JP4570904B2 - Hot standby method of solid oxide fuel cell system and its system - Google Patents

Hot standby method of solid oxide fuel cell system and its system Download PDF

Info

Publication number
JP4570904B2
JP4570904B2 JP2004142970A JP2004142970A JP4570904B2 JP 4570904 B2 JP4570904 B2 JP 4570904B2 JP 2004142970 A JP2004142970 A JP 2004142970A JP 2004142970 A JP2004142970 A JP 2004142970A JP 4570904 B2 JP4570904 B2 JP 4570904B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
carbon
fuel cell
solid oxide
hot standby
oxide fuel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2004142970A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2005327513A (en
Inventor
久孝 矢加部
輝浩 桜井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokyo Gas Co Ltd
Original Assignee
Tokyo Gas Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tokyo Gas Co Ltd filed Critical Tokyo Gas Co Ltd
Priority to JP2004142970A priority Critical patent/JP4570904B2/en
Publication of JP2005327513A publication Critical patent/JP2005327513A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4570904B2 publication Critical patent/JP4570904B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池システムのホットスタンバイ法及びそのホットスタンバイ法を実施するためのシステムに関し、また、固体酸化物形燃料電池システムの運転停止時におけるアノード雰囲気保持法に関する。   The present invention relates to a hot standby method for a solid oxide fuel cell system and a system for carrying out the hot standby method, and also relates to a method for maintaining an anode atmosphere when the operation of the solid oxide fuel cell system is stopped.

固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下適宜SOFCと略称する)は、固体電解質を挟んで燃料極と空気極(酸化剤ガスとして酸素を用いる場合は酸素極)の両電極を配置し、燃料極(アノード)/電解質(固体酸化物電解質)/空気極(カソード)の3層ユニットで構成される。その運転時に、アノード側に燃料を供給し、カソード側に空気、酸素富化空気、酸素等の酸化剤ガスを供給して電気化学反応を起こさせることで電力が取り出される。以下、適宜空気を例にするが、他の酸化剤ガスについても同様である。この燃料電池は、一般的には、作動温度が1000℃程度と高いが、最近では800℃程度以下、例えば750℃程度の作動温度のものも開発されつつある。   A solid oxide fuel cell (hereinafter abbreviated as SOFC as appropriate) has a fuel electrode and an air electrode (oxygen electrode when oxygen is used as the oxidant gas) with a solid electrolyte in between. And a three-layer unit of fuel electrode (anode) / electrolyte (solid oxide electrolyte) / air electrode (cathode). During the operation, electric power is taken out by supplying fuel to the anode side and supplying an oxidant gas such as air, oxygen-enriched air or oxygen to the cathode side to cause an electrochemical reaction. Hereinafter, air is taken as an example as appropriate, but the same applies to other oxidant gases. This fuel cell generally has a high operating temperature of about 1000 ° C., but recently, a fuel cell having an operating temperature of about 800 ° C. or lower, for example, about 750 ° C. is being developed.

カソードに導入される空気中の酸素はカソードで酸化物イオン(O2-)となり、固体酸化物電解質を通ってアノードに至る。ここで、アノードに導入される燃料ガス(水素、一酸化炭素)と反応して電子を放出し、電気と水や一酸化炭素の反応生成物を生成する。カソードでの利用済み空気はカソードオフガスとして排出され、アノードでの利用済み燃料はアノードオフガスとして排出される。単電池一個の電圧は低いため、通常、単電池を複数層積層して構成される。 Oxygen in the air introduced into the cathode reaches the anode through the cathode in oxide ion (O 2-), and the solid oxide electrolyte. Here, it reacts with the fuel gas (hydrogen, carbon monoxide) introduced into the anode to release electrons, thereby generating a reaction product of electricity and water or carbon monoxide. Spent air at the cathode is discharged as cathode offgas, and spent fuel at the anode is discharged as anode offgas. Since the voltage of one unit cell is low, the unit cell is usually configured by stacking a plurality of layers.

SOFCシステムの運転形態としては、連続運転が効率的であるが、その使用用途如何によっては、昼間運転−夜間停止というように頻繁に起動・停止を行う必要性が生じる。停止時間が長い場合には、システムを完全に停止して室温まで降温した状態から再起動を行う、いわゆるコールドスタート法が効率的である。しかし、停止時間が短い場合には、システムを完全には止めず、発電のみ停止して、運転温度に近い温度に保持する、いわゆるホットスタンバイ法を適用し、その状態から直ちに運転を開始する、いわゆるホットスタート法を適用するのが効率的である。また、ホットスタンバイ時にはSOFCのアノード部分が酸化されないように雰囲気制御をする必要がある。   As an operation mode of the SOFC system, continuous operation is efficient, but depending on the usage, it is necessary to frequently start and stop such as daytime operation-nighttime stop. When the stop time is long, a so-called cold start method is effective in which the system is completely stopped and restarted after the temperature is lowered to room temperature. However, when the stop time is short, the system is not completely stopped, only power generation is stopped, and the so-called hot standby method is applied to maintain the temperature close to the operation temperature, and the operation is started immediately from that state. It is efficient to apply a so-called hot start method. Further, it is necessary to control the atmosphere so that the anode portion of the SOFC is not oxidized during hot standby.

しかし、ホットスタンバイ法を適用するには、SOFCシステムを所定の温度に維持するための放熱ロスに見合った余分な熱を供給する必要がある。その保温熱の供給方法としては、電気ヒータを利用する方法や燃料ガスを燃焼させて利用する方法などが考えられる。図1〜2は、電気ヒータを利用する熱供給の場合を示す図で、図1はシステムの発電時、図2はシステムのホットスタンバイ時の状態を示している。SOFCシステムは、SOFCスタックとオフガス燃焼部を断熱材で囲んで構成されるが、それらを断熱容器に収容しても構成される。図1のとおり、システムの運転時には、オフガス燃焼部からの燃焼排ガスは、熱交換器を介して、SOFCスタックへ供給される燃料と空気の加熱に利用される。   However, in order to apply the hot standby method, it is necessary to supply extra heat commensurate with the heat dissipation loss for maintaining the SOFC system at a predetermined temperature. As a method of supplying the heat retaining heat, a method of using an electric heater, a method of using fuel gas by burning, and the like can be considered. 1 and 2 are diagrams showing a case of heat supply using an electric heater. FIG. 1 shows a state during power generation of the system and FIG. 2 shows a state during hot standby of the system. The SOFC system is configured by surrounding the SOFC stack and the off-gas combustion section with a heat insulating material, but is also configured by housing them in a heat insulating container. As shown in FIG. 1, during operation of the system, the flue gas from the off-gas combustion unit is used for heating the fuel and air supplied to the SOFC stack via the heat exchanger.

一方、図2のとおり、システムのホットスタンバイ時には、燃料と空気の供給が停止され、オフガス燃焼部からの燃焼排ガス導出管も封止される。そして、これらに代えて熱源、例えば電気ヒータから放熱ロスに見合った熱が供給される。このように、従来技術でホットスタンバイ法を適用するには、電気ヒータなどにより、システムを所定の温度に維持するための放熱ロスに見合った余分な熱を供給する必要がある。この熱は保温のためだけのものであるので、この熱供給に必要な熱エネルギーを無駄に消費することになる。また、ホットスタンバイ時にはSOFCのアノード部分が酸化されないように雰囲気制御する必要があり、そのための還元ガスの供給方法も問題となる。   On the other hand, as shown in FIG. 2, during the hot standby of the system, the supply of fuel and air is stopped, and the combustion exhaust gas outlet pipe from the off-gas combustion unit is also sealed. Instead of these, heat corresponding to the heat dissipation loss is supplied from a heat source, for example, an electric heater. As described above, in order to apply the hot standby method in the prior art, it is necessary to supply extra heat corresponding to a heat dissipation loss for maintaining the system at a predetermined temperature by an electric heater or the like. Since this heat is only for heat retention, the heat energy required for this heat supply is wasted. Further, it is necessary to control the atmosphere so that the anode portion of the SOFC is not oxidized during hot standby, and the method of supplying the reducing gas for that purpose also becomes a problem.

ところで、SOFCにおいては、水素と一酸化炭素が燃料となるが、メタンはアノードの構成成分である金属、例えばニッケルの触媒作用により水蒸気改質されて水素と一酸化炭素となるので、アノードへ導入する燃料としては水素、一酸化炭素を含む燃料のほか、メタンを含む燃料も利用される。しかし、燃料に炭素数C2以上の炭化水素、すなわちエタン、エチレン、プロパン、ブタン等が含まれていると、SOFCへの配管やアノードで炭素を生成し、これが電気化学反応を阻害して電池性能を劣化させ、長期間、繰り返し作動して使用するSOFCにおいては致命的となる。 By the way, in SOFC, hydrogen and carbon monoxide are used as fuel, but methane is steam-reformed by the catalytic action of a metal that is a component of the anode, such as nickel, to form hydrogen and carbon monoxide. In addition to fuel containing hydrogen and carbon monoxide, fuel containing methane is also used. However, the carbon number of C 2 and higher hydrocarbons in the fuel, i.e. ethane, ethylene, propane and butane are contained, to produce carbon in piping and the anode of the SOFC, which inhibit the electrochemical reaction cell The performance deteriorates, and it becomes fatal in the SOFC that is used repeatedly for a long time.

