JP4859359B2 - Operation method of fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、ハウジング内に複数の燃料電池セルを収納してなる燃料電池の運転方法に関する。
The present invention relates OPERATION method for a fuel cell formed by accommodating a plurality of fuel cells in a housing.
従来、固体電解質を用いた燃料電池は作動温度が600〜1000℃と高いため、この温度まで燃料電池セルを加熱する必要があり、実質的に発電するまでの時間が長いという問題があった。このような問題を解決するため、従来、収納容器の外部に酸素含有ガス(空気)を予熱する予熱器を設け、この予熱器で酸素含有ガスを加熱した後、セルスタックに供給し、これによりセルを加熱し、起動時間を短縮させることが提案されている。 Conventionally, since the operating temperature of a fuel cell using a solid electrolyte is as high as 600 to 1000 ° C., it is necessary to heat the fuel cell up to this temperature, and there is a problem that it takes a long time to generate power. In order to solve such problems, conventionally, a preheater for preheating oxygen-containing gas (air) is provided outside the storage container, and the oxygen-containing gas is heated by the preheater and then supplied to the cell stack. It has been proposed to heat the cell and shorten the startup time.
また、発電に用いられなかった燃料ガスと酸素含有ガスを燃焼させ、この高温の燃焼ガスを収納容器外部まで配管により引き回し、酸素含有ガスを収納容器内部に供給するための配管に沿わせて熱交換を行い、燃焼ガスを有効に用いて酸素含有ガスを予熱することが提案されている。 In addition, the fuel gas and oxygen-containing gas that were not used for power generation are combusted, this high-temperature combustion gas is routed to the outside of the storage container by piping, and heat is supplied along the piping for supplying the oxygen-containing gas to the inside of the storage container. It has been proposed to pre-heat the oxygen-containing gas by exchanging and effectively using the combustion gas.
さらに、近年では、収納容器内に酸素含有ガスを加熱するバーナを設け、このバーナで酸素含有ガスを加熱し、この予熱された酸素含有ガスをセルスタックに供給することが行われている(例えば、特許文献1参照)。 Further, in recent years, a burner for heating an oxygen-containing gas is provided in a storage container, the oxygen-containing gas is heated by the burner, and the preheated oxygen-containing gas is supplied to the cell stack (for example, , See Patent Document 1).
さらにまた、近年では、起動時間を短縮させるため、燃料電池セルを加熱する起動用バーナを設けたものが知られている(例えば、特許文献2〜4参照)。
しかしながら、上記特許文献1〜4に記載された燃料電池では、燃料電池セルを加熱して起動を早くすることはできるものの、外部負荷(電力需要)に対して迅速に負荷変動することができないという問題があった。また、起動する際にも、別個に燃料ガスを供給して燃焼する起動用バーナが必要であるという問題があった。 However, in the fuel cells described in Patent Documents 1 to 4, although the fuel cell can be heated to start up quickly, the load cannot be quickly changed with respect to the external load (power demand). There was a problem. In addition, when starting up, there is a problem that a starting burner for supplying and burning fuel gas separately is required.
即ち、例えば、燃料電池が家庭で使用される場合、図6に示すように、電力を非常に多く使用する朝食時間帯と夕食時間帯が存在し、一方で電力を殆ど使用しない夜中や昼間の時間帯が存在するが、電力需要にかかわらず、一定の発電量を発電する発電システムでは、電力を殆ど使用しない夜中や昼間では無駄な発電をすることになる。このため、使用する燃料ガスの量も多くなり、コストが高く、しかもCO2排出量も多くなるという問題があった。 That is, for example, when a fuel cell is used at home, as shown in FIG. 6, there are a breakfast time zone and a dinner time zone where electricity is used very much, while at night and daytime when electricity is hardly used. Although there is a time zone, a power generation system that generates a certain amount of power generation regardless of power demand generates wasteful power generation at night or in the daytime when little power is used. For this reason, there is a problem that the amount of fuel gas to be used increases, the cost is high, and the amount of CO 2 emission increases.
一方、電力需要に追従して発電量を変化させて運転する発電システムでは、部分負荷運転時において電力需要が高くなる時に、燃料電池による発電が間に合わず、急激な電力需要に対応しきれないという問題があった。 On the other hand, in a power generation system that operates by changing the power generation amount following the power demand, when the power demand becomes high during partial load operation, the power generation by the fuel cell is not in time, and it can not cope with the rapid power demand There was a problem.
本発明は、電力需要が急激に高くなる場合でも、急激な電力需要に迅速に対応できる燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。
The present invention, even when the power demand rapidly increases, and an object thereof is to provide a OPERATION method of the fuel cell can respond quickly to sudden power demand.
