the branch amount from the anode exhaust gas branch line 6 is reduced to zero, and the branch amount of the air branch line 8 is the same. To zero.
[0016]
Next, a second embodiment will be described. FIG. 2 is an equipment piping diagram showing the second embodiment. The fuel cell 21 includes a cathode C and an anode A. The reformer 22 is supplied with fuel gas containing water vapor (natural gas is often used) from the fuel gas line 27, reforms the anode gas generated by the reforming catalyst, and supplies it to the anode A via the anode gas supply line 28. Combustion chamber Re and combustion chamber Co that combusts anode exhaust gas supplied from anode exhaust gas line 29 with combustion air to generate high-temperature combustion exhaust gas and heats reforming chamber Re with this generated heat.
[0017]
Part of the cathode exhaust gas from the cathode C is supplied to the combustion chamber Co by the cathode exhaust gas line 23 and becomes an oxygen source for burning the anode exhaust gas. The combustion exhaust gas generated in the combustion chamber Co is mixed with air in the cathode gas line 24 to become cathode gas and supplied to the cathode C. The cathode exhaust gas line 23 is provided with a cathode exhaust gas branch line 25 to discharge the cathode exhaust gas out of the system. The combustion chamber Co is provided with an air line 26, which serves as a low-temperature oxygen source instead of the cathode exhaust gas. The cathode exhaust gas line 23 is provided with a cutoff valve 30, the cathode exhaust gas branch line 25 is provided with a cutoff valve 31, and the air line 26 is provided with a cutoff valve 32.
[0018]
Next, the operation will be described. The operation of the fuel cell 21 from the no load to the minimum load will be described with 30% of the rated output as the minimum load. The minimum load is the minimum load that normally operates as a power generation device, and has a heat balance with the fuel gas, the anode exhaust gas that is the fuel for reformer combustion, and the amount of heat required for the reformer. At that time, the gas flowing through each system is controlled so that the flow rate at the minimum load flows. For this reason, when activated, the fuel gas and water vapor corresponding to the minimum load are sent from the fuel gas line 27 to the reforming chamber Re of the reformer 22 to be reformed to become anode gas, and to the anode A by the anode gas supply line 28. Supplied. In the anode A, anode exhaust gas is generated by an anode reaction, and is supplied from the anode exhaust gas line 29 to the combustion chamber Co of the reformer 22. However, while the output of the fuel cell 21 does not reach the minimum load, the fuel gas is excessive with respect to the load, so the amount of unreacted combustible components in the anode exhaust gas exceeds the amount of heat necessary for the reformer. For this reason, if the total amount of the anode exhaust gas is supplied to the reformer 22, the combustion fuel becomes excessive and the combustion chamber Co is overheated.
[0019]
For this reason, conventionally, as shown in the first embodiment, the anode exhaust gas is branched and discharged out of the system, but in this embodiment, the shutoff valve 30 of the cathode exhaust gas line 23 is closed and the cathode exhaust gas branch line 25 is closed. The shutoff valve 31 is opened to stop the supply of cathode exhaust gas to the combustion chamber Co, and the shutoff valve 32 is opened to supply air from the air line 26. As a result, low-temperature air is supplied instead of the high-temperature cathode exhaust gas. Therefore, overheating of the combustion chamber Co can be prevented without restricting the supply of the anode exhaust gas. Further, since the supply of the anode exhaust gas is not restricted, the amount of carbon dioxide contained in the combustion exhaust gas discharged from the combustion chamber Co is not reduced, and the carbon dioxide supplied to the cathode C is not insufficient. As a result, the carbon dioxide utilization rate at the cathode C can be reduced, the load increasing speed can be increased, and stable operation can be performed.
[0020]
When the output increases to the minimum load in this way, the shutoff valve 30 is opened, the shutoff valve 31 is closed and the supply of the cathode exhaust gas is started, and the shutoff valve 32 is closed accordingly and the supply of air is stopped. Thereafter, in this state, the output is increased to a predetermined load and a steady operation is performed.
[0021]
【The invention's effect】
As is clear from the above explanation, the present invention provides a low-temperature air supply without reducing the supply of anode exhaust gas to the reformer during the period from the start to the minimum load, thereby overheating the reformer. Prevent carbon dioxide and supply carbon dioxide to the cathode appropriately. As a result, the carbon dioxide gas concentration at the cathode inlet is increased, so that the cell voltage of the battery is increased, the load increasing speed is increased, and stable operation is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an equipment piping diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an equipment piping diagram showing a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 2 Reformer 3 Air preheater 4 Cathode gas line 5 Anode exhaust gas line 6 Anode exhaust gas branch line 7 Combustion air line 8 Air branch line 9 Fuel gas line 10 Anode gas supply lines 11 and 12 Flow control valve 21 Fuel Battery 22 Reformer 23 Cathode exhaust gas line 24 Cathode gas line 25 Cathode exhaust gas branch line 26 Air line 27 Fuel gas line 28 Anode gas supply line 29 Anode exhaust gas line 30, 31, 32 Shut-off valve

Claims

A fuel cell comprising a cathode that is supplied with a cathode gas containing oxygen and an anode that is supplied with an anode gas containing hydrogen;
A reformer having a combustion chamber for burning the anode exhaust gas of the fuel cell, and a reforming chamber for reforming the fuel gas containing water vapor to the anode gas;
An air preheater for heating the combustion air supplied to the combustion chamber of the reformer by the combustion exhaust gas from the combustion chamber of the reformer;
A cathode gas line that supplies air to the cathode by mixing air with the combustion exhaust gas that has passed through the air preheater;
An anode exhaust gas line for supplying the anode exhaust gas of the fuel cell to the combustion chamber of the reformer;
An anode exhaust gas branch line branched from the anode exhaust gas line and discharging the anode exhaust gas;
An air branch line for branching the combustion air passing through the air preheater and supplying it to the combustion chamber of the reformer,
The temperature of the combustion air supplied to the combustion chamber of the reformer is controlled by controlling the branch amount of the air branch line, and the branch amount of the anode exhaust gas branch line is controlled according to this temperature. Fuel cell device.

A fuel cell comprising a cathode that is supplied with a cathode gas containing oxygen and an anode that is supplied with an anode gas containing hydrogen;
A reformer having a combustion chamber for burning the anode exhaust gas of the fuel cell with a part of the cathode exhaust gas, and a reforming chamber for reforming the fuel gas containing water vapor into the anode gas by the heat;
A cathode exhaust gas line for supplying a part of the cathode exhaust gas of the fuel cell to the combustion chamber of the reformer;
A cathode gas line that mixes air with the combustion exhaust gas in the combustion chamber of the reformer and supplies it to the cathode as a cathode gas;
A discharge line for branching and discharging the cathode exhaust gas provided to the cathode exhaust gas line and supplied to the combustion chamber of the reformer;
An air line for supplying combustion air to the combustion chamber of the reformer,
When the load of the fuel cell is lower than a predetermined value, the cathode exhaust gas supplied from the discharge line to the combustion chamber of the reformer is discharged out of the system, and combustion air is discharged from the air line to the combustion chamber of the reformer. A fuel cell device characterized by being supplied to