このため、析出炭素は可及的に無くする必要があるが、それに代えて、析出炭素を再度燃料電池の燃料として利用する技術も開発されつつある。例えば特開2003−327411号公報には、析出炭素を電解質膜を透過して酸化剤ガス通路からアノードに供給された酸素と反応させて一酸化炭素に転化し、燃料として再度利用することが開示されている。図10は、そこに開示されている炭素利用燃料電池を示す図である。   For this reason, it is necessary to eliminate deposited carbon as much as possible, but instead, a technique for using the deposited carbon again as a fuel for a fuel cell is being developed. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2003-327411 discloses that precipitated carbon permeates through an electrolyte membrane and reacts with oxygen supplied to an anode from an oxidant gas passage to be converted into carbon monoxide and reused as a fuel. Has been. FIG. 10 is a diagram showing a carbon-based fuel cell disclosed therein.

特開2003−327411号公報JP 2003-327411 A

図10のとおり、その炭素利用燃料電池は、平板型改質部及び平板型発電部の単セル3層膜構造からなり、発電部は、平板型の電解質膜1、陽極電極2、陰極電極3及びセパレータ6を備えた従来構成のSOFCからなる。そして改質部は、発電部と同じく、平板型の3層膜構造を備えており、電解質膜11の各面にカソード12及びアノード13を一体化した構成を有する。空気流を流通可能な空気通路14が、カソード12と平板型セパレータ16との間に形成される。燃料通路15に供給されたメタンは、空気通路14との酸素分圧差により、電解質膜11を透過した酸素イオンと反応して一酸化炭素と水素に転換するのと同時に、クラッキング反応(CH4→C+2H2)により炭素が析出する。 As shown in FIG. 10, the carbon-based fuel cell has a single cell three-layer film structure of a flat plate reforming unit and a flat plate power generation unit. The power generation unit includes a flat plate electrolyte membrane 1, an anode electrode 2, and a cathode electrode 3. And a conventional SOFC with a separator 6. The reforming section, like the power generation section, has a flat plate type three-layer film structure, and has a configuration in which the cathode 12 and the anode 13 are integrated on each surface of the electrolyte membrane 11. An air passage 14 through which an air flow can flow is formed between the cathode 12 and the flat plate separator 16. Methane supplied to the fuel passage 15 reacts with oxygen ions permeated through the electrolyte membrane 11 due to a difference in oxygen partial pressure with the air passage 14 to be converted into carbon monoxide and hydrogen, and at the same time, cracking reaction (CH 4 → Carbon is precipitated by C + 2H 2 ).

クラッキング反応は吸熱反応であるが、従来の水蒸気改質反応に比べて遙かに小さい反応熱を要するにすぎない。析出した炭素は、電気化学反応:C+O2-→CO+2eにより酸化し、一酸化炭素に転化する。この反応は、部分酸化発熱反応であり、この反応熱によりクラッキング反応に要する熱を補う。こうして、比較的多量の水素及び一酸化炭素を含む改質ガスが燃料通路15に生成し、改質ガスは改質ガス通路5に供給され、発電部での発熱反応が進行する。その際、所望により比較的少量の水蒸気が燃料流路15に供給され、燃料ガスの水蒸気改質反応が燃料流路において同時に進行する。水蒸気の供給は、クラッキング反応時に析出した炭素の蓄積を防止する上で有効である。 Although the cracking reaction is an endothermic reaction, it only requires much smaller reaction heat than the conventional steam reforming reaction. The deposited carbon is oxidized by an electrochemical reaction: C + O 2− → CO + 2e, and converted to carbon monoxide. This reaction is a partial oxidation exothermic reaction, and this heat of reaction supplements the heat required for the cracking reaction. Thus, a reformed gas containing a relatively large amount of hydrogen and carbon monoxide is generated in the fuel passage 15, and the reformed gas is supplied to the reformed gas passage 5, so that an exothermic reaction in the power generation unit proceeds. At that time, if desired, a relatively small amount of water vapor is supplied to the fuel flow path 15, and the steam reforming reaction of the fuel gas proceeds simultaneously in the fuel flow path. The supply of water vapor is effective in preventing accumulation of carbon precipitated during the cracking reaction.

本発明は、SOFCへ供給する炭化水素系燃料からの析出炭素を積極的に利用してホットスタンバイ時の熱として利用するSOFCシステムのホットスタンバイ法及びそのホットスタンバイ法を実施するためのシステムを提供することを目的とし、併せて、SOFCシステム運転停止時のアノード雰囲気保持法を提供することを目的とするものである。   The present invention provides a hot standby method for a SOFC system that actively uses precipitated carbon from hydrocarbon fuel supplied to the SOFC and uses it as heat during hot standby, and a system for implementing the hot standby method. In addition, an object of the present invention is to provide a method for maintaining the anode atmosphere when the SOFC system is stopped.

本発明は、(1)固体酸化物形燃料電池スタックとオフガス燃焼部を含む固体酸化物形燃料電池システムのホットスタンバイ法であって、固体酸化物形燃料電池スタックへの燃料供給管に炭化水素系燃料の熱分解用触媒層を配置し、システムの運転時に、熱分解用触媒層により炭化水素系燃料から水素及び炭素を生成して、水素はスタックでの発電用に利用するとともに、炭素を触媒に析出させ、システムの運転停止時に、触媒上に析出した炭素をシステムの保温用に利用することを特徴とする析出炭素を利用する固体酸化物形燃料電池システムのホットスタンバイ法及びそのホットスタンバイ法を実施するためのシステムを提供する。   The present invention relates to (1) a hot standby method of a solid oxide fuel cell system including a solid oxide fuel cell stack and an off-gas combustion section, wherein a hydrocarbon is provided in a fuel supply pipe to the solid oxide fuel cell stack. The catalyst layer for thermal decomposition of the system fuel is arranged, and when the system is operated, hydrogen and carbon are generated from the hydrocarbon fuel by the catalyst layer for thermal decomposition, and the hydrogen is used for power generation in the stack, and the carbon is used. A hot standby method for a solid oxide fuel cell system using precipitated carbon, wherein the carbon is deposited on the catalyst and the carbon deposited on the catalyst is used to keep the system warm when the system is shut down. Provide a system for implementing the law.

本発明は、(2)固体酸化物形燃料電池スタックとオフガス燃焼部を含む固体酸化物形燃料電池システムのホットスタンバイ法であって、固体酸化物形燃料電池スタックへの燃料供給管及び酸化剤供給管に炭素利用燃料電池を配置し、システムの運転時に、炭素利用燃料電池により炭化水素系燃料から水素及び炭素を生成して、水素はスタックでの発電用に利用するとともに、炭素利用燃料電池に炭素を析出させ、システムの運転停止時に、析出炭素を発電兼システムの保温用に利用することを特徴とする析出炭素を利用する固体酸化物形燃料電池システムのホットスタンバイ法及びそのホットスタンバイ法を実施するためのシステムを提供する。   The present invention relates to (2) a hot standby method of a solid oxide fuel cell system including a solid oxide fuel cell stack and an off-gas combustion section, and a fuel supply pipe and an oxidant for the solid oxide fuel cell stack A carbon-based fuel cell is arranged in the supply pipe, and when the system is operated, hydrogen and carbon are generated from the hydrocarbon-based fuel by the carbon-based fuel cell, and the hydrogen is used for power generation in the stack. And a hot standby method for a solid oxide fuel cell system using precipitated carbon, wherein the deposited carbon is used for heat generation and heat retention when the system is shut down. A system for implementing the above is provided.