また、本発明の燃料電池の運転方法は、ハウジング内に、複数の燃料電池セルと、該複数の燃料電池セルで発生した電力を用いて発熱するヒータとを具備し、一定の発電量を発電する定常運転と、外部負荷の要求電力に対して発電量を変化させる部分負荷運転とを組み合わせて発電を行なう燃料電池の運転方法において、前記部分負荷運転時における前記ハウジング内の温度が前記定常運転時の温度より低下している時において、前記外部負荷の要求電力が高くなる時間帯の所定時間前に、その時点での前記外部負荷の要求電力よりも多い電力量を発電するとともに、余剰発電電力を前記ヒータに供給して、該ヒータを発熱させることを特徴とする。
The fuel cell operating method of the present invention includes a plurality of fuel cells and a heater that generates heat using the power generated in the plurality of fuel cells in a housing, and generates a certain amount of power generation. In a fuel cell operation method for generating power by combining a steady operation that performs power generation and a partial load operation that changes the amount of power generation with respect to the required power of an external load, the temperature in the housing during the partial load operation When the temperature is lower than the current temperature, before the predetermined time before the time when the required power of the external load becomes high, a power amount larger than the required power of the external load at that time is generated and surplus supplying power to the heater, wherein the benzalkonium exothermed the heater.
このような燃料電池の運転方法では、例えば、部分負荷運転時におけるハウジング内の温度が低い場合に、該ハウジング内の温度を定常運転時の温度まで昇温する場合に、さらに電力需要が少ない夜間時に、ヒータを発熱させ、高電力需要に備える。即ち、本発明では、電力需要が急激に高くなる、例えば朝食時間帯の所定時間前の、夜中の低電力需要時間帯に、燃料電池セルで発電した電力を用いてヒータを発熱させ、ハウジング内の発電室を加熱し、加速度的に燃料電池セルの発電量を増加させ、朝食時間帯の急激な電力需要に備えることができる。 In such a fuel cell operation method, for example, when the temperature in the housing is low during partial load operation, when the temperature in the housing is raised to the temperature during steady operation, the power demand is further reduced at night. Occasionally, the heater is heated to prepare for high power demand. That is, according to the present invention, the heater is heated using the power generated by the fuel cell in the low power demand time zone at night, for example, a predetermined time before the breakfast time zone, when the power demand increases rapidly, The power generation chamber can be heated to increase the amount of power generated by the fuel cells at an accelerated rate, thereby preparing for sudden power demand during breakfast hours.
また、ハウジング内の温度が低い場合で、該ハウジング内の温度を定常運転時の発電室温度まで昇温する場合とは、例えば、夕食時間の所定時間前は昼間であり、通常電力需要が少ないが、この時間帯に、燃料電池セルで発電した電力を用いてヒータを発熱させ、ハウジング内の発電室を加熱し、夕食時間帯の急激な電力需要に備えることができる。 Further, when the temperature in the housing is low and the temperature in the housing is raised to the temperature of the power generation room during steady operation, for example, it is daytime a predetermined time before dinner time, and there is usually little demand for power However, in this time zone, the heater can be heated using the power generated by the fuel cell, and the power generation chamber in the housing can be heated to prepare for a sudden power demand in the dinner time zone.
また、通常、夜中では電力需要は低いため、ベースロード運転を行うが、その際にも需要電力よりも大きな電力を発電し、この余剰電力を用いてヒータを発熱させることもできる。 Usually, since the power demand is low at night, base load operation is performed. At that time, power larger than the demand power can be generated, and the heater can be heated using this surplus power.
ヒータを発熱させる時間は、一定期間内の高電力使用パターンを学習し、一定期間のうちの一定時間帯にヒータを発熱させることができる。学習機能を有する場合には、電力需要に対してより細かな運転方法を採用できる。
Time to heat the heater can be one high power usage pattern learned the inside constant period, generating heat of the heater for a predetermined time period of the predetermined period. If it has a learning function can adopt a more finely operating process with respect to power demand.
また、以下の様な運転方法も出来る。部分負荷運転が長時間続くなどして、ハウジング内の温度(発電室温度)が定常運転時の発電室温度より低下している状態において、それまでより大きな需要電力が必要となった場合、初期の発電室温度が低いため、出力が要求値に達しても発電効率の低い時間が長く続くという現象があった。これはランニングコストが高くなるという問題に繋がる。 In addition, the following operation method is also possible. In the state where the temperature in the housing (power generation room temperature) is lower than the power generation room temperature during steady operation, such as when partial load operation continues for a long time, the initial Due to the low temperature of the power generation chamber, there was a phenomenon in which the time during which the power generation efficiency was low continued for a long time even when the output reached the required value. This leads to the problem of high running costs.
