JP4254172B2 - Solid oxide fuel cell system - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質型燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、特開２００１−１５５７５４号公報に開示されているように、燃料電池の一種として、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）が知られている。固体電解質型燃料電池は、発電時の温度が約７００〜１０００℃程度と高く、いわゆる高温作動型の燃料電池である。
【０００３】
リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）や固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）等の低温作動型の燃料電池と比べると、固体電解質型燃料電池には、発電効率や排熱温度が高いという長所がある。一方、固体電解質型燃料電池には、低温作動型燃料電池に比べて作動温度が高いため、起動の際に電池本体の温度が作動温度に達するまでに長時間を要する。
【０００４】
ここで、起動時間を短縮するために、電池本体を急激に加熱することが考えられる。しかし、急激な加熱を行うと、熱衝撃によって電池本体に損傷を招くおそれがある。特に、燃料電池の構成要素（電解質膜、燃料極、空気極、インターコネクタ、基体管等）はそれぞれ熱膨張率が異なるため、起動時における温度変化によって燃料電池内に熱応力が発生しやすい。温度変化が急激であれば、熱応力によって構成要素の剥離や割れを生じ、電池性能の劣化を招くおそれがある。
【０００５】
そこで、従来は、燃料電池の発電動作に先立って、燃料電池を予熱する予熱運転を行い、十分な時間をかけて燃料電池を起動していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料電池の発電負荷は、常に一定とは限らない。すなわち、燃料電池の発電負荷は変動するのが通常である。そのため、エネルギーの無駄な発生を防止するために、発電負荷がない場合には燃料電池の運転を一時的に停止することが好ましい。しかし、上述したように、固体電解質型燃料電池は起動に長時間を要するため、いったん運転を停止すると、再び起動する際に相当の時間が必要であった。したがって、発電負荷に応じて燃料電池をＯＮ／ＯＦＦすると、再起動時における発電負荷の上昇に迅速に対応することが困難であった。
【０００７】
また、燃料電池の運転を停止すると、温度が急激に低下するため、燃料電池内に熱応力を生じることになる。そのため、ＯＮ／ＯＦＦを頻繁に繰り返すと、加熱及び冷却に伴って熱応力が繰り返し生じるため、燃料電池の劣化を招きやすい。したがって、燃料電池の信頼性が低下したり、寿命が短くなるといった問題があった。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、固体電解質型燃料電池システムにおいて、熱応力に起因する燃料電池の劣化を防止しつつ、無駄な発電動作を防止することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の固体電解質型燃料電池システムは、燃料極（13）及び酸素極（14）を有する固体電解質型の燃料電池（11）と、前記燃料電池（11）内に設けられ、前記燃料極（13）からの排ガスと前記酸素極（14）からの排ガスとを混合して燃焼させる燃焼器（12）と、燃料電池（11）の外部に設けられた補助燃焼器（15）と、電力需要を検出し、電力需要がないときには、燃料ガス及び酸素含有ガスを前記燃料電池（11）に供給する代わりに前記補助燃焼器（15）に供給し、前記補助燃焼器（15）の燃焼ガスを燃料電池（11）に供給する待機運転を実行する制御手段（33）とを備えているものである。
【００１０】
上記固体電解質型燃料電池システムでは、電力需要がないときには待機運転が行われ、燃料電池に対する燃料ガス及び酸素含有ガスの供給が停止され、発電動作が停止する。また、補助燃焼器の燃焼ガスが燃料電池に供給されるので、当該燃焼ガスによって燃料電池が加熱される。したがって、燃料電池の温度は高温度に維持される。
【００１１】
請求項２に記載の固体電解質型燃料電池システムは、請求項１に記載の固体電解質型燃料電池システムであって、燃料電池（11）からの排ガスと補助燃焼器（15）に供給される酸素含有ガスとを熱交換させる熱交換器（17）を備えているものである。
【００１２】
上記固体電解質型燃料電池システムでは、燃料電池からの排ガスがシステムの外部に排出される前に、上記排ガスに含まれる熱は、補助燃焼器に供給される前の酸素含有ガスに回収される。したがって、排熱の有効利用が図られ、待機運転の効率が向上する。
【００１３】
請求項３に記載の固体電解質型燃料電池システムは、燃料極（13）及び酸素極（14）を有する固体電解質型の燃料電池（11）と、前記燃料電池（11）内に設けられ、前記燃料極（13）からの排ガスと前記酸素極（14）からの排ガスとを混合して燃焼させる燃焼器（12）と、燃料電池（11）の外部に設けられた補助燃焼器（15）と、燃料電池（11）の酸素極（14）に供給される酸素含有ガスと補助燃焼器（15）の燃焼ガスとを熱交換させる熱交換器（41）と、電力需要を検出し、電力需要がないときには、燃料ガス及び酸素含有ガスを前記燃料電池（11）に供給する代わりに前記補助燃焼器（15）に供給し、前記熱交換器（41）において前記補助燃焼器（15）の燃焼ガスによって加熱された酸素含有ガスを燃料電池（11）に供給する待機運転を実行する制御手段（33）とを備えているものである。
【００１４】
上記固体電解質型燃料電池システムでは、待機運転の際に、補助燃焼器の高温の燃焼ガスは、熱交換器を介して、燃料電池の酸素極に供給される前の酸素含有ガスと熱交換を行う。その結果、酸素含有ガスは加熱され、高温の気体となる。この高温の酸素含有ガスは、燃料電池の酸素極に供給され、燃料電池を加熱する。したがって、燃料電池の温度は高温度に維持される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態並びに参考の形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
＜参考形態＞
図１に示すように、参考形態に係る燃料電池システム（10A）は、燃料極（13）及び空気極（14）を有する固体電解質型の燃料電池（11）と、燃料電池（11）内に設けられ、燃料極（13）からの排ガスと空気極（14）からの排ガスとを混合させて燃焼させる燃焼器（12）と、脱硫器（16）と、燃焼器（12）からの排ガスと空気極（14）に供給される空気とを熱交換させる熱交換器（17）とを備えている。
【００１７】
脱硫器（16）は、燃料に含まれる硫化物を除去するものである。脱硫器（16）の上流側は燃料搬送通路（19）に接続され、脱硫器（16）の下流側は燃料供給通路（20）に接続されている。なお、本参考形態及び以下の実施形態では、燃料として都市ガスが用いられている。燃料搬送通路（19）には、第１ブロワ（21）が設けられている。燃料供給通路（20）の下流側は、燃料電池（11）の燃料極（13）に接続されている。
【００１８】
燃料電池（11）の空気極（14）には、空気を搬送するガス搬送通路（26）が接続されている。ガス搬送通路（26）には、第２ブロワ（32）が設けられている。
【００１９】
燃料電池（11）の燃料極（13）側には、燃料極（13）からの排ガスを燃料供給通路（20）に戻す燃料返還通路（29）が設けられている。燃料返還通路（29）には、第３ブロワ（30）が設けられている。
【００２０】
燃焼器（12）には、当該燃焼器（12）の燃焼ガスを排出するための燃焼ガス排出通路（31）が接続されている。熱交換器（17）は、燃焼ガス排出通路（31）及びガス搬送通路（26）に設けられており、燃焼ガス排出通路（31）を流れる燃焼ガスとガス搬送通路（26）を流れる空気とを熱交換させる。つまり、熱交換器（17）は、燃焼器（12）から流出した排ガスの排熱を用いて供給空気を加熱するように構成されている。
【００２１】
燃料電池システム（10A）には、燃料電池（11）の運転を制御するコントローラ（33）が設けられている。コントローラ（33）は電力需要を検出し、電力需要がある場合には燃料電池（11）に通常運転を実行させる一方、電力需要がない場合には燃料電池（11）に待機運転を実行させる。次に、燃料電池（11）の通常運転及び待機運転について説明する。
【００２２】
通常運転の際には、第１ブロワ（21）によって搬送された燃料ガスは、脱硫器（16）において脱硫された後、燃料供給通路（20）を流通し、燃料電池（11）の燃料極（13）に導入される。一方、第２ブロワ（32）によって搬送された空気は、熱交換器（17）において、燃焼ガス排出通路（31）を流れる燃焼ガスによって予熱された後、ガス搬送通路（26）を通じて燃料電池（11）の空気極（14）に導入される。
【００２３】
燃料電池（11）においては、燃料極（13）及び空気極（14）において、それぞれ所定の電池反応が行われる。すなわち、燃料極（13）及び空気極（14）において、