本発明は、(3)固体酸化物形燃料電池スタックとオフガス燃焼部を含む固体酸化物形燃料電池システムのアノード雰囲気保持法であって、固体酸化物形燃料電池スタックへの燃料供給管に炭化水素系燃料の熱分解用触媒層を配置し、システムの運転時に、熱分解用触媒層により炭化水素系燃料から水素及び炭素を生成して、水素はスタックでの発電用に利用するとともに、炭素を触媒に析出させ、システムの運転停止時に、オフガス燃焼部からの燃焼排ガスを熱分解用触媒層に通して、析出炭素を一酸化炭素及び水素に変え、システムのアノード雰囲気の保持に利用することを特徴とする析出炭素を利用する固体酸化物形燃料電池システムのアノード雰囲気保持法を提供する。   The present invention is (3) a method for maintaining an anode atmosphere of a solid oxide fuel cell system including a solid oxide fuel cell stack and an off-gas combustion section, and carbonizing a fuel supply pipe to the solid oxide fuel cell stack A catalyst layer for thermal decomposition of hydrogen-based fuel is arranged, and during operation of the system, hydrogen and carbon are generated from hydrocarbon-based fuel by the catalyst layer for thermal decomposition, and hydrogen is used for power generation in the stack, and carbon When the system is shut down, the flue gas from the off-gas combustion section is passed through the pyrolysis catalyst layer to convert the deposited carbon into carbon monoxide and hydrogen, which is used to maintain the anode atmosphere of the system. A method for maintaining the anode atmosphere of a solid oxide fuel cell system using precipitated carbon is characterized.

本発明によれば、従来のSOFCシステムのホットスタンバイ時に問題となっていた、SOFCシステム保温用の熱供給を、熱分解用触媒層または炭素利用燃料電池のアノードへの析出炭素を利用して効果的に行うことができる。加えて、熱分解用触媒層または炭素利用燃料電池を用いることで、保温用の熱量は、自由に調整可能であり、またアノードの還元雰囲気保持用の還元ガスも同時に供給することができる。   According to the present invention, the heat supply for maintaining the temperature of the SOFC system, which has been a problem during the hot standby of the conventional SOFC system, can be effectively obtained by utilizing the deposited carbon on the pyrolysis catalyst layer or the anode of the carbon-based fuel cell. Can be done automatically. In addition, by using a thermal decomposition catalyst layer or a carbon-based fuel cell, the amount of heat for heat retention can be freely adjusted, and a reducing gas for maintaining the reducing atmosphere of the anode can be simultaneously supplied.

〈熱分解用触媒層利用のSOFCシステムのホットスタンバイ法及びシステム〉
本発明(1)は、析出炭素を利用するSOFCシステムのホットスタンバイ法及びそのホットスタンバイ法を実施するためのシステムである。そして、SOFCスタックへの燃料供給管に炭化水素系燃料の熱分解用触媒層を配置し、システムの運転時に、熱分解用触媒層により炭化水素系燃料から水素及び炭素を生成して、水素はリアルタイムで発電用の燃料として利用するとともに、触媒に炭素を析出させ、システムの運転停止時に、触媒上に析出した炭素をシステムの保温用に利用することを特徴とする。
<Hot standby method and system of SOFC system using catalyst layer for thermal decomposition>
The present invention (1) is a SOFC system hot standby method using precipitated carbon and a system for implementing the hot standby method. Then, a catalyst layer for pyrolysis of hydrocarbon fuel is arranged in the fuel supply pipe to the SOFC stack, and during operation of the system, hydrogen and carbon are generated from the hydrocarbon fuel by the catalyst catalyst for pyrolysis. In addition to being used as a fuel for power generation in real time, carbon is deposited on the catalyst, and the carbon deposited on the catalyst is used for heat retention of the system when the system is stopped.

本発明で対象とするSOFCシステムは、SOFCスタックとオフガス燃焼部を含むSOFCシステムである。これらは断熱材で囲んで構成されるが、それらを断熱容器に収容しても構成される。そして、SOFCスタックへの燃料供給管に炭化水素系燃料の熱分解用触媒層を配置する。熱分解用触媒層は、容器中に、熱分解用触媒を粒状、ペレット状、錠剤状その他適宜の形状で収容し、これに燃料導入管を連結するとともに、相対する側に燃料導出管を連結することで構成される。   The SOFC system targeted in the present invention is an SOFC system including an SOFC stack and an off-gas combustion section. These are configured by being surrounded by a heat insulating material, but are also configured by accommodating them in a heat insulating container. Then, a catalyst layer for thermal decomposition of hydrocarbon fuel is disposed in the fuel supply pipe to the SOFC stack. The thermal decomposition catalyst layer accommodates the thermal decomposition catalyst in a granular, pellet, tablet or other suitable shape in a container, and connects a fuel introduction pipe to this and a fuel outlet pipe on the opposite side. It is composed by doing.

システム運転時に、熱分解用触媒層により炭化水素系燃料から水素及び炭素を生成し、水素はリアルタイムで発電用の燃料として利用し、同時に炭素を熱分解用触媒に析出させる。そして、SOFCシステムの運転停止時に、熱分解用触媒層に析出させた炭素をオフガス燃焼部からの燃焼排ガスにより一酸化炭素及び水素に変え、その発生熱をシステムの保温用に利用する。燃焼排ガスは必要量を利用する。また、一酸化炭素及び水素は還元ガスであるので、SOFCスタックのアノードを還元雰囲気に保ち、アノード部分の酸化を防ぐことができる。   During system operation, hydrogen and carbon are produced from the hydrocarbon-based fuel by the thermal decomposition catalyst layer, and hydrogen is used as a fuel for power generation in real time, and at the same time, carbon is deposited on the thermal decomposition catalyst. When the operation of the SOFC system is stopped, the carbon deposited on the thermal decomposition catalyst layer is converted into carbon monoxide and hydrogen by the combustion exhaust gas from the off-gas combustion section, and the generated heat is used for heat retention of the system. The required amount of combustion exhaust gas is used. Moreover, since carbon monoxide and hydrogen are reducing gases, the anode of the SOFC stack can be kept in a reducing atmosphere, and oxidation of the anode portion can be prevented.

〈炭素利用燃料電池利用のSOFCシステムのホットスタンバイ法及びシステム〉
本発明(2)は、析出炭素を利用するSOFCシステムのホットスタンバイ法及びそのホットスタンバイ法を実施するためのシステムである。そして、SOFCスタックへの燃料供給管及び酸化剤供給管に炭素利用燃料電池を配置し、システムの運転時に、炭素利用燃料電池により炭化水素系燃料から水素及び炭素を生成して、水素は発電用の燃料として利用するとともに、炭素利用燃料電池に炭素を析出させ、システムの運転停止時に、炭素利用燃料電池上に析出した炭素を発電兼システムの保温用に利用することを特徴とする。
<Hot standby method and system of SOFC system using carbon fuel cell>
The present invention (2) is a SOFC system hot standby method using precipitated carbon and a system for implementing the hot standby method. Carbon fuel cells are arranged in the fuel supply pipe and oxidant supply pipe to the SOFC stack, and during operation of the system, hydrogen and carbon are generated from hydrocarbon fuel by the carbon fuel cell, and the hydrogen is used for power generation. In addition, the carbon is deposited on the carbon-based fuel cell, and the carbon deposited on the carbon-based fuel cell is used for heat retention of the power generation and system when the system is stopped.

本発明で対象とするSOFCシステムは、SOFCスタックとオフガス燃焼部を含むSOFCシステムである。これらは断熱材で囲んで構成されるが、それらを断熱容器に収容しても構成される。そして、SOFCスタックへの燃料供給管及び酸化剤供給管(酸化剤が空気の場合は空気供給管)に炭素利用燃料電池を配置する。炭素利用燃料電池は、SOFCと同様の構造でよく、例えば平板型の電解質膜の両面に、それぞれアノード及びカソードを積層配置し、アノードの面及びカソードの面に対してそれぞれ間隔を置いてセパレータを配置することで構成される。アノードの面とセパレータ間が燃料流路となり、カソードの面とセパレータ間が空気流路となる。SOFCシステム及び炭素利用燃料電池は、断熱材で囲むが、断熱容器に収容してもよい。   The SOFC system targeted in the present invention is an SOFC system including an SOFC stack and an off-gas combustion section. These are configured by being surrounded by a heat insulating material, but are also configured by accommodating them in a heat insulating container. Then, a carbon-based fuel cell is disposed in a fuel supply pipe and an oxidant supply pipe to the SOFC stack (or an air supply pipe when the oxidant is air). The carbon-based fuel cell may have a structure similar to that of SOFC. For example, an anode and a cathode are stacked on both sides of a flat electrolyte membrane, and separators are provided at intervals with respect to the anode surface and the cathode surface, respectively. It is composed by arranging. A fuel flow path is formed between the anode surface and the separator, and an air flow path is formed between the cathode surface and the separator. The SOFC system and the carbon-based fuel cell are surrounded by a heat insulating material, but may be accommodated in a heat insulating container.