これを解消するため、本発明においては、部分負荷運転が長時間続くなどして、発電室温度が定常運転時の発電室温度より低下している状態において、それまでより大きな需要電力が必要となった場合、要求電力量以上の発電を行い、燃料電池の発電量から要求電力量を差し引いた余剰電力を上述のヒータで消費させる。余剰電力をヒータで消費させる理由は、第一に系統電力に逆潮させないようにすること、第二に発電室温度を余剰電力で速やかに上昇させることにある。この様な運転方法により、発電室温度が速やかに上がり発電効率の高い運転が可能となり、ランニングコストが安く抑えられる。 In order to eliminate this, in the present invention, in the state where the power generation chamber temperature is lower than the power generation chamber temperature during steady operation, for example, when partial load operation continues for a long time, a larger power demand is required. In this case, the power generation is performed more than the required power amount, and surplus power obtained by subtracting the required power amount from the power generation amount of the fuel cell is consumed by the above-described heater. The reason why surplus power is consumed by the heater is to first prevent the power from flowing back to the grid power, and secondly to quickly raise the temperature of the power generation chamber with the surplus power. By such an operation method, the temperature of the power generation chamber can be quickly increased and operation with high power generation efficiency can be performed, and the running cost can be reduced.
さらに、本発明の燃料電池の運転方法は、固体電解質形燃料電池を用い、分散型発電を行うことを特徴とする。固体電解質形燃料電池を用いるため、高効率の発電を行うことができ、さらには燃料としてメタン、CO等も用いることができ、燃料処理部が簡素化でき、低コストの分散型発電を行うことが可能となる。 Further, the fuel cell operating method of the present invention is characterized in that a distributed power generation is performed using a solid oxide fuel cell. Since solid oxide fuel cells are used, highly efficient power generation can be performed. Further, methane, CO, etc. can be used as fuel, the fuel processing unit can be simplified, and low-cost distributed power generation can be performed. Is possible.
本発明の燃料電池の運転方法では、電力需要が急激に高くなる、例えば朝食時間帯の所定時間前の、夜中の低電力需要時間帯に、燃料電池セルで発電した電力を用いてヒータを発熱させ、ハウジング内の発電室を加熱し、加速度的に燃料電池セルの発電量を増加させ、朝食時間帯の急激な電力需要に備えることができる。 In the fuel cell operation method of the present invention, the heater generates heat using the power generated by the fuel cell in the low power demand time of the night, for example, a predetermined time before the breakfast time, when the power demand increases rapidly. In addition, the power generation chamber in the housing can be heated to increase the power generation amount of the fuel cell at an accelerated rate, thereby preparing for a sudden power demand during the breakfast hours.
本発明の燃料電池の運転方法において、発電部を有する燃料電池(以下、燃料電池組立体ともいう)は図1、2及び図3を参照して説明すると、略直方体形状のハウジング2を具備している。このハウジング2の6個の壁面の外面には適宜の断熱材から形成された断熱壁(遮熱部材)、即ち上断熱壁4、下断熱壁6、右側断熱壁8、左側断熱壁9、前断熱壁10及び後断熱壁11が配設されている。ハウジング2内には発電・燃焼室12が規定されている。
In the fuel cell operation method of the present invention, a fuel cell having a power generation unit (hereinafter also referred to as a fuel cell assembly) includes a
前断熱壁10及び/又は後断熱壁11は着脱自在或いは開閉自在に装着されており、前断熱壁10及び/又は後断熱壁11を離脱或いは開動せしめることによって発電・燃焼室12内にアクセスすることができる。所望ならば、各断熱壁の外面に金属板製でよい外壁を配設することができる。
The front