燃料極：２Ｈ２＋２Ｏ２− → ２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−
空気極：Ｏ２＋４ｅ− → ２Ｏ２−
なる電池反応が行われる。このことにより、燃料電池（11）による発電が行われる。
【００２４】
燃料極（13）からの排ガスの一部は、燃料返還通路（29）を通じて燃料供給通路（20）に戻される。そして、この排ガスは、燃料極（13）における電池反応に再利用される。
【００２５】
一方、燃料極（13）から排出される残りの排ガスと空気極（14）からの排ガスとは、燃焼器（12）に導入される。そして、燃焼器（12）において、上記両排ガスは混合され、燃焼が行われる。
【００２６】
燃焼器（12）の燃焼ガスは、燃焼ガス排出通路（31）を流通し、熱交換器（17）に流入する。上記燃焼ガスは、熱交換器（17）において、ガス搬送通路（26）を流れる供給空気と熱交換を行い、供給空気を加熱する。そして、熱交換器（17）を流出した燃焼ガスは、燃料電池システム（10A）の外部に排出される。
【００２７】
以上のような通常運転を行っているときに電力需要がなくなると、コントローラ（33）は燃料電池（11）の運転を通常運転から以下の待機運転に切り替える。
【００２８】
待機運転は、燃料電池（11）の発電動作を停止させるとともに、燃料電池（11）の温度を所定の作動温度（例えば、７００〜１０００℃）に維持する運転である。
【００２９】
待機運転では、第１ブロワ（21）及び第２ブロワ（32）の回転数が抑制され、燃料電池（11）の燃料極（13）に供給される燃料ガスの量と、空気極（14）に供給される空気の量とが減少する。なお、燃料ガス及び空気の供給量の調整は、ブロワ（21,32）の回転数を制御する方法に限らず、その他の方法によって実行することも可能である。例えば、燃料供給通路（20）及びガス搬送通路（26）にそれぞれ流量調整弁を設けておき、これら流量調整弁を制御することによって燃料ガス及び空気の供給量を調整してもよい。このような方法によっても、燃料利用率を調整することが可能である。
【００３０】
また、待機運転では、燃料電池（11）と電力負荷との接続が解除される。これにより、燃料電池（11）は発電動作を停止することになる。
【００３１】
そして、第１ブロワ（21）によって搬送され燃料ガスは、脱硫器（16）において脱硫された後、燃料供給通路（20）を通じて燃料電池（11）の燃料極（13）に導入される。一方、第２ブロワ（32）によって搬送された空気は、熱交換器（17）において予熱された後、ガス搬送通路（26）を経て燃料電池（11）の空気極（14）に導入される。
【００３２】
燃料極（13）に供給された燃料ガス及び空気極（14）に供給された空気は、それぞれ燃料極（13）及び空気極（14）を通過し、燃焼器（12）に流れ込む。そして、燃焼器（12）において、上記燃料ガス及び空気は混合され、燃焼が行われる。この燃焼による発熱によって、燃料電池（11）は加熱される。すなわち、燃焼器（12）から燃料電池（11）に向かって熱が伝わり、燃料電池（11）は高温度を維持することになる。
【００３３】
燃焼器（12）を流出した燃焼ガスは、燃焼ガス排出通路（31）を流通し、熱交換器（17）に流入する。上記燃焼ガスは、熱交換器（17）において、ガス搬送通路（26）を流れる供給空気と熱交換を行い、供給空気を加熱する。そして、熱交換器（17）を流出した燃焼ガスは、燃料電池システム（10A）の外部に排出される。
【００３４】
なお、上記待機運転中に電力需要が再び発生すると、コントローラ（33）は燃料電池システム（10A）の運転を待機運転から通常運転に切り替える。
【００３５】
以上のように、本燃料電池システム（10A）によれば、電力需要がないときには待機運転を行い、燃焼器（12）の熱によって燃料電池（11）を加熱する。したがって、発電動作を停止しつつ燃料電池（11）の温度を高温の作動温度に維持することができる。
【００３６】
電力需要のないときに発電動作を停止するので、エネルギーの無駄な生成を防止することができる。また、燃料電池（11）の大幅な温度変化がないので、熱応力に起因する燃料電池（11）の劣化を防止することができる。
【００３７】
燃料電池（11）からの排ガスと供給空気とを熱交換させる熱交換器（17）を設けることとしたので、燃料電池（11）の排熱を有効活用することができ、エネルギー損失を低減することができる。したがって、システムの効率を向上させることができる。待機運転時にも排熱を利用することができるので、効率的な待機運転を実現することができる。
【００３８】
燃料供給通路（20）に脱硫器（16）を設けることとしたので、燃料電池（11）の燃料極（13）に供給される燃料から硫化物を除去することができ、燃料に含まれる硫化物によって燃料極（13）が被毒されることを防止することができる。
【００３９】
−変形例−
上記参考形態では、待機運転中には発電動作を停止していたが、待機運転中に、燃料電池システム（10A）の補助機械（第１ブロワ（21）や第２ブロワ（32）等）に必要な電力分だけ、燃料電池（11）に発電動作を行わせてもよい。このことにより、待機運転中に補助機械に電力を供給する電力系を別途設ける必要がなくなり、システム構成を簡単化することができる。
【００４０】
＜実施形態１＞
図２に示すように、実施形態１に係る燃料電池システム（10B）は、燃料電池（11）の外部に補助燃焼器（15）を設けたものである。
【００４１】
実施形態１に係る燃料電池システム（10B）は、燃料極（13）及び空気極（14）を有する固体電解質型の燃料電池（11）と、燃料電池（11）内に設けられ、燃料極（13）からの排ガスと空気極（14）からの排ガスとを混合させて燃焼させる燃焼器（12）と、補助燃焼器（15）と、脱硫器（16）と、燃焼器（12）からの排ガスと空気極（14）に供給される空気とを熱交換させる熱交換器（17）とを備えている。
【００４２】
燃料供給通路（20）の下流側は、三方弁（22）の第１ポート（図中の左側のポート）に接続されている。三方弁（22）の第２ポート（図中の右側のポート）には、燃料電池（11）の燃料極（13）に燃料を導入する主燃料供給通路（18）が接続されている。三方弁（22）の第３ポート（図中の下側のポート）には、補助燃焼器（15）に燃料を導入する補助燃料供給通路（23）が接続されている。なお、三方弁（22）は、第１ポートと第２ポートとをつなぐ第１状態と第１ポートと第３ポートとをつなぐ第２状態とに切り替え自在に構成されている。
【００４３】
補助燃焼器（15）は、燃料電池（11）の外部に設けられている。補助燃焼器（15）の燃料導入部には補助燃料供給通路（23）が接続され、補助燃焼器（15）の空気導入部には、補助空気供給通路（24）が接続されている。
【００４４】
補助空気供給通路（24）の上流側は、三方弁（25）の第３ポート（図中の左側のポート）に接続されている。三方弁（25）の第１ポート（図中の右側のポート）には、ガス搬送通路（26）が接続されている。三方弁（25）の第２ポート（図中の上側のポート）には、燃料電池（11）の空気極（14）側に接続された主空気供給通路（27）が接続されている。なお、三方弁（25）も、第１ポートと第２ポートとをつなぐ第１状態と第１ポートと第３ポートとをつなぐ第２状態とに切り替え自在に構成されている。
【００４５】
補助燃焼器（15）には、当該補助燃焼器（15）において生成された燃焼ガスを供給する燃焼ガス供給通路（28）が接続されている。燃焼ガス供給通路（28）の下流側は、主空気供給通路（27）に接続されている。このような構成により、本実施形態では、燃焼ガス供給通路（28）の燃焼ガスは燃料電池（11）の空気極（14）に導入されることになる。
【００４６】
その他の構成は、参考形態と同様である。なお、補助燃焼器（15）のＯＮ／ＯＦＦや三方弁（22,25）の切り替え等の各種制御は、コントローラ（33）によって行われる。
【００４７】
本実施形態においても、電力需要のあるときには通常運転が行われ、電力需要のないときには待機運転が行われる。次に、通常運転と待機運転とを説明する。
【００４８】
通常運転の際には、図２に示すように、三方弁（22）及び三方弁（25）は、いずれも第１状態に設定される。すなわち、燃料供給通路（20）と主燃料供給通路（18）とが接続され、ガス搬送通路（26）と主空気供給通路（27）とが接続される。補助燃焼器（15）は運転を停止し、燃料電池（11）及び燃焼器（12）は運転を行う。また、第３ブロワ（30）は運転を行い、燃料返還通路（29）を通じて燃料ガスの再循環が行われる。
【００４９】
具体的には、第１ブロワ（21）によって搬送された燃料ガスは、脱硫器（16）において脱硫された後、燃料供給通路（20）及び主燃料供給通路（18）を流通し、燃料電池（11）の燃料極（13）に導入される。一方、第２ブロワ（32）によって搬送された空気は、熱交換器（17）において、燃焼ガス排出通路（31）を流れる燃焼ガスによって予熱された後、主空気供給通路（27）を経て燃料電池（11）の空気極（14）に導入される。
【００５０】
燃料電池（11）においては、燃料極（13）及び空気極（14）において、それぞれ所定の電池反応が行われる。このことにより、燃料電池（11）による発電が行われる。
【００５１】