アノードの面とセパレータ間が燃料流路となり、カソードの面とセパレータ間が空気流路となるので、SOFCスタックへの燃料供給管を燃料流路の一方の側に臨ませ、SOFCスタックへの空気供給管を空気流路の一方の側に臨ませる。そして、それら燃料流路及び空気流路を、それぞれ、SOFCスタックへの燃料供給管及び空気供給管に連結する。こうして、炭素利用燃料電池を経た燃料流路はSOFCスタックのアノード側に連結され、空気流路の他端はSOFCスタックのアノード側に連結される。   Since the fuel flow path is between the anode surface and the separator, and the air flow path is between the cathode surface and the separator, the fuel supply pipe to the SOFC stack faces one side of the fuel flow path, and the air to the SOFC stack The supply pipe faces one side of the air flow path. The fuel flow path and the air flow path are connected to a fuel supply pipe and an air supply pipe to the SOFC stack, respectively. Thus, the fuel flow path through the carbon-based fuel cell is connected to the anode side of the SOFC stack, and the other end of the air flow path is connected to the anode side of the SOFC stack.

SOFCシステムの運転時に、炭素利用燃料電池により炭化水素系燃料から水素及び炭素を生成し、水素はリアルタイムで発電用の燃料として利用し、炭素は炭素利用燃料電池のアノードに析出させる。そして、SOFCシステムの運転停止時に、空気供給管からの空気を炭素利用燃料電池のアノードに通して、そこに析出させた炭素を一酸化炭素及び水素に変え、その発生熱をシステムの保温用に利用する。また、一酸化炭素及び水素は還元ガスであるので、SOFCスタックのアノードを還元雰囲気に保ち、アノード部分の酸化を防ぐことができる。   During operation of the SOFC system, hydrogen and carbon are generated from hydrocarbon fuel by a carbon-based fuel cell, hydrogen is used as a fuel for power generation in real time, and carbon is deposited on the anode of the carbon-based fuel cell. When the SOFC system is shut down, the air from the air supply pipe is passed through the anode of the carbon-based fuel cell, the carbon deposited there is converted into carbon monoxide and hydrogen, and the generated heat is used to keep the system warm. Use. Moreover, since carbon monoxide and hydrogen are reducing gases, the anode of the SOFC stack can be kept in a reducing atmosphere, and oxidation of the anode portion can be prevented.

ここで、本発明における熱分解用触媒層もしくは炭素利用燃料電池でのメタンのクラッキング反応すなわち熱分解反応は吸熱反応であり、下記式(1)で表される。式(1)のとおり、メタンはクラッキング反応により炭素と水素を生成する。この平衡反応は900℃程度で90%に近いが、温度が低下するとともに低下し、600℃では約29%になり、また、反応速度も温度低下とともに低下する。このため、温度をコントロールすることにより炭素析出の反応をコントロールすることができる。   Here, the cracking reaction of methane in the catalyst layer for thermal decomposition or the carbon-based fuel cell in the present invention, that is, the thermal decomposition reaction, is an endothermic reaction and is represented by the following formula (1). As shown in formula (1), methane generates carbon and hydrogen by a cracking reaction. Although this equilibrium reaction is close to 90% at about 900 ° C., it decreases as the temperature decreases, to about 29% at 600 ° C., and the reaction rate also decreases as the temperature decreases. For this reason, the reaction of carbon deposition can be controlled by controlling the temperature.

Figure 0004570904
Figure 0004570904

一方、析出した炭素を燃料とする電池反応は、発熱反応であり、下記式(2)で表される。また、析出炭素に水蒸気もしくは二酸化炭素を供給すると、下記式(3)〜(4)の反応が起こり、両反応はいずれも吸熱反応である。これら(2)〜(4)の反応をオーバーオールでみると、発熱反応であり(−393+131.3+172.4=−89.3 kJ)、式(3)の反応が支配的となる。析出炭素の除去には、これら(2)〜(4)の反応をオーバーオールで利用してもよく、(2)〜(4)の反応のうち一種または二種を利用してもよい。   On the other hand, the cell reaction using the deposited carbon as a fuel is an exothermic reaction and is represented by the following formula (2). Further, when water vapor or carbon dioxide is supplied to the precipitated carbon, reactions of the following formulas (3) to (4) occur, and both reactions are endothermic reactions. When these reactions (2) to (4) are viewed as overalls, they are exothermic reactions (−393 + 131.3 + 172.4 = −89.3 kJ), and the reaction of the formula (3) becomes dominant. For the removal of precipitated carbon, these reactions (2) to (4) may be used as overalls, or one or two of the reactions (2) to (4) may be used.

Figure 0004570904
Figure 0004570904

本発明においては、SOFCシステムに炭化水素系燃料の熱分解用触媒層もしくは炭素利用燃料電池を組み合わせて、これらの反応(1)〜(4)をSOFCシステムのホットスタンバイ法に利用する。このうち、炭素の析出には(1)の反応を利用し、析出炭素の除去には、(2)〜(4)の反応のうちの一種または二種以上を利用する。オフガス燃焼部からの燃焼排ガスはその成分として酸素(O2)、水蒸気(H2O)及び二酸化炭素(CO2)を含むので、上記式(2)の反応に必要な酸素源としてオフガス燃焼部からの燃焼排ガスを利用し、上記式(3)〜(4)の反応に必要な水蒸気及び二酸化炭素源としてオフガス燃焼部からの燃焼排ガスを利用するものである。 In the present invention, a catalyst layer for thermal decomposition of a hydrocarbon fuel or a carbon-based fuel cell is combined with the SOFC system, and these reactions (1) to (4) are used for the hot standby method of the SOFC system. Among these, the reaction (1) is used for carbon precipitation, and one or more of the reactions (2) to (4) are used for removal of the precipitated carbon. The combustion exhaust gas from the off-gas combustion section contains oxygen (O 2 ), water vapor (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ) as its components, so that the off-gas combustion section is used as an oxygen source necessary for the reaction of the above formula (2). Is used as the water vapor and carbon dioxide source necessary for the reactions of the above formulas (3) to (4).

〈熱分解触媒層を利用するホットスタンバイ法及びシステムの具体的態様〉
熱分解触媒層を利用する場合には、SOFCシステムに炭化水素の熱分解用触媒層を組み合わせる。図3〜4はその態様を示す図で、図3はシステムでの発電時、図4はシステムのホットスタンバイ時の状態である。本SOFCシステムは、SOFCスタックとオフガス燃焼部を断熱材で囲んで構成されるが、それらは断熱容器に収容してもよい。図3〜4のとおり、通常のSOFCシステムにおいて、燃料供給管に炭化水素の熱分解用触媒層21を配置する。そして、オフガス燃焼部からの燃焼排ガス排出管23から分岐させた燃焼排ガスの再循環ライン24を設ける。
<Specific embodiment of hot standby method and system using thermal decomposition catalyst layer>
When using a pyrolysis catalyst layer, a hydrocarbon pyrolysis catalyst layer is combined with the SOFC system. FIGS. 3 to 4 are diagrams showing such modes. FIG. 3 is a state during power generation in the system, and FIG. 4 is a state during hot standby of the system. The SOFC system is configured by surrounding the SOFC stack and the off-gas combustion section with a heat insulating material, but they may be housed in a heat insulating container. As shown in FIGS. 3 to 4, in a normal SOFC system, a hydrocarbon pyrolysis catalyst layer 21 is arranged in a fuel supply pipe. And the recirculation line 24 of the combustion exhaust gas branched from the combustion exhaust gas discharge pipe 23 from an off-gas combustion part is provided.

その熱分解用触媒としては、都市ガス、天然ガス、石油ガス等の炭化水素系燃料をクラッキング、すなわち熱分解して炭素を析出し得る触媒であれば特に限定はないが、その例としては鉄触媒、鉄−ニッケル触媒、酸化バナジウム触媒などが挙げられる。これらは粒状、ペレット状、錠剤状その他適宜の形状で用いることができる。   The catalyst for pyrolysis is not particularly limited as long as it is a catalyst capable of cracking hydrocarbon fuels such as city gas, natural gas, and petroleum gas, that is, pyrolyzing to deposit carbon, but examples thereof include iron. Examples include catalysts, iron-nickel catalysts, and vanadium oxide catalysts. These can be used in the form of granules, pellets, tablets and other appropriate shapes.

図3のとおり、SOFCシステムでの発電時には、炭化水素系燃料をSOFCスタックに供給する前に、熱分解用触媒層21に通し、ここで炭素を析出させる。この時、オフガス燃焼部からの排ガス再循環ライン24は閉止している。そして、図4のとおり、SOFCシステムの運転停止時には、燃料の供給を止めるとともに、燃焼排ガス再循環ライン24を開放し、オフガス燃焼部からの燃焼排ガスを熱分解用触媒層21に再循環させる。この時、空気は引き続きスタックに供給する。システムの運転は停止しているので、空気はSOFCスタックの部分を通過してオフガス燃焼部に入る。   As shown in FIG. 3, during power generation in the SOFC system, before supplying the hydrocarbon-based fuel to the SOFC stack, the fuel is passed through the thermal decomposition catalyst layer 21 to deposit carbon. At this time, the exhaust gas recirculation line 24 from the off-gas combustion section is closed. Then, as shown in FIG. 4, when the operation of the SOFC system is stopped, the fuel supply is stopped, the combustion exhaust gas recirculation line 24 is opened, and the combustion exhaust gas from the off-gas combustion part is recirculated to the thermal decomposition catalyst layer 21. At this time, air continues to be supplied to the stack. Since the system is shut down, air passes through the SOFC stack and enters the off-gas combustion section.