ハウジング2内の上端部には空気室(ガス室)16が配設されている。空気室16は上下方向寸法が比較的小さい直方体形状のケース17内に規定されている。空気室16には、発電・燃焼室に向かって空気(酸素含有ガス)を送り込むための空気導入管(ガス供給手段)22の上端が連通している。空気導入管22は複数本あり、その形状は円筒や中空板構造などが考えられる。図1、2では円筒の空気導入管22を記載した。空気導入管22は後述するセルスタック間に配置されており、セルの下端部において開口し、この開口部から空気が噴出する構造となっている。空気導入管22はセラミックスなどの耐熱性の高い材料で作製するのが好適である。
An air chamber (gas chamber) 16 is disposed at the upper end of the
そして、空気室16には、低温ガス供給管18が設けられており、この低温ガス供給管18は、上断熱壁4を貫通し、外部に延設されている。
The
この低温ガス供給管18は、空気室16内に供給されるガスと同一種、即ち、低温の空気を空気室16内に供給するものであり、低温ガス供給管18により供給される空気は、予熱された空気の温度よりも低温である必要がある。特には、室温程度が望ましい。
The low-temperature
低温ガス供給管18は、図2に示すように、発電ユニット56a、56b、56c及び56d、即ち、燃料電池セル集合体の中央部を冷却するような空気室16の位置に接続されている。言い換えれば、発電ユニット56a、56b、56c及び56d間に配設された空気導入管22のケース17側板への開口部集合体中央に対して、対向するケース17側板の位置に開口するように低温ガス供給管18が設けられている。
As shown in FIG. 2, the low temperature
ハウジング2の両側部、更に詳しくは右側断熱壁8の内側及び左側断熱壁9の内側には、全体として平板形状である熱交換器24が配設されている。熱交換器24の各々は実質上鉛直に延在する中空平板形態のケース26から構成されている。
A
かかるケース26内にはその横方向中間に位置する仕切板28が配設されており、ケース26内は内側に位置する排出路30と外側に位置する流入路32とに区画されている。排出路30内には上下方向に間隔をおいて3枚の仕切壁34及び36が配置されている。更に詳述すると、排出路30内には、その前縁はケース26の前壁(図示していない)から後方に離隔して位置するがその後縁はケース26の後壁(図示していない)に接続されている形態の仕切壁34と、その前縁はケース26の前壁に接続されているがその後縁はケース26の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁36とが交互に配置されており、かくして燃焼ガス排出路30はジグザグ形態にせしめられている。なお、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。
A
同様に、流入路32内にも上下方向に間隔をおいて3枚の仕切壁38及び40、即ちその前縁はケース26の前壁(図示していない)から後方に離隔して位置するがその後縁はケース26の後壁(図示していない)に接続されている形態の仕切壁38と、その前縁はケース26の前壁に接続されているがその後縁はケース26の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁40とが交互に配置されており、かくして流入路32もジグザグ形態にせしめられている。なお、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。
Similarly, the three
ケース26の内側壁の上端部には排出開口42が形成されており、排出路30は排出開口42を介して発電・燃焼室12と連通せしめられている。図示の実施形態においては、熱交換器24の各々の発電・燃焼室12側、即ち、燃料電池セル側、及び燃料電池セルの上下には、蓄熱材からなる蓄熱壁(遮熱部材)が配置されている。即ち右側蓄熱壁44a、左側蓄熱壁44b、前蓄熱壁44c及び後蓄熱壁44d、下蓄熱壁44e、上蓄熱壁44fが、セル集合体を取り囲むように配設されている。かかる右側蓄熱壁44a、左側蓄熱壁44bの上部には、排出開口42の下縁と実質上同高に位置して開口する開口部45が形成されており、排出開口42は開口部45を通して発電・燃焼室12に連通せしめられている。
A
ハウジング2の6個の壁面の外面に形成された断熱壁4、6、8、9、10、11は、アルミナ/シリカ系の汎用断熱材から形成されており、セル集合体を取り囲むように形成された蓄熱壁44a、44b、44c、44d、44e、44fは、密度が前記断熱材4、6、8、9、10より大きいアルミナ純度の高い断熱材から形成されている。断熱壁4、6、8、9、10、11と蓄熱壁44a、44b、44c、44d、44e、44fは同一材料から形成されていても良いが、蓄熱材の密度は断熱材よりも大きいことが望ましい。断熱壁4、6、8、9、10、11の密度は0.26g/cm3以下、蓄熱壁44a、44b、44c、44d、44e、44fの密度は0.32g/cm3以下で、両者の熱伝導率は0.1〜0.4W/(m・K)であることが望ましい。
The
ケース26の上壁における外側部には流入開口48が形成されており、流入路32はかかる流入開口48を介して空気室16に連通せしめられている。熱交換器24、流入開口48は、ガス供給流路を構成している。流入路32の各々の後方には上下方向に細長く延びる二重筒体50(図1にその上端部のみを図示している)が配設されており、かかる二重筒体50は外側筒部材52と内側筒部材54とから構成されている。排出路30の下端部は外側筒部材52と内側筒部材54との間に規定されている排出路の下端部に接続されており、流入路32の下端部は内側筒部材54内に規定されている流入路に接続されている。
An
而して、図示の燃料電池組立体における上述したとおりの構成は、本出願人の出願にかかる特願2003−295790号の明細書及び図面に開示されている燃料電池組立体と実質上同一であるので、上述した構成の詳細については上記特願2003−295790号の明細書及び図面に委ね、本明細書においては説明を省略する。 Thus, the configuration of the fuel cell assembly shown in the drawing is substantially the same as the fuel cell assembly disclosed in the specification and drawings of Japanese Patent Application No. 2003-295790 filed by the present applicant. Therefore, the details of the configuration described above are left to the specification and drawings of Japanese Patent Application No. 2003-295790, and the description thereof is omitted in this specification.