燃料極（13）からの排ガスの一部は、燃料返還通路（29）を通じて主燃料供給通路（18）に戻される。そして、この排ガスは、燃料極（13）における電池反応に再利用される。
【００５２】
一方、燃料極（13）から排出される残りの排ガスと空気極（14）からの排ガスとは、燃焼器（12）に導入される。そして、燃焼器（12）において、上記両排ガスは混合され、燃焼が行われる。
【００５３】
燃焼器（12）の燃焼ガスは、燃焼ガス排出通路（31）を流通し、熱交換器（17）に流入する。上記燃焼ガスは、熱交換器（17）において、ガス搬送通路（26）を流れる供給空気と熱交換を行い、供給空気を加熱する。そして、熱交換器（17）を流出した燃焼ガスは、燃料電池システム（10B）の外部に排出される。
【００５４】
一方、待機運転の際には、図３に示すように、三方弁（22）及び三方弁（25）は、いずれも第２状態に設定される。すなわち、待機運転に際しては、燃料供給通路（20）と補助燃料供給通路（23）とが接続され、ガス搬送通路（26）と補助空気供給通路（24）とが接続される。補助燃焼器（15）は運転を行い、燃料電池（11）及び燃焼器（12）は運転を行わない。
【００５５】
第１ブロワ（21）によって搬送された燃料は、脱硫器（16）において脱硫された後、燃料供給通路（20）及び補助燃料供給通路（23）を流通し、補助燃焼器（15）に導入される。一方、第２ブロワ（32）によって搬送された空気は、熱交換器（17）において、燃焼ガス排出通路（31）を流れるガスによって予熱された後、補助空気供給通路（24）を経て補助燃焼器（15）に導入される。補助燃焼器（15）に導入された燃料及び空気は混合され、補助燃焼器（15）において燃焼が行われる。
【００５６】
補助燃焼器（15）の燃焼ガスは、燃焼ガス供給通路（28）及び主空気供給通路（27）を流通し、燃料電池（11）の空気極（14）に供給される。そして、上記燃焼ガスは、空気極（14）を通過する際に空気極（14）を加熱する。これにより、燃料電池（11）は加熱され、燃料電池（11）の温度は高温の作動温度に維持される。
【００５７】
空気極（14）を通過した燃焼ガスは、燃焼器（12）及び燃焼ガス排出通路（31）を通過し、熱交換器（17）に流入する。上記燃焼ガスは、熱交換器（17）において、ガス搬送通路（26）を流れる空気と熱交換を行い、当該空気を予熱する。そして、熱交換器（17）を流出した燃焼ガスは、システムの外部に排出される。
【００５８】
以上のように、本実施形態によれば、電力需要がないときには待機運転を行い、補助燃焼器（15）の燃焼ガスによって燃料電池（11）を加熱する。したがって、参考形態と同様、発電動作を停止しつつ燃料電池（11）の温度を高温の作動温度に維持することができる。本実施形態においても、参考形態と同様の効果を得ることができる。
【００５９】
また、本燃料電池システム（10B）によれば、三方弁（22）を設けることによって、燃料の供給経路を切り替え自在に構成した。そのうえで、三方弁（22）の上流側の燃料搬送通路（19）に第１ブロワ（21）を設けることにより、燃料電池（11）の燃料極（13）に燃料を供給するためのブロワと、補助燃焼器（15）に燃料を供給するためのブロワとを共通化することとした。すなわち、第１ブロワ（21）に、燃料極（13）に燃料を供給する機能と補助燃焼器（15）に燃料を供給する機能とを兼用させることとした。
【００６０】
また、三方弁（25）を設けることによって、空気の供給経路を切り替え自在に構成した。そのうえで、三方弁（25）の上流側のガス搬送通路（26）に第２ブロワ（32）を設けることにより、燃料電池（11）の空気極（14）に空気を供給するためのブロワと、補助燃焼器（15）に空気を供給するためのブロワとを共通化することとした。すなわち、第２ブロワ（32）に、空気極（14）に空気を供給する機能と補助燃焼器（15）に空気を供給する機能とを兼用させることとした。
【００６１】
したがって、本実施形態によれば、補助燃焼器（15）の設置に伴って別個新たなブロワを設置する必要がない。そのため、部品点数の削減によるシステムの小型化及び低コスト化を図ることができる。
【００６２】
上記実施形態では、補助燃焼器（15）の燃焼ガスを燃料電池（11）の空気極（14）に供給していたが、燃焼ガスを燃料極（13）に供給してもよく、燃焼ガスを空気極（14）及び燃料極（13）の両方に供給するようにしてもよい。
【００６３】
なお、本実施形態では、燃料電池（11）の起動時に、上記予熱運転と同様の運転を行うことによって燃料電池（11）を予熱することができる。したがって、システムの構成を複雑化することなく、予熱運転（起動運転）と待機運転とを実行することが可能となる。
【００６４】
＜実施形態２＞
図４に示すように、実施形態２の燃料電池システム（10C）は、実施形態１の燃料電池システム（10B）において、燃料電池（11）に電気ヒータ（40）を設けたものである。
【００６５】
電気ヒータ（40）は、燃料電池システム（10C）の補助機械の一つである。本実施形態では、電気ヒータ（40）は、燃料電池（11）の周りに巻き付けられている。なお、電気ヒータ（40）の個数は１つに限定されず、２又は３以上の電気ヒータが設けられていてもよいことは勿論である。
【００６６】
本実施形態では、待機運転の際には、電気ヒータ（40）が通電され、燃料電池（11）は燃焼器（12）及び電気ヒータ（40）によって加熱される。その結果、燃料電池（11）の温度は高温の作動温度に維持される。
【００６７】
したがって、本実施形態においても、実施形態１と同様の効果を得ることができる。
【００６８】
なお、参考形態の燃料電池システム（10A）において、燃料電池（11）の周りに電気ヒータ（40）を設けるようにしてもよい。待機運転時に補助機械の必要電力分だけ燃料電池（11）に発電動作を行わせる場合には、当該燃料電池（11）の電力によって電気ヒータ（40）を作動させてもよい。
【００６９】
ところで、待機運転の際に、燃焼器（12）からの伝導熱だけで燃料電池（11）を加熱すると、燃料電池（11）の内部において、燃焼器（12）の近傍から遠方にかけて温度が低下するような不均一な温度分布が生じる場合がある。しかし、温度分布の不均一の程度が過大であると、燃料電池（11）の内部に熱応力が発生し、燃料電池（11）の構成要素（電解質膜、燃料極、空気極、インターコネクタ、基体管等）に剥離や割れが生じるおそれがある。そこで、電気ヒータ（40）の設置位置は、燃料電池（11）内の不均一な温度分布を是正するような位置が好ましい。例えば、燃焼器（12）から離れている部分ほど加熱量が多くなるように電気ヒータ（40）を配置してもよく、燃料電池（11）の全体にわたって満遍なく電気ヒータ（40）を配置してもよい。
【００７０】
＜実施形態３＞
図５に示すように、実施形態３に係る燃料電池システム（10D）は、実施形態１の燃料電池システム（10B）に変更を加えたものであり、待機運転時に、補助燃焼器（15）の燃焼ガスによって空気を加熱し、加熱後の高温の空気を燃料電池（11）の空気極（14）に供給するようにしたものである。
【００７１】
本実施形態では、ガス搬送通路（26）は、主空気供給通路（27）と補助空気供給通路（24）とに分岐している。主空気供給通路（27）は、燃料電池（11）の空気極（14）に接続されている。補助空気供給通路（24）は、補助燃焼器（15）に接続されている。補助空気供給通路（24）には、閉鎖弁（42）が設けられている。
【００７２】
燃焼ガス供給通路（28）と主空気供給通路（27）とには、補助燃焼器（15）からの燃焼ガスと空気極（14）への供給空気とを熱交換させる熱交換器（41）が設けられている。熱交換器（41）の高温側流路（45）は燃焼ガス供給通路（28）に接続され、低温側流路（46）は主空気供給通路（27）に接続されている。
【００７３】
その他の構成は実施形態１と同様であるので、説明は省略する。
【００７４】
通常運転時には、三方弁（22）は第１状態に設定され、燃料供給通路（20）と主燃料供給通路（18）とが接続される。閉鎖弁（42）は閉鎖される。補助燃焼器（15）は運転を停止し、燃料電池（11）及び燃焼器（12）は運転を行う。また、第３ブロワ（30）が運転を行い、燃料ガスの再循環が行われる。
【００７５】
第１ブロワ（21）によって搬送された燃料は、脱硫器（16）において脱硫された後、燃料供給通路（20）及び主燃料供給通路（18）を通過し、燃料電池（11）の燃料極（13）に導入される。一方、第２ブロワ（32）によって搬送された空気は、熱交換器（17）において、燃焼ガス排出通路（31）を流れる燃焼ガスによって予熱された後、ガス搬送通路（26）から主空気供給通路（27）を経て、燃料電池（11）の空気極（14）に導入される。
【００７６】
燃料電池（11）では、燃料極（13）及び空気極（14）のそれぞれにおいて、所定の電池反応が行われる。それにより、燃料電池（11）の発電が行われる。
【００７７】
燃料極（13）からの排ガスの一部は、燃料返還通路（29）を通じて主燃料供給通路（18）に戻される。
【００７８】
燃料極（13）から排出される残りの排ガスと空気極（14）からの排ガスとは、燃焼器（12）に導入される。そして、燃焼器（12）において、上記両排ガスは混合され、燃焼が行われる。
【００７９】