この時点以降、前記式(3)により、析出炭素が燃焼排ガス中の水蒸気と反応して、水素と一酸化炭素が生成する。運転停止時のシステムとしてのオーバーオールの反応は実質上前記式(3)の反応のみである。生成したそれらのガス(還元性ガス)は、SOFCスタックの部分を通過してオフガス燃焼部に入り、ここで空気と混合して燃焼し、熱を発生する。この発生熱によりSOFCスタックを加熱し、ホットスタンバイ時の保温を行うことができる。また、燃焼排ガスの再循環量を制御することにより、時間当たりのSOFCシステムでの発熱量を調整することができる。図3〜4中、V1はそのための弁(三方弁)である。三方弁に加え、再循環ライン24に流量制御弁を配置してもよい。   From this point onward, according to the equation (3), the precipitated carbon reacts with the water vapor in the combustion exhaust gas to produce hydrogen and carbon monoxide. The overall reaction as a system at the time of shutdown is substantially only the reaction of the above formula (3). The generated gases (reducing gases) pass through the SOFC stack and enter the off-gas combustion section where they are mixed with air and burned to generate heat. The generated heat can be used to heat the SOFC stack to keep warm during hot standby. Further, the amount of heat generated in the SOFC system per hour can be adjusted by controlling the recirculation amount of the combustion exhaust gas. 3-4, V1 is a valve (three-way valve) for it. In addition to the three-way valve, a flow control valve may be disposed in the recirculation line 24.

また、析出炭素が燃焼排ガス中の水蒸気と反応して生成する水素と一酸化炭素は還元性のガスであり、このガスは燃料供給管22を介してSOFCスタックのアノードを通ってオフガス燃焼部に入るので、アノードを還元雰囲気に保持することができる。   Hydrogen and carbon monoxide produced by the reaction of precipitated carbon with water vapor in the combustion exhaust gas are reducing gases, and this gas passes through the fuel supply pipe 22 and the anode of the SOFC stack to the off-gas combustion section. Thus, the anode can be maintained in a reducing atmosphere.

〈炭素利用燃料電池を利用するホットスタンバイ法及びシステムの具体的態様〉
炭素利用燃料電池を利用する場合には、SOFCシステムに炭素利用燃料電池を組み合わせる。図5〜6はその態様を示す図で、図5はシステムでの発電時、図6はシステムのホットスタンバイ時である。図5〜6のとおり、通常のSOFCシステムにおいて、燃料供給管26及び空気供給管27の途中に炭素利用燃料電池25を配置する。
<Specific embodiment of hot standby method and system using carbon fuel cell>
When using a carbon-based fuel cell, the carbon-based fuel cell is combined with the SOFC system. FIGS. 5 to 6 are diagrams showing such modes. FIG. 5 is a system during power generation, and FIG. 6 is a system hot standby. As shown in FIGS. 5 to 6, in a normal SOFC system, the carbon-based fuel cell 25 is disposed in the middle of the fuel supply pipe 26 and the air supply pipe 27.

本発明で用いる炭素利用燃料電池の構成は、前述図10における改質部のように、基本的には従来のSOFCの構成と相違はなく、一般的なSOFCの構成でよい。この燃料電池の役割は、ホットスタンバイ時にそこで発電した電流を電気ヒータに繋いで発熱させ、システムを保温するだけでよいので、一層の単電池でよいが、複数層積層して構成してもよい。図7にその一層の構成例を示している。図7のとおり、固体電解質を挟んでアノードとカソードの両電極を配置して構成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に空気を供給して電気化学反応を起こさせることで電力が取り出される。本発明ではこの電力を電気ヒータの電源とする。   The configuration of the carbon-based fuel cell used in the present invention is basically the same as the conventional SOFC configuration as in the reforming section in FIG. 10, and may be a general SOFC configuration. The role of this fuel cell is to connect the electric power generated there during hot standby to an electric heater to generate heat and keep the system warm, so a single cell may be used, but multiple layers may be stacked. . FIG. 7 shows a further example of the configuration. As shown in FIG. 7, the anode and the cathode are arranged with the solid electrolyte sandwiched between them. Fuel is supplied to the anode side, and air is supplied to the cathode side to cause an electrochemical reaction. It is. In the present invention, this electric power is used as a power source for the electric heater.

図5のとおり、SOFCシステムでの発電時には、都市ガス等の炭化水素系燃料または水素、一酸化炭素、メタンへの予備改質済みの燃料と空気をSOFCスタックに供給する前に、炭素利用燃料電池25に通し、そのアノードに炭素を析出させる。この時、炭素利用燃料電池25は閉回路となっており、発電は行わない。燃料及び空気は、炭素利用燃料電池25を通過した後、SOFCスタックに導入される。   As shown in FIG. 5, when generating power in the SOFC system, before using the hydrocarbon fuel such as city gas or the fuel and air preliminarily reformed to hydrogen, carbon monoxide and methane and the air to the SOFC stack, Through the battery 25, carbon is deposited on the anode. At this time, the carbon-based fuel cell 25 is a closed circuit and does not generate power. The fuel and air are introduced into the SOFC stack after passing through the carbon-based fuel cell 25.

SOFCシステムの運転停止時には、図6のとおり、燃料の供給を止め、空気を通して炭素利用燃料電池25のアノード部分で析出した炭素を利用して炭素利用燃料電池25で発電を行う。すなわち、アノードに析出させていた炭素が、アノードで、カソードから電解質膜を透過した酸素イオンと反応して一酸化炭素と水素に転換し、発電する。発電した電力を用いて電気ヒータ28により発熱させ、その熱をシステムの保温用に使用する。   When the operation of the SOFC system is stopped, as shown in FIG. 6, the fuel supply is stopped, and the carbon-based fuel cell 25 generates power using the carbon deposited at the anode portion of the carbon-based fuel cell 25 through the air. That is, carbon deposited on the anode reacts with oxygen ions that have permeated the electrolyte membrane from the cathode, and is converted into carbon monoxide and hydrogen to generate electricity. The generated electric power is used to generate heat by the electric heater 28, and the heat is used to keep the system warm.

この時、炭素利用燃料電池部分でも発熱が起こる。その熱は炭素利用燃料電池25からのガスに伴れて燃料供給管26及び空気供給管27を経てSOFCスタックに導入されるので、電気ヒータ28による発熱と併せてシステムの保温用に利用する。炭素利用燃料電池を利用するSOFCシステムに関しても、運転停止時の反応をシステム全体としてオーバーオールで見れば、発熱反応であり、前記式(3)の反応が支配的となる。   At this time, heat generation also occurs in the carbon-based fuel cell portion. The heat is introduced into the SOFC stack along with the gas from the carbon-based fuel cell 25 through the fuel supply pipe 26 and the air supply pipe 27, so that it is used for heat insulation of the system together with the heat generated by the electric heater 28. Regarding the SOFC system using a carbon-based fuel cell as well, the reaction at the time of operation stoppage is an exothermic reaction when the overall system is viewed as an overall reaction, and the reaction of the above formula (3) becomes dominant.

また、本発明の炭素利用燃料電池を利用するホットスタンバイ法及びシステムにおいては、SOFCシステムとともに炭素利用燃料電池を断熱材で囲むか、あるいは断熱容器の中に配置することもできる。図8はその態様を示す図である。図8のように、断熱容器の中に炭素利用燃料電池25をSOFCシステムに近接させて配置する。これにより、炭素利用燃料電池25からの放熱を少なくし、システムのホットスタンバイ時の保温効果をより有効に行うことができる。その他の点は上記態様と同様である。   In addition, in the hot standby method and system using the carbon-based fuel cell of the present invention, the carbon-based fuel cell can be surrounded with a heat insulating material together with the SOFC system or disposed in a heat insulating container. FIG. 8 is a diagram showing this aspect. As shown in FIG. 8, the carbon-based fuel cell 25 is disposed in the heat insulating container close to the SOFC system. Thereby, the heat radiation from the carbon-based fuel cell 25 can be reduced, and the heat retention effect during the hot standby of the system can be more effectively performed. Other points are the same as in the above embodiment.