上述した発電・燃焼室の下部には4個の発電ユニット56a、56b、56c及び56dが配置されている。発電ユニット56a、56b、56c及び56dは、夫々、上述した空気導入管22間に位置せしめられている。言い換えれば、発電ユニット56a、56b、56c及び56d間に、空気導入管22が配設されている。図1、2と共に、図3、4を参照して説明を続けると、発電ユニット56aは前後方向(図1において紙面に垂直な方向)に細長く延びる直方体形状の燃料ガスケース58aを具備している。
Four
燃料ガス室を規定している燃料ガスケース58aの上面上にはセルスタック60aが装着されている。セルスタック60aは上下方向に細長く延びる直立セル62を燃料ガスケース58aの長手方向(即ち前後方向)に複数個縦列配置して構成されている。図5に明確に図示する如く、セル62の各々は電極支持基板64、内側電極層である燃料極層66、固体電解質層68、外側電極層である酸素極層70、及びインターコネクタ72から構成されている。
A
電極支持基板64は上下方向に細長く延びる柱状の板状片であり、その断面形状は平坦な両面と半円形状の両側面を有する。電極支持基板64にはこれを鉛直方向に貫通する複数個(図示の場合は6個)の燃料ガス通路74が形成されている。電極支持基板64の各々は燃料ガスケース58aの上壁上に、例えば耐熱性に優れたセラミック接着剤によって接合される。
The
燃料ガスケース58aの上壁には図1において紙面に垂直な方向に間隔をおいて左右方向に延びる複数個のスリット(図示していない)が形成されており、電極支持基板64の各々に形成されている燃料ガス通路74がスリットの各々に従って燃料ガス室に連通せしめられる。
On the upper wall of the
インターコネクタ72は電極支持基板64の片面(図5のセルスタック60aにおいて上面)上に配設されている。燃料極層66は電極支持基板64の他面(図5のセルスタック60aにおいて下面)及び両側面に配設されており、その両端はインターコネクタ72の両端に接合せしめられている。固体電解質層68は燃料極層66の全体を覆うように配設され、その両端はインターコネクタ72の両端に接合せしめられている。酸素極層70は、固体電解質層68の主部上、即ち電極支持基板64の他面を覆う部分上に配置され、電極支持基板板64を挟んでインターコネクタ72に対向して位置せしめられている。
The
セルスタック60aにおける隣接するセル62間には集電部材76が配設されており、一方のセル62のインターコネクタ72と他方のセル62の酸素極層70とを接続している。セルスタック60aの両端、即ち図5において上端及び下端に位置するセル62の片面及び他面にも集電部材76が配設されている。セルスタック60aの両端に位置する集電部材76には電力取出手段(図示していない)が接続されており、かかる電力取出手段はハウジング2の前断熱壁10、後断熱壁11、または下断熱材6を通してハウジング2外に延在せしめられている。所望ならば、セルスタック60a、60b、60c及び60dの各々に電力取出手段を配設することに代えて、適宜の接続手段によってセルスタック60a、60b、60c及び60dを相互に直列接続し、4個のセルスタック60a、60b、60c及び60dに関して共通の電力取出手段を配設することもできる。
A current collecting
セル62について更に詳述すると、電極支持基板64は燃料ガスを燃料極層66まで透過させるためにガス透過性であること、そしてまたインターコネクタ72を介して集電するために導電性であることが要求され、かかる要求を満足する多孔質の導電性セラミック(若しくはサーメット)から形成することができる。
More specifically about the
燃料極層66及び/又は固体電解質層68との同時焼成によりセル62を製造するためには、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから電極支持基板64を形成することが好ましい。所要ガス透過性を備えるために開気孔率が30%以上、特に35乃至50%の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は300S/cm以上、特に440S/cm以上であるのが好ましい。
In order to manufacture the
燃料極層66は多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているZrO2(安定化ジルコニアと称されている)とNi及び/又はNiOとから形成することができる。
The
固体電解質層68は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと空気とのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、3〜15モル%の希土類元素が固溶したZrO2から形成されている。
The
酸素極層70は所謂ABO3型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックから形成することができる。酸素極層70はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が20%以上、特に30〜50%の範囲にあることが好ましい。
The
インターコネクタ72は導電性セラミックから形成することができるが、水素ガスでよい燃料ガス及び空気と接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、このためにランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO3系酸化物)が好適に使用される。インターコネクタ72は電極支持基板64に形成された燃料ガス通路74を通る燃料ガス及び電極支持基板64の外側を流動する空気のリークを防止するために緻密質でなければならず、93%以上、特に95%以上の相対密度を有していることが望まれる。
Although the
集電部材76は弾性を有する金属又は合金から形成された適宜の形状の部材或いは金属繊維又は合金繊維から成るフェルトに所要表面処理を加えた部材から構成することができる。
The current collecting
図4を参照して説明を続けると、発電ユニット56aは、セルスタック60aの上方を前後方向に細長く延びる長方体形状(或いは円筒形状)であるのが好都合である改質ケース78aも具備している。改質ケース78aの前面には燃料ガス送給管80aの一端即ち上端が接続されている。
Continuing the description with reference to FIG. 4, the