燃焼器（12）の燃焼ガスは、燃焼ガス排出通路（31）を通じて排出される。この際、燃焼ガスは熱交換器（17）において、ガス搬送通路（26）からの供給空気と熱交換を行い、供給空気を加熱する。
【００８０】
待機運転時には、三方弁（22）は第２状態に設定され、燃料供給通路（20）と補助燃料供給通路（23）とが接続される。閉鎖弁（42）は開放される。補助燃焼器（15）は運転を行い、燃料電池（11）及び燃焼器（12）は運転を行わない。
【００８１】
第１ブロワ（21）によって搬送された燃料は、脱硫器（16）において脱硫された後、燃料供給通路（20）及び補助燃料供給通路（23）を流通し、補助燃焼器（15）に導入される。
【００８２】
一方、第２ブロワ（32）によって搬送された空気は、熱交換器（17）において、燃焼ガス排出通路（31）を流れる空気によって予熱された後、補助空気供給通路（24）と主空気供給通路（27）とに分流する。
【００８３】
補助空気供給通路（24）に流入した空気は、補助燃焼器（15）に導入される。補助燃焼器（15）では、上記空気と補助燃料供給通路（23）からの燃料とが混合され、燃焼が行われる。この燃焼によって生じた燃焼ガスは、燃焼ガス供給通路（28）を流れ、熱交換器（41）の高温側流路（46）に流入する。そして、上記燃焼ガスは、熱交換器（41）の低温側流路（45）を流れる空気と熱交換を行い、低温側流路（45）の空気を加熱する。その後、燃焼ガスはシステム外に排出される。
【００８４】
一方、主空気供給通路（27）に流入した空気は、熱交換器（41）の低温側流路（45）に流入し、上述のように、高温側流路（46）を流れる燃焼ガスと熱交換を行う。これにより、低温側流路（45）を流れる空気は高温側流路（46）を流れる燃焼ガスによって加熱され、高温空気となって燃料電池（11）の空気極（14）に導入される。そして、この高温空気は空気極（14）を通過し、空気極（14）を加熱する。その結果、燃料電池（11）が加熱され、燃料電池（11）の温度は高温度に維持される。
【００８５】
空気極（14）を通過した空気は、燃焼器（12）を通過し、燃焼ガス排出通路（31）に流入する。燃焼ガス排出通路（31）を流れる空気は、熱交換器（17）において、ガス搬送通路（26）を流れる空気と熱交換を行い、ガス搬送通路（26）を流れる空気を加熱する。その後、熱交換器（17）を流出した空気は、燃焼ガス排出通路（31）を通じて排出される。
【００８６】
本実施形態においても、実施形態１と同様の効果を得ることができる。加えて、本実施形態では、以下に説明するように、燃料電池（11）のより一層の信頼性向上を図ることができる。
【００８７】
すなわち、実施形態１では、待機運転時に、燃料電池（11）の空気極（14）に燃焼ガスを供給していた。しかし、燃焼ガスには若干の水蒸気が含まれるため、空気極（14）の電極上で水蒸気が凝縮し、電極に水滴が生じる可能性があった。また、燃焼ガスには煤が含まれる場合もある。そのため、水滴や煤が原因となり、長時間の運転の後に電極の劣化を招く可能性があった。
【００８８】
しかし、本燃料電池システム（10D）によれば、待機運転時には、補助燃焼器（15）の燃焼ガスによって供給空気を加熱し、高温になった供給空気を空気極（14）に供給する。すなわち、空気極（14）には、水蒸気がほとんど含まれない高温空気が供給される。また、高温空気には煤は含まれない。したがって、実施形態３によれば、空気極（14）の性能劣化を防止することができる。そのため、燃料電池（11）の信頼性を向上させることができる。
【００８９】
＜その他の実施形態＞
前記各実施形態では、待機運転中に、燃料電池（11）は一定量だけ加熱されていた。しかし、燃料電池（11）の温度は外気条件（例えば、外気温度等）によって変動する。そこで、燃料電池（11）の温度が一定になるように、加熱量を調整するようにしてもよい。例えば、燃料電池（11）に温度センサを設けておき、待機運転の際に、当該温度センサの検出温度が一定温度になるように加熱量を調整してもよい。なお、加熱量の調整は、ブロワ（21,32）の回転数制御や、燃料搬送通路（19）やガス搬送通路（26）等に設けた流量調整弁を制御すること等によって行うことができる。
【００９０】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、待機運転の際に、補助燃焼器の燃焼ガスによって燃料電池を加熱することにより、燃料電池を高温度に維持することができる。
【００９１】
請求項２記載の発明によれば、燃料電池の排熱を補助燃焼器に供給される酸素含有ガスに回収するので、待機運転時の損失熱量を減少させることができる。したがって、待機運転の効率を向上させることができる。
【００９２】
請求項３記載の発明によれば、待機運転の際に、燃料電池の酸素極に燃焼ガスが導入されないので、酸素極に水蒸気や煤が流入することを防止することができる。したがって、燃料電池の酸素極の劣化を防止することができ、燃料電池の品質及び信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】 実施形態１に係る燃料電池システムの構成図であり、通常運転時の運転動作を示す図である。
【図３】 実施形態１に係る燃料電池システムの構成図であり、待機運転時の運転動作を示す図である。
【図４】 実施形態２に係る燃料電池システムの構成図である。
【図５】 実施形態３に係る燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
（11） 燃料電池
（12） 燃焼器
（13） 燃料極
（14） 空気極（酸素極）
（15） 補助燃焼器
（16） 脱硫器
（17） 熱交換器
（18） 主燃料供給通路
（21） 第１ブロワ
（23） 補助燃料供給通路
（24） 補助空気供給通路
（27） 主空気供給通路
（32） 第２ブロワ
（33） コントローラ（制御手段）
（40） 電気ヒータ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid oxide fuel cell system.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-155754, a solid oxide fuel cell (SOFC) is known as a kind of fuel cell. The solid oxide fuel cell is a so-called high temperature operation type fuel cell having a high temperature of about 700 to 1000 ° C. during power generation.
[0003]
Compared to low temperature operation fuel cells such as phosphoric acid fuel cells (PAFC) and polymer electrolyte fuel cells (PEFC), solid oxide fuel cells have the advantage of higher power generation efficiency and exhaust heat temperature. . On the other hand, a solid oxide fuel cell has a higher operating temperature than a low-temperature operating fuel cell, so that it takes a long time for the temperature of the battery body to reach the operating temperature during startup.
[0004]
Here, in order to shorten the startup time, it is conceivable to heat the battery body rapidly. However, rapid heating may cause damage to the battery body due to thermal shock. In particular, since the constituent elements of the fuel cell (electrolyte membrane, fuel electrode, air electrode, interconnector, base tube, etc.) have different thermal expansion coefficients, thermal stress is likely to be generated in the fuel cell due to temperature changes at startup. If the temperature change is abrupt, the component may be peeled or cracked due to thermal stress, which may lead to deterioration of battery performance.
[0005]
Therefore, conventionally, prior to the power generation operation of the fuel cell, a preheating operation for preheating the fuel cell is performed, and the fuel cell is started after a sufficient time.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the power generation load of the fuel cell is not always constant. That is, the power generation load of the fuel cell usually varies. Therefore, in order to prevent wasteful generation of energy, it is preferable to temporarily stop the operation of the fuel cell when there is no power generation load. However, as described above, since the solid oxide fuel cell takes a long time to start, once the operation is stopped, a considerable time is required to start again. Therefore, when the fuel cell is turned on / off according to the power generation load, it is difficult to quickly respond to the increase in the power generation load at the time of restart.
[0007]
Further, when the operation of the fuel cell is stopped, the temperature rapidly decreases, so that a thermal stress is generated in the fuel cell. Therefore, if ON / OFF is frequently repeated, thermal stress is repeatedly generated along with heating and cooling, so that the fuel cell is likely to be deteriorated. Therefore, there are problems that the reliability of the fuel cell is lowered and the life is shortened.
[0008]
The present invention has been made in view of such points, and an object of the present invention is to prevent wasteful power generation operation while preventing deterioration of the fuel cell due to thermal stress in the solid oxide fuel cell system. There is to do.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
Claim1The solid oxide fuel cell system described in 1 is provided with a solid electrolyte fuel cell (11) having a fuel electrode (13) and an oxygen electrode (14), and the fuel electrode (11) 13) Combustor (12) that mixes and combusts exhaust gas from oxygen electrode (14) and exhaust gas from oxygen electrode (14), auxiliary combustor (15) provided outside fuel cell (11), and power demand And when there is no power demand, instead of supplying fuel gas and oxygen-containing gas to the fuel cell (11), the fuel gas (11) is supplied to the auxiliary combustor (15), and the combustion gas of the auxiliary combustor (15) is supplied. And a control means (33) for executing a standby operation to be supplied to the fuel cell (11).
[0010]
In the solid oxide fuel cell system, standby operation is performed when there is no power demand, supply of fuel gas and oxygen-containing gas to the fuel cell is stopped, and power generation operation is stopped. Moreover, since the combustion gas of the auxiliary combustor is supplied to the fuel cell, the fuel cell is heated by the combustion gas. Therefore, the temperature of the fuel cell is maintained at a high temperature.
[0011]
Claim2The solid oxide fuel cell system according to claim 1,1The solid oxide fuel cell system according to claim 1, further comprising a heat exchanger (17) for exchanging heat between the exhaust gas from the fuel cell (11) and the oxygen-containing gas supplied to the auxiliary combustor (15). Is.
[0012]
In the solid oxide fuel cell system, before the exhaust gas from the fuel cell is discharged outside the system, the heat contained in the exhaust gas is recovered into an oxygen-containing gas before being supplied to the auxiliary combustor. Therefore, effective use of exhaust heat is achieved, and the efficiency of standby operation is improved.
[0013]
Claim3The solid oxide fuel cell system described in 1 is provided with a solid electrolyte fuel cell (11) having a fuel electrode (13) and an oxygen electrode (14), and the fuel electrode (11) A combustor (12) for mixing and burning the exhaust gas from 13) and the exhaust gas from the oxygen electrode (14), an auxiliary combustor (15) provided outside the fuel cell (11), and a fuel cell The heat exchanger (41) that exchanges heat between the oxygen-containing gas supplied to the oxygen electrode (14) of (11) and the combustion gas of the auxiliary combustor (15), and when power demand is detected and there is no power demand The fuel gas and the oxygen-containing gas are supplied to the auxiliary combustor (15) instead of being supplied to the fuel cell (11), and are heated by the combustion gas of the auxiliary combustor (15) in the heat exchanger (41). Control means (33) for performing a standby operation for supplying the oxygen-containing gas to the fuel cell (11) It is one that is equipped with a door.
[0014]
In the solid oxide fuel cell system, during the standby operation, the high-temperature combustion gas of the auxiliary combustor exchanges heat with the oxygen-containing gas before being supplied to the oxygen electrode of the fuel cell via the heat exchanger. Do. As a result, the oxygen-containing gas is heated and becomes a high-temperature gas. This high-temperature oxygen-containing gas is supplied to the oxygen electrode of the fuel cell and heats the fuel cell. Therefore, the temperature of the fuel cell is maintained at a high temperature.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.And reference formIs described based on the drawings.
[0016]
<Reference form>
As shown in FIG.Reference formThe fuel cell system (10A) according to the present invention includes a solid electrolyte fuel cell (11) having a fuel electrode (13) and an air electrode (14), and a fuel cell (11). Is supplied to the combustor (12), the desulfurizer (16), and the exhaust gas from the combustor (12) and the air electrode (14). A heat exchanger (17) for exchanging heat with air.
[0017]
The desulfurizer (16) removes sulfides contained in the fuel. The upstream side of the desulfurizer (16) is connected to the fuel transfer passage (19), and the downstream side of the desulfurizer (16) is connected to the fuel supply passage (20). BookreferenceIn the embodiment and the following embodiments, city gas is used as fuel. A first blower (21) is provided in the fuel transfer passage (19). The downstream side of the fuel supply passage (20) is connected to the fuel electrode (13) of the fuel cell (11).
[0018]
A gas transport passage (26) for transporting air is connected to the air electrode (14) of the fuel cell (11). A second blower (32) is provided in the gas transfer passage (26).
[0019]
A fuel return passage (29) for returning exhaust gas from the fuel electrode (13) to the fuel supply passage (20) is provided on the fuel electrode (13) side of the fuel cell (11). A third blower (30) is provided in the fuel return passage (29).
[0020]
A combustion gas discharge passage (31) for discharging the combustion gas of the combustor (12) is connected to the combustor (12). The heat exchanger (17) is provided in the combustion gas discharge passage (31) and the gas transfer passage (26), and includes combustion gas flowing through the combustion gas discharge passage (31) and air flowing through the gas transfer passage (26). Heat exchange. That is, the heat exchanger (17) is configured to heat the supply air using the exhaust heat of the exhaust gas flowing out from the combustor (12).
[0021]
The fuel cell system (10A) is provided with a controller (33) for controlling the operation of the fuel cell (11). The controller (33) detects power demand, and when there is power demand, causes the fuel cell (11) to perform normal operation, and when there is no power demand, causes the fuel cell (11) to perform standby operation. Next, normal operation and standby operation of the fuel cell (11) will be described.
[0022]
During normal operation, the fuel gas transported by the first blower (21) is desulfurized in the desulfurizer (16), then flows through the fuel supply passage (20), and the fuel electrode of the fuel cell (11). Introduced in (13). On the other hand, the air conveyed by the second blower (32) is preheated by the combustion gas flowing through the combustion gas discharge passage (31) in the heat exchanger (17), and then passed through the gas conveyance passage (26) to the fuel cell ( 11) Introduced to the air electrode (14).
[0023]
In the fuel cell (11), predetermined cell reactions are respectively performed at the fuel electrode (13) and the air electrode (14). That is, in the fuel electrode (13) and the air electrode (14),
Fuel electrode: 2H2+ 2O2- → 2H2O + 4e−
Air electrode: O2+ 4e− → 2O2-
A battery reaction is performed. As a result, power generation by the fuel cell (11) is performed.
[0024]
Part of the exhaust gas from the fuel electrode (13) is returned to the fuel supply passage (20) through the fuel return passage (29). This exhaust gas is reused for the cell reaction in the fuel electrode (13).
[0025]
On the other hand, the remaining exhaust gas discharged from the fuel electrode (13) and the exhaust gas from the air electrode (14) are introduced into the combustor (12). In the combustor (12), both the exhaust gases are mixed and burned.
[0026]
The combustion gas in the combustor (12) flows through the combustion gas discharge passage (31) and flows into the heat exchanger (17). In the heat exchanger (17), the combustion gas exchanges heat with the supply air flowing through the gas transfer passage (26) to heat the supply air. And the combustion gas which flowed out the heat exchanger (17) is discharged | emitted outside the fuel cell system (10A).
[0027]
If the power demand disappears during the normal operation as described above, the controller (33) switches the operation of the fuel cell (11) from the normal operation to the following standby operation.
[0028]
The standby operation is an operation in which the power generation operation of the fuel cell (11) is stopped and the temperature of the fuel cell (11) is maintained at a predetermined operating temperature (for example, 700 to 1000 ° C.).
[0029]
In the standby operation, the rotational speeds of the first blower (21) and the second blower (32) are suppressed, the amount of fuel gas supplied to the fuel electrode (13) of the fuel cell (11), and the air electrode (14) The amount of air supplied to the The adjustment of the supply amounts of the fuel gas and air is not limited to the method of controlling the rotational speed of the blower (21, 32), but can be performed by other methods. For example, flow rate adjusting valves may be provided in the fuel supply passage (20) and the gas transfer passage (26), respectively, and the supply amounts of fuel gas and air may be adjusted by controlling these flow rate adjustment valves. The fuel utilization rate can be adjusted also by such a method.
[0030]
In the standby operation, the connection between the fuel cell (11) and the power load is released. As a result, the fuel cell (11) stops the power generation operation.
[0031]
The fuel gas conveyed by the first blower (21) is desulfurized in the desulfurizer (16) and then introduced into the fuel electrode (13) of the fuel cell (11) through the fuel supply passage (20). On the other hand, the air conveyed by the second blower (32) is preheated in the heat exchanger (17) and then introduced into the air electrode (14) of the fuel cell (11) via the gas conveyance passage (26). .
[0032]
The fuel gas supplied to the fuel electrode (13) and the air supplied to the air electrode (14) pass through the fuel electrode (13) and the air electrode (14), respectively, and flow into the combustor (12). In the combustor (12), the fuel gas and air are mixed and burned. The fuel cell (11) is heated by the heat generated by the combustion. That is, heat is transferred from the combustor (12) to the fuel cell (11), and the fuel cell (11) maintains a high temperature.
[0033]
The combustion gas flowing out of the combustor (12) flows through the combustion gas discharge passage (31) and flows into the heat exchanger (17). In the heat exchanger (17), the combustion gas exchanges heat with the supply air flowing through the gas transfer passage (26) to heat the supply air. And the combustion gas which flowed out the heat exchanger (17) is discharged | emitted outside the fuel cell system (10A).
[0034]
When power demand is generated again during the standby operation, the controller (33) switches the operation of the fuel cell system (10A) from the standby operation to the normal operation.
[0035]
As described above, according to the present fuel cell system (10A), when there is no power demand, standby operation is performed, and the fuel cell (11) is heated by the heat of the combustor (12). Therefore, the temperature of the fuel cell (11) can be maintained at a high operating temperature while stopping the power generation operation.
[0036]
Since the power generation operation is stopped when there is no power demand, wasteful generation of energy can be prevented. Further, since there is no significant temperature change of the fuel cell (11), it is possible to prevent the fuel cell (11) from being deteriorated due to thermal stress.
[0037]
Since the heat exchanger (17) that exchanges heat between the exhaust gas from the fuel cell (11) and the supply air is installed, the exhaust heat from the fuel cell (11) can be used effectively, reducing energy loss. be able to. Therefore, the efficiency of the system can be improved. Since the exhaust heat can be used even during the standby operation, an efficient standby operation can be realized.
[0038]
Since the desulfurizer (16) is provided in the fuel supply passage (20), sulfide can be removed from the fuel supplied to the fuel electrode (13) of the fuel cell (11), and the sulfur contained in the fuel. It is possible to prevent the fuel electrode (13) from being poisoned by objects.
[0039]
-Modification-
the abovereferenceIn the embodiment, the power generation operation was stopped during the standby operation, but it is necessary for the auxiliary machine (the first blower (21), the second blower (32), etc.) of the fuel cell system (10A) during the standby operation. You may make a fuel cell (11) perform electric power generation operation | movement only for electric power. As a result, it is not necessary to separately provide a power system for supplying power to the auxiliary machine during standby operation, and the system configuration can be simplified.
[0040]
<Embodiment1>
As shown in FIG.1The fuel cell system (10B) according to the above is provided with an auxiliary combustor (15) outside the fuel cell (11).
[0041]
Embodiment1The fuel cell system (10B) according to the present invention includes a solid electrolyte fuel cell (11) having a fuel electrode (13) and an air electrode (14), and a fuel cell (11). Combustor (12), auxiliary combustor (15), desulfurizer (16), and exhaust gas and air from combustor (12) for mixing and exhausting exhaust gas from air electrode and exhaust gas from air electrode (14) A heat exchanger (17) for exchanging heat with the air supplied to the pole (14).
[0042]
The downstream side of the fuel supply passage (20) is connected to the first port (the left port in the figure) of the three-way valve (22). A main fuel supply passage (18) for introducing fuel to the fuel electrode (13) of the fuel cell (11) is connected to the second port (right port in the figure) of the three-way valve (22). An auxiliary fuel supply passage (23) for introducing fuel to the auxiliary combustor (15) is connected to the third port (lower port in the figure) of the three-way valve (22). The three-way valve (22) is configured to be switchable between a first state that connects the first port and the second port and a second state that connects the first port and the third port.
[0043]
The auxiliary combustor (15) is provided outside the fuel cell (11). An auxiliary fuel supply passage (23) is connected to the fuel introduction portion of the auxiliary combustor (15), and an auxiliary air supply passage (24) is connected to the air introduction portion of the auxiliary combustor (15).
[0044]
The upstream side of the auxiliary air supply passage (24) is connected to the third port (left port in the figure) of the three-way valve (25). A gas transport passage (26) is connected to the first port (right port in the figure) of the three-way valve (25). A main air supply passage (27) connected to the air electrode (14) side of the fuel cell (11) is connected to the second port (upper port in the figure) of the three-way valve (25). The three-way valve (25) is also configured to be switchable between a first state connecting the first port and the second port and a second state connecting the first port and the third port.
[0045]
A combustion gas supply passage (28) for supplying combustion gas generated in the auxiliary combustor (15) is connected to the auxiliary combustor (15). The downstream side of the combustion gas supply passage (28) is connected to the main air supply passage (27). With this configuration, in this embodiment, the combustion gas in the combustion gas supply passage (28) is introduced into the air electrode (14) of the fuel cell (11).
[0046]
Other configurations are:Reference formIt is the same. Various controls such as ON / OFF of the auxiliary combustor (15) and switching of the three-way valves (22, 25) are performed by the controller (33).
[0047]
Also in this embodiment, normal operation is performed when there is power demand, and standby operation is performed when there is no power demand. Next, normal operation and standby operation will be described.
[0048]
During normal operation, as shown in FIG. 2, both the three-way valve (22) and the three-way valve (25) are set to the first state. That is, the fuel supply passage (20) and the main fuel supply passage (18) are connected, and the gas transfer passage (26) and the main air supply passage (27) are connected. The auxiliary combustor (15) stops operation, and the fuel cell (11) and the combustor (12) operate. Further, the third blower (30) is operated, and the fuel gas is recirculated through the fuel return passage (29).
[0049]
Specifically, the fuel gas conveyed by the first blower (21) is desulfurized in the desulfurizer (16), and then circulates through the fuel supply passage (20) and the main fuel supply passage (18). It is introduced into the fuel electrode (13) of (11). On the other hand, the air conveyed by the second blower (32) is preheated by the combustion gas flowing through the combustion gas discharge passage (31) in the heat exchanger (17), and then passes through the main air supply passage (27) to produce fuel. It is introduced into the air electrode (14) of the battery (11).
[0050]
In the fuel cell (11), predetermined cell reactions are respectively performed at the fuel electrode (13) and the air electrode (14). As a result, power generation by the fuel cell (11) is performed.
[0051]
Part of the exhaust gas from the fuel electrode (13) is returned to the main fuel supply passage (18) through the fuel return passage (29). This exhaust gas is reused for the cell reaction in the fuel electrode (13).
[0052]
On the other hand, the remaining exhaust gas discharged from the fuel electrode (13) and the exhaust gas from the air electrode (14) are introduced into the combustor (12). In the combustor (12), both the exhaust gases are mixed and burned.
[0053]
The combustion gas in the combustor (12) flows through the combustion gas discharge passage (31) and flows into the heat exchanger (17). In the heat exchanger (17), the combustion gas exchanges heat with the supply air flowing through the gas transfer passage (26) to heat the supply air. And the combustion gas which flowed out the heat exchanger (17) is discharged | emitted outside the fuel cell system (10B).
[0054]
On the other hand, during the standby operation, as shown in FIG. 3, both the three-way valve (22) and the three-way valve (25) are set to the second state. That is, in the standby operation, the fuel supply passage (20) and the auxiliary fuel supply passage (23) are connected, and the gas transfer passage (26) and the auxiliary air supply passage (24) are connected. The auxiliary combustor (15) operates, and the fuel cell (11) and the combustor (12) do not operate.
[0055]
The fuel conveyed by the first blower (21) is desulfurized in the desulfurizer (16), then flows through the fuel supply passage (20) and the auxiliary fuel supply passage (23), and is introduced into the auxiliary combustor (15). Is done. On the other hand, the air conveyed by the second blower (32) is preheated by the gas flowing through the combustion gas discharge passage (31) in the heat exchanger (17) and then auxiliary combustion through the auxiliary air supply passage (24). Introduced into vessel (15). The fuel and air introduced into the auxiliary combustor (15) are mixed, and combustion is performed in the auxiliary combustor (15).
[0056]
The combustion gas of the auxiliary combustor (15) flows through the combustion gas supply passage (28) and the main air supply passage (27), and is supplied to the air electrode (14) of the fuel cell (11). The combustion gas heats the air electrode (14) when passing through the air electrode (14). As a result, the fuel cell (11) is heated, and the temperature of the fuel cell (11) is maintained at a high operating temperature.
[0057]
The combustion gas that has passed through the air electrode (14) passes through the combustor (12) and the combustion gas discharge passage (31) and flows into the heat exchanger (17). In the heat exchanger (17), the combustion gas exchanges heat with the air flowing through the gas transport passage (26) to preheat the air. And the combustion gas which flowed out the heat exchanger (17) is discharged | emitted outside the system.
[0058]
As described above, according to the present embodiment, the standby operation is performed when there is no power demand, and the fuel cell (11) is heated by the combustion gas of the auxiliary combustor (15). Therefore,Reference formSimilarly to the above, the temperature of the fuel cell (11) can be maintained at a high operating temperature while stopping the power generation operation. Also in this embodiment,Reference formThe same effect can be obtained.
[0059]
Further, according to the present fuel cell system (10B), the three-way valve (22) is provided so that the fuel supply path can be switched. In addition, by providing a first blower (21) in the fuel transfer passage (19) on the upstream side of the three-way valve (22), a blower for supplying fuel to the fuel electrode (13) of the fuel cell (11); A blower for supplying fuel to the auxiliary combustor (15) is shared. That is, the first blower (21) has both the function of supplying fuel to the fuel electrode (13) and the function of supplying fuel to the auxiliary combustor (15).
[0060]
In addition, the air supply path can be switched by providing a three-way valve (25). In addition, a blower for supplying air to the air electrode (14) of the fuel cell (11) by providing a second blower (32) in the gas transport passage (26) upstream of the three-way valve (25); A blower for supplying air to the auxiliary combustor (15) was used in common. That is, the second blower (32) has both the function of supplying air to the air electrode (14) and the function of supplying air to the auxiliary combustor (15).
[0061]
Therefore, according to this embodiment, it is not necessary to install a separate new blower with the installation of the auxiliary combustor (15). Therefore, it is possible to reduce the size and cost of the system by reducing the number of parts.
[0062]
In the above embodiment, the combustion gas of the auxiliary combustor (15) is supplied to the air electrode (14) of the fuel cell (11), but the combustion gas may be supplied to the fuel electrode (13). May be supplied to both the air electrode (14) and the fuel electrode (13).
[0063]
In the present embodiment, when the fuel cell (11) is started, the fuel cell (11) can be preheated by performing an operation similar to the preheating operation. Therefore, it is possible to execute the preheating operation (startup operation) and the standby operation without complicating the system configuration.
[0064]
<Embodiment2>
As shown in FIG.2Fuel cell system (10C) embodiment1In this fuel cell system (10B), the fuel cell (11) is provided with an electric heater (40).
[0065]
The electric heater (40) is one of auxiliary machines of the fuel cell system (10C). In the present embodiment, the electric heater (40) is wound around the fuel cell (11). Of course, the number of electric heaters (40) is not limited to one, and two or three or more electric heaters may be provided.
[0066]
In the present embodiment, during the standby operation, the electric heater (40) is energized, and the fuel cell (11) is heated by the combustor (12) and the electric heater (40). As a result, the temperature of the fuel cell (11) is maintained at a high operating temperature.
[0067]
Therefore, also in this embodiment, the embodiment1The same effect can be obtained.
[0068]
In addition,Reference formIn the fuel cell system (10A), an electric heater (40) may be provided around the fuel cell (11). When the fuel cell (11) performs a power generation operation corresponding to the required power of the auxiliary machine during standby operation, the electric heater (40) may be operated by the power of the fuel cell (11).
[0069]
By the way, when the fuel cell (11) is heated only by conduction heat from the combustor (12) during the standby operation, the temperature decreases from the vicinity of the combustor (12) to the distant place inside the fuel cell (11). Such a non-uniform temperature distribution may occur. However, if the degree of uneven temperature distribution is excessive, thermal stress is generated inside the fuel cell (11), and the components of the fuel cell (11) (electrolyte membrane, fuel electrode, air electrode, interconnector, There is a risk of peeling or cracking in the base tube. Therefore, the installation position of the electric heater (40) is preferably a position that corrects the uneven temperature distribution in the fuel cell (11). For example, the electric heater (40) may be arranged so that the heating amount increases as the part is farther from the combustor (12), and the electric heater (40) is arranged uniformly throughout the fuel cell (11). Also good.
[0070]
<Embodiment3>
As shown in FIG.3The fuel cell system (10D) according to the embodiment1The fuel cell system (10B) is modified, and the air is heated by the combustion gas of the auxiliary combustor (15) during standby operation, and the heated hot air is used as the air electrode of the fuel cell (11). (14) is supplied.
[0071]
In the present embodiment, the gas transfer passage (26) is branched into a main air supply passage (27) and an auxiliary air supply passage (24). The main air supply passage (27) is connected to the air electrode (14) of the fuel cell (11). The auxiliary air supply passage (24) is connected to the auxiliary combustor (15). The auxiliary air supply passage (24) is provided with a closing valve (42).
[0072]
In the combustion gas supply passage (28) and the main air supply passage (27), a heat exchanger (41) for exchanging heat between the combustion gas from the auxiliary combustor (15) and the supply air to the air electrode (14) Is provided. The high temperature side flow path (45) of the heat exchanger (41) is connected to the combustion gas supply passage (28), and the low temperature side flow path (46) is connected to the main air supply passage (27).
[0073]
Other configurations are embodiments1Since it is the same as that, description is abbreviate | omitted.
[0074]
During normal operation, the three-way valve (22) is set to the first state, and the fuel supply passage (20) and the main fuel supply passage (18) are connected. The closing valve (42) is closed. The auxiliary combustor (15) stops operation, and the fuel cell (11) and the combustor (12) operate. Further, the third blower (30) is operated, and the fuel gas is recirculated.
[0075]
The fuel transported by the first blower (21) is desulfurized in the desulfurizer (16), and then passes through the fuel supply passage (20) and the main fuel supply passage (18), and the fuel electrode of the fuel cell (11). Introduced in (13). On the other hand, the air conveyed by the second blower (32) is preheated by the combustion gas flowing through the combustion gas discharge passage (31) in the heat exchanger (17) and then supplied from the gas conveyance passage (26). It is introduced into the air electrode (14) of the fuel cell (11) through the passage (27).
[0076]
In the fuel cell (11), a predetermined cell reaction is performed in each of the fuel electrode (13) and the air electrode (14). Thereby, power generation of the fuel cell (11) is performed.
[0077]
Part of the exhaust gas from the fuel electrode (13) is returned to the main fuel supply passage (18) through the fuel return passage (29).
[0078]
The remaining exhaust gas discharged from the fuel electrode (13) and the exhaust gas from the air electrode (14) are introduced into the combustor (12). In the combustor (12), both the exhaust gases are mixed and burned.
[0079]
The combustion gas of the combustor (12) is discharged through the combustion gas discharge passage (31). At this time, the combustion gas exchanges heat with the supply air from the gas transfer passage (26) in the heat exchanger (17) to heat the supply air.
[0080]
During the standby operation, the three-way valve (22) is set to the second state, and the fuel supply passage (20) and the auxiliary fuel supply passage (23) are connected. The closing valve (42) is opened. The auxiliary combustor (15) operates, and the fuel cell (11) and the combustor (12) do not operate.
[0081]
The fuel conveyed by the first blower (21) is desulfurized in the desulfurizer (16), then flows through the fuel supply passage (20) and the auxiliary fuel supply passage (23), and is introduced into the auxiliary combustor (15). Is done.
[0082]
On the other hand, the air conveyed by the second blower (32) is preheated by the air flowing through the combustion gas discharge passage (31) in the heat exchanger (17), and then supplied to the auxiliary air supply passage (24) and the main air supply. Divide with passage (27).
[0083]
The air flowing into the auxiliary air supply passage (24) is introduced into the auxiliary combustor (15). In the auxiliary combustor (15), the air and the fuel from the auxiliary fuel supply passage (23) are mixed to perform combustion. The combustion gas generated by this combustion flows through the combustion gas supply passage (28) and flows into the high temperature side passage (46) of the heat exchanger (41). And the said combustion gas heat-exchanges with the air which flows through the low temperature side flow path (45) of a heat exchanger (41), and heats the air of a low temperature side flow path (45). Thereafter, the combustion gas is discharged out of the system.
[0084]
On the other hand, the air flowing into the main air supply passage (27) flows into the low temperature side flow path (45) of the heat exchanger (41) and, as described above, the combustion gas flowing through the high temperature side flow path (46) and Perform heat exchange. Thereby, the air flowing through the low temperature side flow path (45) is heated by the combustion gas flowing through the high temperature side flow path (46), and is introduced into the air electrode (14) of the fuel cell (11) as high temperature air. And this hot air passes an air electrode (14), and heats an air electrode (14). As a result, the fuel cell (11) is heated, and the temperature of the fuel cell (11) is maintained at a high temperature.
[0085]
The air that has passed through the air electrode (14) passes through the combustor (12) and flows into the combustion gas discharge passage (31). The air flowing through the combustion gas discharge passage (31) exchanges heat with the air flowing through the gas transfer passage (26) in the heat exchanger (17), and heats the air flowing through the gas transfer passage (26). Thereafter, the air that has flowed out of the heat exchanger (17) is discharged through the combustion gas discharge passage (31).
[0086]
Also in this embodiment, the embodiment1The same effect can be obtained. In addition, in the present embodiment, as described below, the reliability of the fuel cell (11) can be further improved.
[0087]
That is, the embodiment1Then, during standby operation, the combustion gas was supplied to the air electrode (14) of the fuel cell (11). However, since the combustion gas contains some water vapor, the water vapor may condense on the electrode of the air electrode (14), and water droplets may be generated at the electrode. In addition, the combustion gas may contain soot. For this reason, water drops and soot may cause the electrode to deteriorate after a long operation.
[0088]
However, according to the present fuel cell system (10D), during the standby operation, the supply air is heated by the combustion gas of the auxiliary combustor (15), and the supply air having a high temperature is supplied to the air electrode (14). That is, high-temperature air that hardly contains water vapor is supplied to the air electrode (14). Hot air does not contain soot. Thus, the embodiment3According to this, it is possible to prevent the performance deterioration of the air electrode (14). Therefore, the reliability of the fuel cell (11) can be improved.
[0089]
<Other embodiments>
In each of the above embodiments, the fuel cell (11) is heated by a certain amount during the standby operation. However, the temperature of the fuel cell (11) varies depending on outside air conditions (for example, outside air temperature). Therefore, the heating amount may be adjusted so that the temperature of the fuel cell (11) becomes constant. For example, a temperature sensor may be provided in the fuel cell (11), and the amount of heating may be adjusted so that the temperature detected by the temperature sensor becomes a constant temperature during standby operation. The amount of heating can be adjusted by controlling the rotational speed of the blower (21, 32), controlling the flow rate adjusting valve provided in the fuel transfer passage (19), the gas transfer passage (26), or the like. .
[0090]
【The invention's effect】
Claim1According to the described invention, the fuel cell can be maintained at a high temperature by heating the fuel cell with the combustion gas of the auxiliary combustor during the standby operation.
[0091]
Claim2According to the described invention, the exhaust heat of the fuel cell is recovered to the oxygen-containing gas supplied to the auxiliary combustor, so that the amount of heat lost during standby operation can be reduced. Therefore, the efficiency of standby operation can be improved.
[0092]
Claim3According to the described invention, since combustion gas is not introduced into the oxygen electrode of the fuel cell during standby operation, it is possible to prevent water vapor or soot from flowing into the oxygen electrode. Therefore, deterioration of the oxygen electrode of the fuel cell can be prevented, and the quality and reliability of the fuel cell can be improved.
[Brief description of the drawings]
[Figure 1]Reference formIt is a lineblock diagram of the fuel cell system concerning.
FIG. 21It is a block diagram of the fuel cell system which concerns on this, and is a figure which shows the driving | operation operation | movement at the time of normal driving | operation.
FIG. 31It is a block diagram of the fuel cell system which concerns on this, and is a figure which shows the driving | operation operation | movement at the time of standby operation.
FIG. 4 Embodiment2It is a lineblock diagram of the fuel cell system concerning.
FIG. 53It is a lineblock diagram of the fuel cell system concerning.
[Explanation of symbols]
(11) Fuel cell
(12) Combustor
(13) Fuel electrode
(14) Air electrode (oxygen electrode)
(15) Auxiliary combustor
(16) Desulfurizer
(17) Heat exchanger
(18) Main fuel supply passage
(21) First blower
(23) Auxiliary fuel supply passage
(24) Auxiliary air supply passage
(27) Main air supply passage
(32) Second blower
(33) Controller (control means)
(40) Electric heater
Claims (3)
前記燃料電池（11）内に設けられ、前記燃料極（13）からの排ガスと前記酸素極（14）からの排ガスとを混合して燃焼させる燃焼器（12）と、
燃料電池（11）の外部に設けられた補助燃焼器（15）と、
電力需要を検出し、電力需要がないときには、燃料ガス及び酸素含有ガスを前記燃料電池（11）に供給する代わりに前記補助燃焼器（15）に供給し、前記補助燃焼器（15）の燃焼ガスを燃料電池（11）に供給する待機運転を実行する制御手段（33）と
を備えている固体電解質型燃料電池システム。A solid electrolyte fuel cell (11) having a fuel electrode (13) and an oxygen electrode (14);
A combustor (12) provided in the fuel cell (11) for mixing and burning the exhaust gas from the fuel electrode (13) and the exhaust gas from the oxygen electrode (14);
An auxiliary combustor (15) provided outside the fuel cell (11);
When power demand is detected and there is no power demand, fuel gas and oxygen-containing gas are supplied to the auxiliary combustor (15) instead of being supplied to the fuel cell (11), and combustion of the auxiliary combustor (15) is performed. A solid oxide fuel cell system comprising control means (33) for performing a standby operation for supplying gas to the fuel cell (11).
燃料電池（11）からの排ガスと補助燃焼器（15）に供給される酸素含有ガスとを熱交換させる熱交換器（17）を備えている固体電解質型燃料電池システム。The solid oxide fuel cell system according to claim 1 ,
A solid oxide fuel cell system comprising a heat exchanger (17) for exchanging heat between the exhaust gas from the fuel cell (11) and the oxygen-containing gas supplied to the auxiliary combustor (15).
前記燃料電池（11）内に設けられ、前記燃料極（13）からの排ガスと前記酸素極（14）からの排ガスとを混合して燃焼させる燃焼器（12）と、
燃料電池（11）の外部に設けられた補助燃焼器（15）と、
燃料電池（11）の酸素極（14）に供給される酸素含有ガスと補助燃焼器（15）の燃焼ガスとを熱交換させる熱交換器（41）と、
電力需要を検出し、電力需要がないときには、燃料ガス及び酸素含有ガスを前記燃料電池（11）に供給する代わりに前記補助燃焼器（15）に供給し、前記熱交換器（41）において前記補助燃焼器（15）の燃焼ガスによって加熱された酸素含有ガスを燃料電池（11）に供給する待機運転を実行する制御手段（33）と
を備えている固体電解質型燃料電池システム。A solid electrolyte fuel cell (11) having a fuel electrode (13) and an oxygen electrode (14);
A combustor (12) provided in the fuel cell (11) for mixing and burning the exhaust gas from the fuel electrode (13) and the exhaust gas from the oxygen electrode (14);
An auxiliary combustor (15) provided outside the fuel cell (11);
A heat exchanger (41) for exchanging heat between the oxygen-containing gas supplied to the oxygen electrode (14) of the fuel cell (11) and the combustion gas of the auxiliary combustor (15);
When power demand is detected and there is no power demand, fuel gas and oxygen-containing gas are supplied to the auxiliary combustor (15) instead of being supplied to the fuel cell (11), and the heat exchanger (41) A solid oxide fuel cell system comprising: control means (33) for performing a standby operation for supplying an oxygen-containing gas heated by the combustion gas of the auxiliary combustor (15) to the fuel cell (11).
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