さらに、本発明の炭素利用燃料電池を利用するホットスタンバイ法及びシステムでは、通常の平板型SOFCスタックを構成するセルのうち燃料入口付近のセルを炭素利用燃料電池として利用するようにすることもできる。図9はその態様を模式的に示す図である。図9中セパレータ等の記載は省略している。図9のように、複数個のセルを積層して構成したSOFCスタックを構成するセルのうち、燃料入口付近のセルを炭素利用燃料電池として利用する。図9では、SOFCスタックを構成するセルのうち炭素利用燃料電池として利用するセルとそれ以外のセルグループとの間にスペーサを配して間隔を置いているが、間隔は必ずしも必要でない。   Further, in the hot standby method and system using the carbon-based fuel cell of the present invention, a cell near the fuel inlet can be used as the carbon-based fuel cell among cells constituting a normal flat plate type SOFC stack. . FIG. 9 is a diagram schematically showing the mode. In FIG. 9, description of separators and the like is omitted. As shown in FIG. 9, among the cells constituting the SOFC stack formed by stacking a plurality of cells, the cells near the fuel inlet are used as carbon-based fuel cells. In FIG. 9, spacers are arranged between the cells used as the carbon-based fuel cell among the cells constituting the SOFC stack and the other cell groups, but the intervals are not necessarily required.

また、本発明で用いる炭素利用燃料電池は、特性が良ければシステムの保温用のほか、電力取り出し用としても利用できる。保温のみを行う場合には低い性能でも問題はなく、耐久性に問題がなければ低コストになるような電池構成でもよい。   In addition, the carbon-based fuel cell used in the present invention can be used not only for keeping the system warm but also for taking out electric power if the characteristics are good. In the case of performing only heat insulation, there is no problem even with low performance, and if there is no problem with durability, the battery configuration may be low.

以下、実施例に基づき本発明をさらに詳しく説明するが、本発明が実施例により限定されないことはもちろんである。本実施例は図3〜4のように構成したSOFCシステムを使用した例である。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in more detail based on an Example, it cannot be overemphasized that this invention is not limited by an Example. The present embodiment is an example using the SOFC system configured as shown in FIGS.

図3〜4のとおり、SOFCシステムとして、出力10kWのSOFCスタックとオフガス燃焼部を断熱容器に収容している。SOFCスタックの作動温度は750℃、SOFCシステムからの放熱量は約1kWである。そして、昼間に16時間運転して、夜間8時間停止する。この場合、システム停止時に保温のために必要な熱量は1×103×3600×8=28.8×103kJとなる。 As shown in FIGS. 3 to 4, as the SOFC system, an SOFC stack with an output of 10 kW and an off-gas combustion part are accommodated in a heat insulating container. The operating temperature of the SOFC stack is 750 ° C., and the heat dissipation from the SOFC system is about 1 kW. Then, it is driven for 16 hours in the daytime and stopped for 8 hours at night. In this case, the amount of heat required for the thermal insulation when the system is stopped becomes 1 × 10 3 × 3600 × 8 = 28.8 × 10 3 kJ.

メタンの1モルの発熱量は890kJであるから、保温のためには約32モルのメタンが必要となる。一方、本SOFCシステムの場合には、前記式(1)から、メタン1モルに対して(メタンの)炭素及び2モルの水素が生成し、前記式(2)から、炭素の反応熱は393.0kJ、また、水素の発熱量は286kJとなり、保温のためにはメタンが約29モル必要となる。従って、従来システムに比して、燃料消費量の約1割を節減できる。この仕組みは、前記式(1)が吸熱反応である点にあり、SOFCシステム運転時の余剰熱を炭素に変えて蓄積しているからである。   Since the calorific value of 1 mol of methane is 890 kJ, about 32 mol of methane is required for heat retention. On the other hand, in the case of this SOFC system, carbon (of methane) and 2 moles of hydrogen are generated from 1 mole of methane from the formula (1), and the reaction heat of carbon is 393 from the formula (2). The calorific value of hydrogen is 286 kJ, and about 29 mol of methane is required for heat insulation. Therefore, about 10% of the fuel consumption can be saved as compared with the conventional system. This mechanism is because the above formula (1) is an endothermic reaction, and surplus heat during operation of the SOFC system is changed to carbon and accumulated.

析出炭素のみを利用して保温を行うには、炭素の燃焼熱から73モル%のメタンが必要となる。73モルのメタンの熱分解反応により、146モルの水素が発生する。本例のように出力10kWのSOFCシステムの場合、運転時間16時間での発電総量は、補機損等はほぼ2割であるので、7.2×105kJ〔=(10×103×3600×16)/0.8〕となる。水素燃料の発電効率を50%HHVとすると、発電に必要な水素量は2517モル(=7.2×105kJ)である。 In order to keep the temperature using only the precipitated carbon, 73 mol% of methane is required from the combustion heat of carbon. The pyrolysis reaction of 73 moles of methane generates 146 moles of hydrogen. In the case of an SOFC system with an output of 10 kW as in this example, the total amount of power generated in an operation time of 16 hours is 7.2% 10 5 kJ [= (10 × 10 3 × 3600 × 16) /0.8]. If the power generation efficiency of hydrogen fuel is 50% HHV, the amount of hydrogen required for power generation is 2517 moles (= 7.2 × 10 5 kJ).

ここで、水素全量がメタンの改質から生じるとすると、必要な水素量は、約593モル〔=(2517−146)/4〕となる。従って、ホットスタンバイ用の炭素析出に使用したメタン分も含めて666(=593+73)モル/日のメタンが消費される。また、SOFC運転時に導入メタンの約11%を炭素析出させて停止時の保温用に使用すれば、停止時の保温熱が賄えることになる。
また、この間、還元性ガスが常時電池本体のアノード部分に流れるために、別途還元性ガスを供給する必要もない。
Here, if the total amount of hydrogen is generated from the reforming of methane, the required amount of hydrogen is about 593 mol [= (2517-146) / 4]. Therefore, 666 (= 593 + 73) mol / day of methane is consumed including the methane used for carbon deposition for hot standby. In addition, if about 11% of the introduced methane is carbon deposited during SOFC operation and used for heat retention during stoppage, the heat retention heat during stoppage can be covered.
Further, during this time, the reducing gas always flows to the anode part of the battery body, so that it is not necessary to supply the reducing gas separately.

従来のSOFCシステムのホットスタンバイ法(発電時)を説明する図Diagram explaining the hot standby method (during power generation) of a conventional SOFC system 従来のSOFCシステムのホットスタンバイ法(ホットスタンバイ時)を説明する図Diagram explaining the hot standby method (during hot standby) of a conventional SOFC system 本発明におけるSOFCシステムに炭化水素の熱分解用触媒層を組み合わせたホットスタンバイ法(発電時)を説明する図The figure explaining the hot standby method (at the time of electric power generation) which combined the catalyst layer for thermal decomposition of a hydrocarbon with the SOFC system in this invention 本発明におけるSOFCシステムに炭化水素の熱分解用触媒層を組み合わせたホットスタンバイ法(ホットスタンバイ時)を説明する図The figure explaining the hot standby method (at the time of hot standby) which combined the catalyst layer for thermal decomposition of a hydrocarbon with the SOFC system in this invention 本発明におけるSOFCシステムに炭素利用燃料電池を組み合わせたホットスタンバイ法(発電時)を説明する図The figure explaining the hot standby method (at the time of electric power generation) which combined the carbon utilization fuel cell with the SOFC system in this invention 本発明におけるSOFCシステムに炭素利用燃料電池を組み合わせたホットスタンバイ法(ホットスタンバイ時)を説明する図The figure explaining the hot standby method (at the time of hot standby) which combined the carbon utilization fuel cell with the SOFC system in this invention 本発明で用いる炭素利用燃料電池の構成構成例を示す図The figure which shows the structural example of a carbon utilization fuel cell used by this invention 炭素利用燃料電池を利用するホットスタンバイ法及びシステムで、炭素利用燃料電池を断熱容器の中に配置する態様を示す図The figure which shows the aspect which arrange | positions a carbon utilization fuel cell in a heat insulation container by the hot standby method and system using a carbon utilization fuel cell. 炭素利用燃料電池を利用するホットスタンバイ法及びシステムで、通常の平板型SOFCスタックのうち燃料入口付近のセルを炭素利用燃料電池として利用する態様を示す図The figure which shows the aspect which uses the cell near a fuel inlet_port | entrance as a carbon utilization fuel cell among normal flat plate type SOFC stacks by the hot standby method and system using a carbon utilization fuel cell. 先行公報に開示されている炭素利用燃料電池を示す図The figure which shows the carbon utilization fuel cell currently disclosed by the prior gazette

符号の説明Explanation of symbols

21 熱分解用触媒層
22 燃料供給管
23 オフガス燃焼部からの燃焼排ガス排出管
24 燃焼排ガス再循環ライン
V1 流量制御弁
25 炭素利用燃料電池
26 燃料供給管
27 空気供給管
28 電気ヒータ
21 catalyst layer for thermal decomposition 22 fuel supply pipe 23 flue gas exhaust pipe from off-gas combustion section 24 flue gas recirculation line V1 flow control valve 25 carbon fuel cell 26 fuel supply pipe 27 air supply pipe 28 electric heater