燃料ガス送給管80aは下方に延び、次いで湾曲して後方に延び、燃料ガス送給管80aの他端は上記燃料ガスケース58aの前面に接続されている。改質ケース78aの後面には被改質ガス供給管82aの一端が接続されている。被改質ガス供給管82aは改質ケースから下方に延び、ハウジング2の下を通ってハウジング2外に延出している。
The fuel
被改質ガス供給管82aは都市ガス等の炭化水素ガスでよい被改質ガス供給源(図示していない)に接続されており、被改質ガス供給管82aを介して改質ケース78aに被改質ガスが供給される。改質ケース78a内には燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質するための適宜の改質触媒が収容されている。
The to-be-reformed
図示の実施形態においては、改質ケース78aは燃料ガス送給管80aを介して燃料ガスケース58aに接続され、これによって所要位置に保持されているが、所要ならば、図4に二点鎖線で図示する如く、例えば上記被改質ガス供給管82aの下面と燃料ガスケース58aの後端部下面或いは後面との間に適宜の支持部材84aを付設することもできる。
In the illustrated embodiment, the reforming
図3において説明すると、発電ユニット56cは上述した発電ユニット56aと実質上同一であり、発電ユニット56b及び56dは、発電ユニット56a及び56cに対して前後方向が逆に配置されていること、従って改質ケース78b及び78dと燃料ガスケース58b及び58dとを接続する燃料ガス送給管(図示していない)が後側に配置され、被改質ガス供給管82b及び82dが改質ケースから下方に延び、ハウジング2の下を通ってハウジング2外に延出している。
Referring to FIG. 3, the
被改質ガス供給管82a〜82dは、ハウジング2の外部において、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置91に接続されている。この燃料ガス供給装置91により、被改質ガスが被改質ガス供給管82a〜82dに所定圧力で供給される。
The reformed
そして、本発明の燃料電池では、ハウジング2内の右側蓄熱壁44a、左側蓄熱壁44bには、W、Moなどからなる6本のヒータ95が、高さ方向に所定間隔を置いて(図1の紙面に対して垂直方向に)それぞれ設けられている。これらのヒータ95は、燃料電池セル62の側方に位置する右側蓄熱壁44a、左側蓄熱壁44bに設けられている。これらのヒータ95の両端には、制御装置(図示せず)に連結され、複数の燃料電池セル62で発生した電力を用いて発熱するように構成されている。
In the fuel cell of the present invention, six
ヒータ95は、ハウジング内の発電室温度が低い場合であって、定常運転時の発電室温度まで昇温する場合に、さらに電力需要が少ない夜間時に、発熱させるように制御される。
The
本発明では、電力需要が急激に高くなる、例えば朝食時間帯の所定時間前の、夜中の低電力需要時間帯に、燃料電池セルで発電した電力を用いてヒータを発熱させ、ハウジング内の発電・燃焼室12を加熱し、加速度的に燃料電池セルの発電量を増加させ、朝食時間帯の急激な電力需要に備えることができる。
In the present invention, the power demand is rapidly increased, for example, a predetermined time before the breakfast time zone, the heater is heated using the power generated by the fuel cell in the low power demand time zone at night, and the power generation in the housing is performed. -The
また、夜中では電力需要は低いため、ベースロード運転を行うが、その際に需要電力よりも大きな電力を発電し、この余剰電力を用いてヒータを発熱させることもできる。 In addition, since the power demand is low at night, the base load operation is performed. At that time, power larger than the demand power can be generated, and the surplus power can be used to heat the heater.
ヒータを発熱させる時間は、一定期間内の高電力使用パターンを学習し、一定期間のうちの一定時間帯にヒータを発熱させることができる。学習機能を有する場合には、電力需要に対してより細かな運転方法を採用できる。
Time to heat the heater can be one high power usage pattern learned the inside constant period, generating heat of the heater for a predetermined time period of the predetermined period. If it has a learning function can adopt a more finely operating process with respect to power demand.
上述したとおりの燃料電池組立体においては、被改質ガスが被改質ガス供給管82a、82b、82c、82dを介して改質ケース78a、78b、78c及び78dに供給され、改質ケース78a、78b、78c及び78d内において水素リッチな燃料ガスに改質された後に、燃料ガス送給管80a、80b、80c、80dを通して燃料ガスケース58a、58b、58c及び58d内に規定されている燃料ガス室に供給され、次いでセルスタック60a、60b、60c及び60dに供給される。
In the fuel cell assembly as described above, the gas to be reformed is supplied to the reforming
セルスタック60a、60b、60c及び60dの各々においては、酸素極において、
1/2O2+2e−→O2−(固体電解質)
の電極反応が生成され、燃料極において、
O2−(固体電解質)+H2→H2O+2e−
の電極反応が生成されて発電される。
In each of the
1 / 2O 2 + 2e − → O 2− (solid electrolyte)
The electrode reaction of
O 2− (solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e −
The electrode reaction is generated and power is generated.
発電に使用されることなくセルスタック60a、60b、60c及び60dから上方に流動した燃料ガス及び空気は、起動時に発電・燃焼室12内に配設されている点火手段(図示していない)によって点火されて燃焼される。周知の如く、セルスタック60a、60b、60c及び60dにおける発電に起因して、そしてまた燃料ガスと空気との燃焼に起因して発電・燃焼室12内は例えば800℃程度の高温になる。改質ケース78a、78b、78c及び78dは発電・燃焼室12内に配設され、セルスタック60a、60b、60c及び60dの直ぐ上方に位置せしめられており、燃焼炎によって直接的にも加熱され、かくして発電・燃焼室12内に生成される高温が被改質ガスの改質に効果的に利用される。
Fuel gas and air that have flown upward from the
発電・燃焼室12内に生成された燃焼ガスは熱交換器24に形成されている排出開口42から排出路30に流入し、ジグザグ状に延在する排出路30を流動した後に二重筒体50の外側筒部材52と内側筒部材54との間に規定されている排出路を通して排出される。燃焼ガスが二重筒体50における排出路を流動する際には、二重筒体50における流入路を空気が流動し、燃焼ガスと空気との間で熱交換が行われる。
The combustion gas generated in the power generation /
そしてまた、燃焼ガスが熱交換器24の排出路30をジグザグ状に流動せしめられる際には、空気が熱交換器24の流入路32をジグザグ状に対向するように流動せしめられる。かくして燃焼ガスと空気との間で効果的に熱交換されて空気が予熱される。
Further, when the combustion gas is caused to flow in the
長期間に渡って発電を遂行することによってセルスタック60a、60b、60c及び60dの一部或いは全部が劣化した場合には、ハウジング2の前断熱壁10或いは後断熱壁11を離脱或いは開動せしめ、発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部をハウジング2内から取り出す。
When part or all of the
そして、発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部を新しいものに交換して、或いは発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部におけるセルスタック60a、60b、60c及び60dのみを新しいものに交換して、再びハウジング2内の所要位置に装着すればよい。発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部あるいは全部における改質ケース78a、78b、78c及び78d内に収容されている改質触媒を交換することが必要な場合にも、発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部をハウジング2内から取り出し、発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部における改質ケース78a、78b、78c及び78d自体を新しいものに或いは改質ケース78a、78b、78c及び78d内の改質触媒のみを新しいものに交換すればよい。
Then, replace some or all of the
改質ケース78a、78b、78c及び78d内の改質触媒の交換を充分容易に遂行し得るようになすために、所望ならば改質ケース78a、78b、78c及び78dの一部を開閉自在な扉にせしめることができる。
In order to be able to perform the replacement of the reforming catalyst in the reforming
一方、空気は二重筒体50の内側筒部材54内に規定されている流入路を通して熱交換器24の流入路32に供給され、熱交換器24を通過して予熱(加熱)された空気は、空気室16に一旦貯留され、空気導入管22を通って燃焼・発電室12のセルスタック間に供給される。この際、空気導入管22はセルスタック60の燃料電池セル62の上端の燃料ガス通路74近傍で燃焼する燃焼ガス雰囲気中を通過する。従って、空気室16の予熱空気はセルスタック60上部の燃焼領域でさらに加熱され、高温に暖められた空気がセルに供給される。
On the other hand, air is supplied to the
通常運転時は前記熱交換器24で予熱された空気が空気室16に導入され、この空気室16から空気導入管22を用いて燃焼・発電室12へ空気が導入されるが、発電室の温度が想定以上に上昇した場合は、前記熱交換器24を通らない低温ガス供給管18を通ってきた低温の空気が空気室16に導入され、熱交換器24を通過して予熱された空気と混合されて、空気室16の空気温度がある程度低下する。この空気を発電室12、即ち、セルスタック間に供給することにより、通常運転時より温度の低い空気がセルスタック間に導入されるので、発電室12、即ち燃料電池セルの過度に上昇した温度が低下されるので、発電室内の温度を適宜にコントロールできる良好な燃料電池組立体が提供される。
During normal operation, air preheated by the
また、空気室16内の空気温度は、低温ガス供給管18から供給された外気と、熱交換器24を通過して予熱された空気と混合されるため、室温ほど低温の空気ではないので、熱い燃料電池セル60に供給しても、燃料電池セル60のクラックや熱衝撃破壊を引き起こすなどの不具合を避けることが出来るので、燃料電池全体の機能劣化が抑えられ寿命が延ばすことができる。
Moreover, since the air temperature in the
さらに、低温ガス供給管18による低温ガスの供給を、空気供給管22の開口部中央部に向けて供給することにより、さらに、両側の熱交換器から加熱された空気を開口部中央部に向けて供給することにより、最も加熱しやすいセル集合体の中央部に空気供給管22により供給される空気を最も低温とでき、中央部から離れるに従って高い温度とすることができ、最適な冷却手段とすることができる。
Furthermore, by supplying the supply of the low temperature gas from the low temperature
また、ハウジング2内であってセル集合体の周囲に、右側蓄熱壁44a、左側蓄熱壁44b、前蓄熱壁44c及び後蓄熱壁44d、下蓄熱壁44e、上蓄熱壁44fを、ハウジング2の外面に上断熱壁4、下断熱壁6、右側断熱壁8、左側断熱壁9、前断熱壁10及び後断熱壁11を配置することにより、セル周囲の高温の熱を蓄熱壁により蓄熱するとともに、外部への熱放散を蓄熱壁及び断熱材と併せて効果的に抑制することができ、分散型発電用の燃料電池組立体において、発熱量の少ない部分負荷運転時においても、有効に発電温度を維持できる。
Further, the right
即ち、分散型発電用の燃料電池組立体では発電量は少ないため小型であり、定常運転時には熱自立し、効果的に発電するが、燃料ガス量を少なくして発電量を少なくした場合、発熱量が少なくなり、熱自立しなくなる傾向にあるが、本発明では、断熱壁によりハウジング内に熱を有効に閉じ込め、定常運転時の高温の熱を蓄熱壁に吸収させ、部分負荷運転し発熱量が少なくなった場合に熱を放散させ、ハウジング内の温度を有効に維持できる。 In other words, the fuel cell assembly for distributed power generation is small because the power generation amount is small, and is self-sustaining in the normal operation and generates power effectively. However, if the power generation amount is reduced by reducing the fuel gas amount, In the present invention, the heat is effectively confined in the housing by the heat insulating wall, the high-temperature heat in the steady operation is absorbed by the heat storage wall, the partial load operation is performed, and the heat generation amount is reduced. When the temperature decreases, heat can be dissipated and the temperature inside the housing can be effectively maintained.
尚、本発明では、改質ケースはセルスタックの上方以外の場合でも、改質ケースをハウジング内に設けない場合であっても良い。 In the present invention, the reforming case may be a case other than the upper part of the cell stack or a case where the reforming case is not provided in the housing.
また、上記形態では、空気室に低温ガス供給手段を設け、空気供給管により、燃料電池セルの外面に空気を供給する場合について説明したが、空気供給管により燃料電池セルの内部に空気を供給するようにしても良いことは勿論である。尚、この場合、燃料電池セルの内側には空気極が、外側には燃料極が形成されることは言うまでもない。 Further, in the above embodiment, a case has been described in which low temperature gas supply means is provided in the air chamber and air is supplied to the outer surface of the fuel cell by the air supply pipe, but air is supplied to the inside of the fuel cell by the air supply pipe. Of course, it may be made to do. In this case, it goes without saying that an air electrode is formed inside the fuel cell and a fuel electrode is formed outside.
(運転方法)
分散型発電を行う家庭等において、図6に示すように、電力需要は、朝食時及び夕食時の時間帯に非常に多く、夜中や昼間の時間帯では極端に少なくなり、300W以下の使用電力が数時間以上継続する。電力需要が非常に多い場合は、燃料電池における発電量(最大出力)よりも多い部分については、電力会社からの電力で賄うことになる。
(how to drive)
As shown in FIG. 6, in households that perform distributed power generation, the power demand is very high during breakfast and dinner, and extremely low during the night and during the day, with power consumption of 300 W or less. Continues for more than a few hours. When the demand for electric power is very large, a portion larger than the amount of power generation (maximum output) in the fuel cell is covered by electric power from the electric power company.
そして、本発明においては、電力使用量が少ない時間帯において、電力使用量が多い時間帯(最大出力の時間帯、例えば朝食時間帯)の所定時間前の、夜中の低電力需要時間帯に、燃料電池セルで発電した電力で、かつ外部に供給されない余剰の電力を用いてヒータを発熱させ、ハウジング内の発電室を加熱し、加速度的に燃料電池セルの発電量を増加させ、朝食時間帯の急激な電力需要に備えることができる。 And, in the present invention, in a low power demand time zone during the night, a predetermined time before a time zone where the power usage is high (a time zone of maximum output, for example, a breakfast time zone) in a time zone where the power usage is low, The power generated by the fuel cell and surplus power that is not supplied to the outside is used to heat the heater, the power generation chamber in the housing is heated, and the power generation amount of the fuel cell is increased at an accelerated rate. Can be prepared for sudden power demand.
例えば、朝食時間帯や夕食時間帯では、30分前に燃料電池セルで発電した電力で、外部に供給されない余剰の電力を用いてヒータを発熱させ、ハウジング内の発電室を加熱し、高電力を発生させられる環境を作り、朝食時間帯や夕食時間帯の急速な高電力に迅速に対応できる。
For example, during breakfast and dinner hours, the heater generates heat using the power generated by the
尚、上記形態では、図1乃至図5に示す燃料電池組立体について説明したが、特に限定されるものではない。 Although the fuel cell assembly shown in FIGS. 1 to 5 has been described in the above embodiment, it is not particularly limited.
2:ハウジング
12:発電・燃焼室
16:空気室(ガス室)
22:空気供給管(ガス供給管)
24:熱交換器
56a、56b、56c及び56d:発電ユニット
58a、58b、58c及び58d:燃料ガスケース
60a、60b、60c及び60d:セルスタック
62:燃料電池セル
78a、78b、78c及び78d:改質ケース
91:燃料ガス供給装置
2: Housing 12: Power generation / combustion chamber 16: Air chamber (gas chamber)
22: Air supply pipe (gas supply pipe)
24:
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