Claims (11)

固体酸化物形燃料電池スタックとオフガス燃焼部を含む固体酸化物形燃料電池システムのホットスタンバイ法であって、固体酸化物形燃料電池スタックへの燃料供給管に炭化水素系燃料の熱分解用触媒層を配置し、システムの運転時に、熱分解用触媒層により炭化水素系燃料から水素及び炭素を生成して、水素はスタックでの発電用に利用するとともに、炭素を触媒に析出させ、システムの運転停止時に、触媒上に析出した炭素をシステムの保温用に利用することを特徴とする析出炭素を利用する固体酸化物形燃料電池システムのホットスタンバイ法。   A hot standby method for a solid oxide fuel cell system including a solid oxide fuel cell stack and an off-gas combustion unit, wherein a catalyst for thermal decomposition of hydrocarbon fuel is provided in a fuel supply pipe to the solid oxide fuel cell stack When the system is in operation, hydrogen and carbon are generated from the hydrocarbon-based fuel by the pyrolysis catalyst layer, and the hydrogen is used for power generation in the stack, and the carbon is deposited on the catalyst. A hot standby method of a solid oxide fuel cell system using precipitated carbon, wherein carbon deposited on a catalyst is used for heat insulation of the system when the operation is stopped. 請求項1に記載のホットスタンバイ法において、システムの運転停止時に、触媒上に析出した炭素をシステムの保温用に利用するに際して、オフガス燃焼部からの燃焼排ガスを熱分解用触媒層に通して、析出炭素を一酸化炭素及び水素に変え、その発生熱をシステムの保温用に利用することを特徴とする析出炭素を利用する固体酸化物形燃料電池システムのホットスタンバイ法。   In the hot standby method according to claim 1, when the carbon deposited on the catalyst is used for heat insulation of the system when the operation of the system is stopped, the combustion exhaust gas from the off-gas combustion part is passed through the thermal decomposition catalyst layer, A hot standby method for a solid oxide fuel cell system using precipitated carbon, wherein the deposited carbon is changed into carbon monoxide and hydrogen, and the generated heat is used for heat insulation of the system. 固体酸化物形燃料電池スタックとオフガス燃焼部を含む固体酸化物形燃料電池システムのホットスタンバイ法であって、固体酸化物形燃料電池スタックへの燃料供給管及び酸化剤供給管に炭素利用燃料電池を配置し、システムの運転時に、炭素利用燃料電池により炭化水素系燃料から水素及び炭素を生成して、水素はスタックでの発電用に利用するとともに、炭素利用燃料電池に炭素を析出させ、システムの運転停止時に、析出炭素を発電兼システムの保温用に利用することを特徴とする析出炭素を利用する固体酸化物形燃料電池システムのホットスタンバイ法。   A hot standby method for a solid oxide fuel cell system including a solid oxide fuel cell stack and an off-gas combustion unit, wherein a fuel supply pipe to the solid oxide fuel cell stack and an oxidant supply pipe are carbon-based fuel cells. When the system is operated, hydrogen and carbon are generated from the hydrocarbon-based fuel by the carbon-based fuel cell, and the hydrogen is used for power generation in the stack, and carbon is deposited on the carbon-based fuel cell. A hot standby method for a solid oxide fuel cell system using precipitated carbon, wherein the precipitated carbon is used for heat insulation of the power generation and system when the operation is stopped. 請求項3に記載のホットスタンバイ法において、前記システムの運転停止時に、炭素利用燃料電池上に析出した炭素を発電兼システムの保温用に利用するに際して、固体酸化物形燃料電池スタックへの酸化剤供給管からの酸化剤ガスを炭素利用燃料電池に通して、析出炭素を一酸化炭素及び水素に変え、その発生熱をシステムの保温用に利用することを特徴とする析出炭素を利用する固体酸化物形燃料電池システムのホットスタンバイ法。   4. The hot standby method according to claim 3, wherein the carbon deposited on the carbon fuel cell when the system is stopped is used to keep the power generation and the system warm. Solid oxidation using precipitated carbon, characterized in that the oxidant gas from the supply pipe is passed through a carbon-based fuel cell to convert the precipitated carbon into carbon monoxide and hydrogen, and the generated heat is used to keep the system warm. Hot standby method for physical fuel cell systems. 固体酸化物形燃料電池スタックとオフガス燃焼部を含む固体酸化物形燃料電池システムのホットスタンバイ法を実施するためのシステムであって、固体酸化物形燃料電池スタックへの燃料供給管に炭化水素系燃料の熱分解用触媒層を配置し、システムの運転時に、熱分解用触媒層により炭化水素系燃料から水素及び炭素を生成して、水素は発電用に利用するとともに、炭素を触媒に析出させ、システムの運転停止時に、触媒上に析出した炭素をシステムの保温用に利用するようにしてなることを特徴とする析出炭素を利用する固体酸化物形燃料電池システムのホットスタンバイ法を実施するためのシステム。   A system for performing a hot standby method of a solid oxide fuel cell system including a solid oxide fuel cell stack and an off-gas combustion unit, wherein a hydrocarbon system is provided in a fuel supply pipe to the solid oxide fuel cell stack A catalyst layer for thermal decomposition of fuel is arranged, and during operation of the system, hydrogen and carbon are generated from hydrocarbon fuel by the catalyst layer for thermal decomposition, and the hydrogen is used for power generation and carbon is deposited on the catalyst. In order to implement a hot standby method for a solid oxide fuel cell system using precipitated carbon, characterized in that carbon deposited on the catalyst is used for heat insulation of the system when the system is shut down. System. 請求項5に記載のホットスタンバイ法を実施するためのシステムにおいて、前記システムの運転停止時に、触媒上に析出した炭素をシステムの保温用に利用するに際して、オフガス燃焼部からの燃焼排ガスを熱分解用触媒層に通して、析出炭素を一酸化炭素及び水素に変え、その発生熱をシステムの保温用に利用するようにしてなることを特徴とする析出炭素を利用する固体酸化物形燃料電池システムのホットスタンバイ法を実施するためのシステム。   6. The system for carrying out the hot standby method according to claim 5, wherein when the system is stopped, carbon deposited on the catalyst is used for heat insulation of the system, and the combustion exhaust gas from the off-gas combustion section is pyrolyzed. A solid oxide fuel cell system using precipitated carbon, wherein the deposited carbon is converted into carbon monoxide and hydrogen through the catalyst layer for use, and the generated heat is used for heat insulation of the system. A system for implementing the hot standby method. 固体酸化物形燃料電池スタックとオフガス燃焼部を含む固体酸化物形燃料電池システムのホットスタンバイ法を実施するためのシステムであって、固体酸化物形燃料電池スタックへの燃料供給管及び酸化剤供給管に炭素利用燃料電池を配置し、システムの運転時に、炭素利用燃料電池により炭化水素系燃料から水素及び炭素を生成して、水素は発電用に利用するとともに、炭素利用燃料電池に炭素を析出させ、システムの運転停止時に、炭素利用燃料電池上に析出した炭素を発電兼システムの保温用に利用するようにしてなることを特徴とする析出炭素を利用する固体酸化物形燃料電池システムのホットスタンバイ法を実施するためのシステム。   A system for performing a hot standby method of a solid oxide fuel cell system including a solid oxide fuel cell stack and an off-gas combustion unit, wherein a fuel supply pipe and an oxidant supply are supplied to the solid oxide fuel cell stack A carbon-based fuel cell is placed in the tube, and during operation of the system, hydrogen and carbon are generated from hydrocarbon fuel by the carbon-based fuel cell, and the hydrogen is used for power generation and carbon is deposited on the carbon-based fuel cell. When the system is shut down, the carbon deposited on the carbon-utilized fuel cell is used for power generation and heat retention of the system. A system for implementing the standby method. 請求項7に記載のホットスタンバイ法を実施するためのシステムにおいて、前記システムの運転停止時に、炭素利用燃料電池上に析出した炭素を発電兼システムの保温用に利用するに際して、固体酸化物形燃料電池スタックへの酸化剤供給管からの酸化剤ガスを炭素利用燃料電池に通して、析出炭素を一酸化炭素及び水素に変え、その発生熱をシステムの保温用に利用するようにしてなることを特徴とする析出炭素を利用する固体酸化物形燃料電池システムのホットスタンバイ法を実施するためのシステム。   8. The system for carrying out the hot standby method according to claim 7, wherein when the system is stopped, carbon deposited on the carbon-based fuel cell is used for heat retention as the power generation and system. The oxidant gas from the oxidant supply pipe to the battery stack is passed through the carbon-based fuel cell, and the deposited carbon is converted into carbon monoxide and hydrogen, and the generated heat is used for heat insulation of the system. A system for carrying out a hot standby method of a solid oxide fuel cell system using the precipitated carbon. 請求項7または8に記載のホットスタンバイ法を実施するためのシステムにおいて、炭素利用燃料電池システムを固体酸化物形燃料電池とともに断熱材で囲むか、または断熱容器の中に配置してなることを特徴とする析出炭素を利用する固体酸化物形燃料電池システムのホットスタンバイ法を実施するためのシステム。   The system for carrying out the hot standby method according to claim 7 or 8, wherein the carbon-based fuel cell system is enclosed with a heat insulating material together with a solid oxide fuel cell, or disposed in a heat insulating container. A system for carrying out a hot standby method of a solid oxide fuel cell system using the precipitated carbon. 請求項7〜9のいずれか1項に記載のホットスタンバイ法を実施するためのシステムにおいて、固体酸化物形燃料電池スタックを構成するセルのうち燃料入口付近のセルを炭素利用燃料電池として利用するようにしてなることを特徴とする析出炭素を利用する固体酸化物形燃料電池システムのホットスタンバイ法を実施するためのシステム。   The system for implementing the hot standby method according to any one of claims 7 to 9, wherein a cell in the vicinity of the fuel inlet among the cells constituting the solid oxide fuel cell stack is used as a carbon-based fuel cell. A system for carrying out a hot standby method of a solid oxide fuel cell system using precipitated carbon, which is characterized by the above. 固体酸化物形燃料電池スタックとオフガス燃焼部を含む固体酸化物形燃料電池システムのアノード雰囲気保持法であって、固体酸化物形燃料電池スタックへの燃料供給管に炭化水素系燃料の熱分解用触媒層を配置し、システムの運転時に、熱分解用触媒層により炭化水素系燃料から水素及び炭素を生成して、水素はスタックでの発電用に利用するとともに、炭素を触媒に析出させ、システムの運転停止時に、オフガス燃焼部からの燃焼排ガスを熱分解用触媒層に通して、析出炭素を一酸化炭素及び水素に変え、システムのアノード雰囲気の保持に利用することを特徴とする析出炭素を利用する固体酸化物形燃料電池システムのアノード雰囲気保持法。
A method for maintaining an anode atmosphere of a solid oxide fuel cell system including a solid oxide fuel cell stack and an off-gas combustion section, for pyrolyzing hydrocarbon fuel in a fuel supply pipe to the solid oxide fuel cell stack A catalyst layer is disposed, and during operation of the system, hydrogen and carbon are generated from hydrocarbon fuel by the thermal decomposition catalyst layer, and the hydrogen is used for power generation in the stack, and carbon is deposited on the catalyst, and the system is When the operation is stopped, the flue gas from the off-gas combustion section is passed through the thermal decomposition catalyst layer to convert the precipitated carbon into carbon monoxide and hydrogen, which is used for maintaining the anode atmosphere of the system. A method for maintaining the anode atmosphere of a solid oxide fuel cell system to be used.
JP2004142970A 2004-05-12 2004-05-12 Hot standby method of solid oxide fuel cell system and its system Expired - Fee Related JP4570904B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004142970A JP4570904B2 (en) 2004-05-12 2004-05-12 Hot standby method of solid oxide fuel cell system and its system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004142970A JP4570904B2 (en) 2004-05-12 2004-05-12 Hot standby method of solid oxide fuel cell system and its system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2005327513A JP2005327513A (en) 2005-11-24
JP4570904B2 true JP4570904B2 (en) 2010-10-27

Family

ID=35473700

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004142970A Expired - Fee Related JP4570904B2 (en) 2004-05-12 2004-05-12 Hot standby method of solid oxide fuel cell system and its system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4570904B2 (en)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8309272B2 (en) 2006-03-23 2012-11-13 Tokyo Institute Of Technology Solid oxide cell
JP5333713B2 (en) * 2008-04-07 2013-11-06 日産自動車株式会社 A fuel cell system, a program used for the fuel cell system, and an information recording medium.
JP5495377B2 (en) * 2010-02-16 2014-05-21 国立大学法人東京工業大学 Power generation method for solid oxide fuel cell
JP5645645B2 (en) * 2010-12-22 2014-12-24 京セラ株式会社 Solid oxide fuel cell device
JP5965123B2 (en) 2011-09-28 2016-08-03 京セラ株式会社 Energy management system, energy management apparatus and power management method
JP6726068B2 (en) * 2016-09-14 2020-07-22 東京瓦斯株式会社 Power generation system
JP6759026B2 (en) * 2016-09-14 2020-09-23 東京瓦斯株式会社 Hydrogen production equipment
US20190245220A1 (en) * 2018-02-02 2019-08-08 Lg Fuel Cell Systems, Inc. Methods for Transitioning a Fuel Cell System between Modes of Operation
US10622649B2 (en) * 2018-02-02 2020-04-14 Lg Fuel Cell Systems Inc. Methods for transitioning a fuel cell system between modes of operation
CN115579491A (en) * 2022-10-14 2023-01-06 广东佛燃科技有限公司 SOFC power generation system control method based on state machine

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000271482A (en) * 1999-03-25 2000-10-03 Sumitomo Metal Mining Co Ltd Hydrocarbon catalytically decomposing catalyst and production of hydrogen and carbon using the same
JP2003095611A (en) * 2001-09-19 2003-04-03 Toyota Motor Corp Method for starting hydrogen producing apparatus
JP2003112901A (en) * 2001-10-01 2003-04-18 Matsushita Electric Ind Co Ltd Hydrogen generating device and fuel cell system using the same
JP2003327411A (en) * 2002-05-10 2003-11-19 Yokohama Tlo Co Ltd Apparatus and method for reforming fuel for fuel cell
JP2003334448A (en) * 2002-05-16 2003-11-25 Toyota Motor Corp Hydrogen generating catalyst and hydrogen generating using it
JP2004051437A (en) * 2002-07-22 2004-02-19 Toyota Motor Corp Operation method of reformer
JP2004071312A (en) * 2002-08-05 2004-03-04 Tokyo Gas Co Ltd Heat self supporting solid oxide fuel cell system

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000271482A (en) * 1999-03-25 2000-10-03 Sumitomo Metal Mining Co Ltd Hydrocarbon catalytically decomposing catalyst and production of hydrogen and carbon using the same
JP2003095611A (en) * 2001-09-19 2003-04-03 Toyota Motor Corp Method for starting hydrogen producing apparatus
JP2003112901A (en) * 2001-10-01 2003-04-18 Matsushita Electric Ind Co Ltd Hydrogen generating device and fuel cell system using the same
JP2003327411A (en) * 2002-05-10 2003-11-19 Yokohama Tlo Co Ltd Apparatus and method for reforming fuel for fuel cell
JP2003334448A (en) * 2002-05-16 2003-11-25 Toyota Motor Corp Hydrogen generating catalyst and hydrogen generating using it
JP2004051437A (en) * 2002-07-22 2004-02-19 Toyota Motor Corp Operation method of reformer
JP2004071312A (en) * 2002-08-05 2004-03-04 Tokyo Gas Co Ltd Heat self supporting solid oxide fuel cell system

Also Published As

Publication number Publication date
JP2005327513A (en) 2005-11-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7846599B2 (en) Method for high temperature fuel cell system start up and shutdown
US6811913B2 (en) Multipurpose reversible electrochemical system
JP4906242B2 (en) How to shut down the fuel cell
EP1571727B1 (en) Apparatus and method for operation of a high temperature fuel cell system using recycled anode exhaust
JP6804661B2 (en) Fuel cell temperature distribution control system, fuel cell, and temperature distribution control method
US10381665B2 (en) Device and method for heating fuel cell stack and fuel cell system having the device
JP6280470B2 (en) Fuel cell module
KR20100083027A (en) Solid oxide fuel cell system
JP4956946B2 (en) Fuel cell
JP2013258004A (en) High-temperature fuel cell system
JP2007128680A (en) Fuel cell system
JP4745618B2 (en) Operation method of fuel cell structure
JP4570904B2 (en) Hot standby method of solid oxide fuel cell system and its system
JP6064782B2 (en) Fuel cell device
JP2013211107A (en) High temperature fuel cell system and operation method thereof
JP2006269332A (en) Solid oxide type fuel cell system
JP5127395B2 (en) Fuel cell power generation system
JP4797352B2 (en) Solid oxide fuel cell
US20140248547A1 (en) Method and arrangement for avoiding anode oxidation
JP2007200709A (en) Solid oxide fuel cell stack and its operation method
JP2023023237A (en) Solid oxide fuel cell system
JP2004247234A (en) Solid polymer type fuel cell generator and its operating method
JPS6134865A (en) Fuel cell power generating system
KR20110118562A (en) Fuel cell system
JP2017142919A (en) Fuel battery-hydrogen production system and operational method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20070119

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20100730

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20100810

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20100811

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130820

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees