JP5856004B2 - Fuel cell device - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell device.
近年、外装ケース内に、水素含有ガス（燃料ガス）と酸素含有ガス（空気）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルと改質器とを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールを収納するためのモジュール収納室と、該燃料電池モジュールを稼動するための補機を収納するための補機収納室とを、上下に区画してなる燃料電池装置が提案されている。（例えば、特許文献１参照。）。 In recent years, a fuel cell in which a fuel cell and a reformer that can obtain electric power using a hydrogen-containing gas (fuel gas) and an oxygen-containing gas (air) are housed in a housing container in an outer case. There has been proposed a fuel cell device in which a module storage chamber for storing a module and an auxiliary device storage chamber for storing an auxiliary device for operating the fuel cell module are vertically divided. (For example, refer to Patent Document 1).
このような燃料電池装置においては、天然ガスや灯油等の原燃料を、脱硫触媒を備える脱硫器で脱硫処理した後、改質器に供給し、改質器にて水蒸気改質等を行なうことで燃料ガスを生成し、生成された燃料ガスが燃料電池セルに供給される。 In such a fuel cell device, raw fuel such as natural gas or kerosene is desulfurized with a desulfurizer equipped with a desulfurization catalyst, and then supplied to the reformer, and steam reforming or the like is performed with the reformer. Then, the fuel gas is generated, and the generated fuel gas is supplied to the fuel cell.
そして、この脱硫器での脱硫効率を向上することを目的とした燃料電池装置が提供されており、燃料電池モジュールより排出される排ガスを活用してなる燃料電池装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。 And the fuel cell apparatus aiming at improving the desulfurization efficiency in this desulfurizer is provided, and the fuel cell apparatus using the exhaust gas discharged | emitted from a fuel cell module is proposed (for example, (See Patent Document 2).
しかしながら、燃料電池モジュールより排出される排ガスは、燃料電池モジュールの発電等の状況により温度が変化し、それに伴い脱硫器での脱硫効率が変化し、運転効率が低下する場合がある。 However, the temperature of the exhaust gas discharged from the fuel cell module changes depending on the situation such as power generation of the fuel cell module, and accordingly, the desulfurization efficiency in the desulfurizer changes, and the operation efficiency may decrease.
それゆえ、本発明においては、より効率の良い運転を行なうことが可能な燃料電池装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell device capable of performing more efficient operation.
本発明の燃料電池装置は、収納容器内に、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電する固体酸化物形の燃料電池セルと、該燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質器とを収納してなる燃料電池モジュールと、前記改質器に向けて原燃料を供給するための原燃料供給手段と、該原燃料供給手段より供給される原燃料に含有される硫黄成分を除去するための脱硫触媒を備え、前記燃料電池モジュールより排出された排ガスと熱交換するように配置された脱硫器と、前記脱硫器の温度を測定するための脱硫器温度センサと、前記脱硫器の周囲に低温媒体を供給するための低温媒体供給手段と、前記燃料電池モジュールに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段とを、外装ケース内に収納してなるとともに、前記脱硫器温度センサにより測定された温度が所定温度以上となった場合に、前記脱硫器の周囲に低温媒体を供給するように前記低温媒体供給手段の動作を制御するとともに、該低温媒体供給手段を作動した後、前記脱硫器温度センサにより測定された温度が所定温度以上を継続する場合に、前記燃料電池モジュールに供給する酸素含有ガス量を増大するように前記酸素含有ガス供給手段の動作を制御する制御装置を備えることを特徴とする。
A fuel cell device according to the present invention includes a solid oxide fuel cell that generates power with a fuel gas and an oxygen-containing gas in a storage container, and a reformer for generating fuel gas to be supplied to the fuel cell. A fuel cell module, a raw fuel supply means for supplying raw fuel to the reformer, and a sulfur component contained in the raw fuel supplied from the raw fuel supply means is removed. A desulfurizer equipped with a desulfurization catalyst for performing heat exchange with the exhaust gas discharged from the fuel cell module, a desulfurizer temperature sensor for measuring the temperature of the desulfurizer, and the desulfurizer The desulfurizer temperature includes a low temperature medium supply means for supplying a low temperature medium to the surroundings and an oxygen containing gas supply means for supplying an oxygen containing gas to the fuel cell module in an outer case. Sen If the temperature measured by is equal to or greater than a predetermined temperature, to control the operation of the cryogenic medium supply means to supply the low-temperature medium around the desulfurizer, after operating said low temperature medium supply means, A control device for controlling the operation of the oxygen-containing gas supply means so as to increase the amount of oxygen-containing gas supplied to the fuel cell module when the temperature measured by the desulfurizer temperature sensor continues above a predetermined temperature ; It is characterized by providing.
また、本発明の燃料電池装置は、収納容器内に、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電する固体酸化物形の燃料電池セルと、該燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質器とを収納してなる燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段と、前記燃料電池モジュールの温度を測定するためのモジュール温度センサと、前記改質器に向けて原燃料を供給するための原燃料供給手段
と、該原燃料供給手段より供給される原燃料に含有される硫黄成分を除去するための脱硫触媒を備え、前記燃料電池モジュールより排出された排ガスと熱交換するように配置された脱硫器と、前記脱硫器の温度を測定するための脱硫器温度センサと、前記脱硫器の周囲に低温媒体を供給するための低温媒体供給手段とを、外装ケース内に収納してなるとともに、前記モジュール温度センサにより測定された温度が所定温度以上となった場合に、前記燃料電池モジュールに供給する酸素含有ガス量を増大するように前記酸素含有ガス供給手段の動作を制御するとともに、該酸素含有ガス供給手段を作動した後、前記脱硫器温度センサにより測定された温度が所定温度以上を継続する場合に、前記脱硫器の周囲に低温媒体を供給するように前記低温媒体供給手段の動作を制御する制御装置を備えることを特徴とする。
The fuel cell device according to the present invention includes a solid oxide fuel cell that generates electric power with a fuel gas and an oxygen-containing gas in a storage container, and a modification for generating fuel gas to be supplied to the fuel cell. A fuel cell module that contains a mass device, oxygen-containing gas supply means for supplying an oxygen-containing gas to the fuel cell module, a module temperature sensor for measuring the temperature of the fuel cell module, The fuel cell module, comprising: a raw fuel supply means for supplying raw fuel to the reformer; and a desulfurization catalyst for removing sulfur components contained in the raw fuel supplied from the raw fuel supply means a desulfurizer arranged to more discharged exhaust gas heat exchanger, and desulfurizer temperature sensor for measuring the temperature of the desulfurizer, low for supplying low temperature medium around the desulfurizer And medium supply means, it becomes then housed in the outer case, when the module temperature temperature measured by the sensor becomes equal to or higher than a predetermined temperature, so as to increase the oxygen-containing gas amount supplied to the fuel cell module And controlling the operation of the oxygen-containing gas supply means, and after operating the oxygen-containing gas supply means, when the temperature measured by the desulfurizer temperature sensor continues above a predetermined temperature, And a control device for controlling the operation of the low temperature medium supply means so as to supply the low temperature medium .
本発明の燃料電池装置は、脱硫器温度センサにより測定された温度が所定温度以上となった場合に、脱硫器の周囲に低温媒体を供給するように低温媒体供給手段の動作を制御する制御装置を備えることから、脱硫器の温度を所定の範囲内に制御することができ、それにより運転効率の向上した燃料電池装置とすることができる。 The fuel cell device of the present invention is a control device that controls the operation of the low-temperature medium supply means so as to supply the low-temperature medium around the desulfurizer when the temperature measured by the desulfurizer temperature sensor exceeds a predetermined temperature. Therefore, the temperature of the desulfurizer can be controlled within a predetermined range, whereby a fuel cell device with improved operating efficiency can be obtained.
また、本発明の燃料電池装置は、モジュール温度センサにより測定された温度が所定温度以上となった場合に、燃料電池モジュールに供給する酸素含有ガス量を増大するように酸素含有ガス供給手段の動作を制御する制御装置を備えることから、燃料電池モジュールより排出される排ガスの温度を所定の範囲内に制御することで、脱硫器の温度を所定の範囲内に制御することができ、それにより運転効率の向上した燃料電池装置とすることができる。 Further, the fuel cell device of the present invention operates the oxygen-containing gas supply means so as to increase the amount of oxygen-containing gas supplied to the fuel cell module when the temperature measured by the module temperature sensor exceeds a predetermined temperature. Since the control device for controlling the exhaust gas is provided, the temperature of the desulfurizer can be controlled within a predetermined range by controlling the temperature of the exhaust gas discharged from the fuel cell module within the predetermined range. The fuel cell device can be improved in efficiency.
図１は、本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの一例を示した構成図である。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。 FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an example of a fuel cell system including the fuel cell device of the present embodiment. In the following drawings, the same numbers are assigned to the same members.
図１に示す燃料電池システムは、発電を行なう発電ユニットと、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニットと、これらのユニット間に水を循環させるための循環配管とから構成されており、発電ユニットが本発明の燃料電池装置に相当する。 The fuel cell system shown in FIG. 1 includes a power generation unit that generates power, a hot water storage unit that stores hot water after heat exchange, and a circulation pipe that circulates water between these units. Corresponds to the fuel cell device of the present invention.
図１に示す燃料電池装置（発電ユニット）は、複数個の固体酸化物形の燃料電池セル（例えば中空平板型の燃料電池セル等）を組み合わせてなる燃料電池セルスタック１（以下、セルスタックと略す場合がある。）、天然ガスや灯油等の原燃料を供給する原燃料供給手段２、セルスタック１を構成する燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段３、原燃料と水蒸気により水蒸気改質する改質器４を具備している。なお、改質器４は、後述する水ポンプ５により供給される水（純水、以下適宜水と略す場合がある。）を気化し、原燃料供給手段２から供給された原燃料と水蒸気とを混合するための気化部と、内部に改質触媒を備え、混合された原燃料と水蒸気とを反応させて燃料ガス（水素含有ガス）を生成するための改質部とを備えている。 A fuel cell device (power generation unit) shown in FIG. 1 includes a fuel cell stack 1 (hereinafter referred to as a cell stack) formed by combining a plurality of solid oxide fuel cells (for example, hollow plate type fuel cells). A raw fuel supply means 2 for supplying raw fuel such as natural gas and kerosene, an oxygen-containing gas supply means 3 for supplying an oxygen-containing gas to the fuel cells constituting the cell stack 1, A reformer 4 that performs steam reforming with fuel and steam is provided. The reformer 4 vaporizes water supplied by a water pump 5 to be described later (pure water, sometimes abbreviated to water as appropriate), and supplies the raw fuel and steam supplied from the raw fuel supply means 2. And a reforming unit for generating a fuel gas (hydrogen-containing gas) by reacting the mixed raw fuel with water vapor.
なお、図１において、セルスタック１や改質器４を収納容器内に収納することで、本発明の燃料電池装置を構成する燃料電池モジュール（以下、モジュールという場合がある。
）が構成される。なお図１においては、燃料電池モジュールを構成する各装置類を二点鎖線により囲って示している（図１においてＭで示している）。
In FIG. 1, a fuel cell module (hereinafter referred to as a module) that constitutes the fuel cell device of the present invention by storing the cell stack 1 and the reformer 4 in a storage container.
) Is configured. In FIG. 1, each device constituting the fuel cell module is surrounded by a two-dot chain line (indicated by M in FIG. 1).
また、図１に示す燃料電池装置（発電ユニット）においては、セルスタック１を構成する燃料電池セルの発電により生じた排ガス（排熱）と循環配管１２を流れる水とで熱交換を行なう熱交換器６、熱交換器６で生成された凝縮水を純水に処理するための凝縮水処理装置１５、凝縮水処理装置１５にて処理された水（純水）を貯水するための水タンク７とが設けられており、水タンク７と熱交換器６とが凝縮水供給管１４により接続されている。なお、熱交換器６での熱交換により生成される凝縮水の水質によっては、凝縮水処理装置１５を設けない構成とすることもできる。また、凝縮水処理装置１５が水を貯水する機能を有する場合には、水タンク７を設けない構成とすることもできる。 Further, in the fuel cell device (power generation unit) shown in FIG. 1, heat exchange is performed by exchanging heat between exhaust gas (exhaust heat) generated by power generation of the fuel cells constituting the cell stack 1 and water flowing through the circulation pipe 12. 6, a condensed water treatment device 15 for treating the condensed water generated in the heat exchanger 6 into pure water, and a water tank 7 for storing water (pure water) treated in the condensed water treatment device 15. The water tank 7 and the heat exchanger 6 are connected by a condensed water supply pipe 14. In addition, depending on the quality of the condensed water produced | generated by the heat exchange in the heat exchanger 6, it can also be set as the structure which does not provide the condensed water processing apparatus 15. FIG. Moreover, when the condensed water processing apparatus 15 has the function to store water, it can also be set as the structure which does not provide the water tank 7. FIG.
水タンク７に貯水された水は、水タンク７と改質器４とを接続する水供給管１６に備えられた水ポンプ５により改質器４（気化部、図示せず。）に供給される。 The water stored in the water tank 7 is supplied to the reformer 4 (vaporizer, not shown) by a water pump 5 provided in a water supply pipe 16 that connects the water tank 7 and the reformer 4. The
さらに図１に示す燃料電池装置は、燃料電池セルにて発電された直流電力を交流電力に変換し、変換された電流の外部負荷への供給量を調整するための供給電力調整部（パワーコンディショナ）８、熱交換器６の出口に設けられ熱交換器６の出口を流れる水（循環水流）の水温を測定するための出口水温センサ１０のほか、制御装置９が設けられており、循環配管１２内で水を循環させる循環ポンプ１１とあわせて発電ユニット（燃料電池装置）が構成されている。なお、制御装置９については後に詳述する。そして、これら発電ユニットを構成する各装置を、外装ケース内に収納することで、設置や持ち運び等が容易な発電ユニットとすることができる（図示せず）。なお、貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク１３を具備して構成されている。 Furthermore, the fuel cell device shown in FIG. 1 converts a DC power generated by the fuel cell into an AC power, and adjusts the supply amount of the converted current to an external load (power condition unit). Na) 8, In addition to the outlet water temperature sensor 10 for measuring the water temperature of the water (circulated water stream) provided at the outlet of the heat exchanger 6 and flowing through the outlet of the heat exchanger 6, a control device 9 is provided for circulation. A power generation unit (fuel cell device) is configured together with a circulation pump 11 that circulates water in the pipe 12. The control device 9 will be described in detail later. And each apparatus which comprises these electric power generation units can be set as an electric power generation unit with easy installation, carrying etc. by accommodating in an exterior case (not shown). The hot water storage unit includes a hot water storage tank 13 for storing hot water after heat exchange.
また、セルスタック１と熱交換器６との間には、原燃料供給手段２より供給される原燃料に含有される硫黄成分を除去するための脱硫触媒を備える脱硫器１７が配置されており、脱硫器１７により脱硫された原燃料が、改質器４に供給される。 A desulfurizer 17 having a desulfurization catalyst for removing sulfur components contained in the raw fuel supplied from the raw fuel supply means 2 is disposed between the cell stack 1 and the heat exchanger 6. The raw fuel desulfurized by the desulfurizer 17 is supplied to the reformer 4.
また、モジュールＭの排気口には、燃料電池セル（セルスタック１）の運転に伴い生じる排ガスを処理するための排ガス処理装置が設けられている（図示せず）。なお、排ガス処理装置は、収納容器内に収納することができ、排ガス処理装置としては、一般的に公知の燃焼触媒を収納して構成することができる。 Further, an exhaust gas treatment device for treating the exhaust gas generated by the operation of the fuel cell (cell stack 1) is provided at the exhaust port of the module M (not shown). Note that the exhaust gas treatment device can be housed in a storage container, and the exhaust gas treatment device can be generally configured by housing a known combustion catalyst.
ここで、図１に示した燃料電池システムの運転方法について説明する。まず、原燃料供給手段２より脱硫器１７に原燃料が供給される。原燃料は、脱硫器１７により脱硫処理される。脱硫器１７により脱硫された原燃料は引き続き改質器４に供給される。なお、脱硫器１７は、熱交換器６と一体的なものとすることもでき、詳細については後述する。 Here, an operation method of the fuel cell system shown in FIG. 1 will be described. First, raw fuel is supplied from the raw fuel supply means 2 to the desulfurizer 17. The raw fuel is desulfurized by the desulfurizer 17. The raw fuel desulfurized by the desulfurizer 17 is continuously supplied to the reformer 4. The desulfurizer 17 can be integrated with the heat exchanger 6 and will be described in detail later.
改質器４には、熱交換器６において燃料電池セル（セルスタック１）の運転に伴って生じた排ガスと循環配管１２を流れる水との熱交換により生成される凝縮水が供給される。熱交換器６にて生成された凝縮水は、凝縮水処理装置１５により処理されて（純水とされて）水タンク７に供給される。水タンク７に貯水された水は、水ポンプ５により改質器４に供給される。 The reformer 4 is supplied with condensed water generated by heat exchange between the exhaust gas generated by the operation of the fuel cell (cell stack 1) in the heat exchanger 6 and the water flowing through the circulation pipe 12. The condensed water generated in the heat exchanger 6 is processed by the condensed water treatment device 15 (made pure water) and supplied to the water tank 7. The water stored in the water tank 7 is supplied to the reformer 4 by the water pump 5.
それにより、脱硫器１７より供給された脱硫後の原燃料と、水ポンプ５より供給された水とで、改質器４にて水蒸気改質が行われ、水蒸気改質により生成された燃料ガスが燃料電池セルに供給される。燃料電池セルにおいては、燃料ガスと酸素含有ガス供給手段３より供給される酸素含有ガスとを用いて発電が行われる。このように凝縮水を有効に利用することにより、水自立運転を行なうことができる。 Thereby, steam reforming is performed in the reformer 4 with the raw fuel after desulfurization supplied from the desulfurizer 17 and the water supplied from the water pump 5, and the fuel gas generated by the steam reforming Is supplied to the fuel cell. In the fuel battery cell, power generation is performed using the fuel gas and the oxygen-containing gas supplied from the oxygen-containing gas supply means 3. Thus, water self-sustained operation can be performed by using condensed water effectively.
図２は、図１に示すモジュールＭの一例を示す外観斜視図である。モジュールＭは、収納容器２０内に、燃料電池セル２１の複数個を集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続して構成されるセルスタック１の下端を、燃料電池セル２１に燃料ガスを供給するためのマニホールド２２に固定してなるセルスタック装置２６を収納している。 FIG. 2 is an external perspective view showing an example of the module M shown in FIG. The module M has a lower end of a cell stack 1 in which a plurality of fuel cells 21 are electrically connected in series via a current collecting member (not shown) in the storage container 20. A cell stack device 26 fixed to a manifold 22 for supplying fuel gas to 21 is housed.
なお、燃料電池セル２１にて使用する燃料ガスを得るために、脱硫器１７により処理された脱硫後の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器４をセルスタック１の上方に配置している。なお、図２においては、脱硫器１７より改質器４に供給される脱硫後の原燃料の供給管は省略している。また改質器４は、改質器４にて水蒸気改質を行なうために、水ポンプ５より水供給管１６を介して供給された水を気化するための気化部２３と、気化部２３にて気化された水と原燃料とで改質反応を行なうための内部に改質触媒を備える改質部２４とを備えている。そして、改質部２４で生成された燃料ガスは、ガス流通管２５を介してマニホールド２２に供給され、マニホールド２２を介して燃料電池セル２１に供給される。 In addition, in order to obtain the fuel gas used in the fuel cell 21, the reformer 4 for reforming the raw fuel after desulfurization processed by the desulfurizer 17 to generate the fuel gas is provided in the cell stack 1. Arranged above. In FIG. 2, the supply pipe for the raw fuel after desulfurization supplied from the desulfurizer 17 to the reformer 4 is omitted. The reformer 4 also includes a vaporizer 23 for vaporizing water supplied from the water pump 5 via the water supply pipe 16 and a vaporizer 23 so as to perform steam reforming in the reformer 4. And a reforming section 24 including a reforming catalyst for performing a reforming reaction with the vaporized water and raw fuel. The fuel gas generated in the reforming unit 24 is supplied to the manifold 22 via the gas flow pipe 25 and supplied to the fuel battery cell 21 via the manifold 22.
また、図２においては、収納容器２０の一部（前後壁）を取り外し、内部に収納されているセルスタック装置２６および改質器４を後方に取り出した状態を示している。ここで、図２に示した燃料電池モジュールＭにおいては、セルスタック装置２６を、収納容器２０内にスライドして収納することが可能である。なお、セルスタック装置２６は、改質器４を含むものとしても良い。 FIG. 2 shows a state where a part (front and rear walls) of the storage container 20 is removed and the cell stack device 26 and the reformer 4 housed inside are taken out rearward. Here, in the fuel cell module M shown in FIG. 2, the cell stack device 26 can be slid and stored in the storage container 20. Note that the cell stack device 26 may include the reformer 4.
なお、特に説明していないが、収納容器２０の底面には、燃料電池セル２１に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給管（図２において左側）と、燃料電池セルの発電等により生じる排ガスを脱硫器１７に向けて排気するための排気管（図２において右側）とが接続されている。 Although not specifically described, the bottom surface of the storage container 20 is provided with an oxygen-containing gas supply pipe (left side in FIG. 2) for supplying an oxygen-containing gas to the fuel cell 21 and power generation of the fuel cell. An exhaust pipe (on the right side in FIG. 2) for exhausting the generated exhaust gas toward the desulfurizer 17 is connected.
また収納容器２０の内部には、酸素含有ガス供給管より供給された酸素含有ガスを燃料電池セル２１に供給するための酸素含有ガス導入部材２７が配置されており、図２に示すモジュールＭにおいては、酸素含有ガス導入部材２７は、マニホールド２２に並置されたセルスタック１の間に配置されるとともに、酸素含有ガスが燃料ガスの流れに合わせて、燃料電池セル２１の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、燃料電池セル２１の下端部に酸素含有ガスを供給する。 An oxygen-containing gas introduction member 27 for supplying the oxygen-containing gas supplied from the oxygen-containing gas supply pipe to the fuel cell 21 is disposed inside the storage container 20. In the module M shown in FIG. The oxygen-containing gas introduction member 27 is disposed between the cell stacks 1 juxtaposed on the manifold 22, and the side of the fuel cell 21 from the lower end is aligned with the flow of the fuel gas. An oxygen-containing gas is supplied to the lower end portion of the fuel cell 21 so as to flow toward the upper end portion.
そして、燃料電池セル２１より排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル２１の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル２１の温度を上昇させることができ、セルスタック装置２６の起動を早めることができる。また、燃料電池セル２１の上端部側にて、燃料電池セル２１から排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させることにより、燃料電池セル２１（セルスタック１）の上方に配置された改質器４を温めることができる。それにより、改質器４で効率よく改質反応を行うことができるほか、モジュールＭの温度を高温に維持することができる。 The temperature of the fuel cell 21 can be increased by burning the fuel gas and the oxygen-containing gas discharged from the fuel cell 21 on the upper end side of the fuel cell 21. Start-up can be accelerated. Further, the fuel gas discharged from the fuel battery cell 21 and the oxygen-containing gas are combusted on the upper end side of the fuel battery cell 21, thereby improving the fuel cell 21 (cell stack 1) disposed above. The quality device 4 can be warmed. Thereby, the reforming reaction can be efficiently performed in the reformer 4, and the temperature of the module M can be maintained at a high temperature.
ところで、脱硫器１７にて原燃料に含有される硫黄成分を除去するにあたり、脱硫触媒として、ゼオライト系脱硫剤、マンガン−銅系脱硫剤、酸化亜鉛系脱硫剤等の脱硫触媒を用いることができるが、これらの脱硫触媒の活性を高めるために、脱硫触媒の温度を適度に向上させることが好ましい。 By the way, when removing the sulfur component contained in the raw fuel in the desulfurizer 17, a desulfurization catalyst such as a zeolite desulfurization agent, a manganese-copper desulfurization agent, or a zinc oxide desulfurization agent can be used as the desulfurization catalyst. However, in order to increase the activity of these desulfurization catalysts, it is preferable to moderately improve the temperature of the desulfurization catalyst.
本実施形態の燃料電池装置１においては、モジュールＭにおいて余剰の燃料ガスを燃焼させて生じる排ガスを用いて脱硫器１７と熱交換することにより、脱硫触媒の温度を上昇させることができる。それにより、脱硫効率が向上し、燃料電池装置の運転効率の向上や
、寿命を長くすることができる。
In the fuel cell device 1 of the present embodiment, the temperature of the desulfurization catalyst can be increased by exchanging heat with the desulfurizer 17 using the exhaust gas generated by burning excess fuel gas in the module M. Thereby, the desulfurization efficiency is improved, the operation efficiency of the fuel cell device can be improved, and the life can be extended.
しかしながら、モジュールＭより排出される排ガスは、セルスタック１での発電量等に応じて排ガスの温度が変化する。ここで、燃料電池システムを構成する燃料電池セルが劣化した場合や、その他の原因等により、モジュールＭより排出される排ガスの温度が高温となった場合に、脱硫器１７の温度が上昇しすぎてしまい、それにより、脱硫器１７に備えられた脱硫触媒の劣化が早まるおそれがあるほか、脱硫効率が低下し、ひいては燃料電池装置の運転効率が低下するおそれがある。 However, the temperature of the exhaust gas discharged from the module M changes according to the amount of power generated in the cell stack 1 or the like. Here, when the temperature of the exhaust gas discharged from the module M becomes high due to deterioration of the fuel cells constituting the fuel cell system or other causes, the temperature of the desulfurizer 17 increases too much. As a result, the desulfurization catalyst provided in the desulfurizer 17 may be quickly deteriorated, the desulfurization efficiency may be reduced, and the operation efficiency of the fuel cell device may be reduced.
それゆえ、図１に示す燃料電池装置を備える燃料電池システムにおいては、脱硫器１７の周囲に冷媒を供給するための低温媒体供給手段１８と、脱硫器１７の温度を測定するための脱硫器温度センサ１９とを備えている。なお、図中の矢印は、原燃料、酸素含有ガス、水の流れ方向を示したものであり、また破線は制御装置９に伝送される主な信号経路、または制御装置９より伝送（発信）される主な信号経路を示している。 Therefore, in the fuel cell system including the fuel cell device shown in FIG. 1, the low-temperature medium supply means 18 for supplying the refrigerant around the desulfurizer 17 and the desulfurizer temperature for measuring the temperature of the desulfurizer 17. And a sensor 19. In addition, the arrow in a figure shows the flow direction of raw fuel, oxygen-containing gas, and water, and a broken line is a main signal path | route transmitted to the control apparatus 9, or transmission (transmission) from the control apparatus 9. The main signal paths to be performed are shown.
本実施形態の燃料電池装置では、制御装置９は、脱硫器温度センサ１９により測定された温度が所定温度以上となった場合に、脱硫器１７の温度を低下させるための低温媒体供給手段１８を動作させ、脱硫器１７の温度を低下させることができる。なお、低温媒体としては、例えば空気や水を用いることができ、これらは脱硫器１７の冷却後に、モジュールＭに供給することも可能である。なお、脱硫器温度センサ１９により測定された温度が所定温度未満となった場合に、低温媒体供給手段１８の動作を停止することで、脱硫器１７の温度が低下しすぎることを防止することができる。 In the fuel cell device of the present embodiment, the control device 9 includes a low-temperature medium supply means 18 for lowering the temperature of the desulfurizer 17 when the temperature measured by the desulfurizer temperature sensor 19 exceeds a predetermined temperature. The temperature of the desulfurizer 17 can be lowered by operating. As the low-temperature medium, for example, air or water can be used, and these can be supplied to the module M after the desulfurizer 17 is cooled. In addition, when the temperature measured by the desulfurizer temperature sensor 19 becomes less than a predetermined temperature, the operation of the low-temperature medium supply unit 18 is stopped to prevent the temperature of the desulfurizer 17 from being excessively lowered. it can.
それにより、脱硫器１７の温度を一定の範囲に制御することができることから、運転効率の向上した燃料電池装置とすることができる。 Thereby, since the temperature of the desulfurizer 17 can be controlled within a certain range, a fuel cell device with improved operating efficiency can be obtained.
なお、上記において、所定の温度とは、脱硫器１７に備える脱硫触媒の種類によって適宜設定することができるが、例えば脱硫触媒を酸化亜鉛系触媒とした場合には、所定温度を１００〜４００℃の範囲で適宜設定することができる。 In the above, the predetermined temperature can be appropriately set depending on the type of the desulfurization catalyst provided in the desulfurizer 17. For example, when the desulfurization catalyst is a zinc oxide catalyst, the predetermined temperature is set to 100 to 400 ° C. It can set suitably in the range.
また、図１に示す燃料電池システムのような制御を行った場合において、脱硫器１７の温度が所定温度以上を所定時間継続した場合には、制御装置９は、燃料電池セル２の発電を停止するように、改質器４に向けた原燃料の供給を停止するように原燃料供給手段２の動作を制御することが好ましい。 Further, when the control as in the fuel cell system shown in FIG. 1 is performed, if the temperature of the desulfurizer 17 continues for a predetermined time above the predetermined temperature, the control device 9 stops the power generation of the fuel cell 2. Thus, it is preferable to control the operation of the raw fuel supply means 2 so as to stop the supply of the raw fuel toward the reformer 4.
脱硫器１７の周囲に低温媒体供給手段１８により冷媒を供給しているにもかかわらず、脱硫器１７の温度が所定温度以上を所定時間継続した場合には、燃料電池装置が故障していると判断することができる。この場合に、制御装置９が燃料電池セル２１の発電を停止するように、改質器４に向けた原燃料の供給を停止するように原燃料供給手段２の動作を制御することで、燃料電池装置が故障することを未然に防止することができる。なお、所定温度とは上述した温度とすることができ、所定時間とは例えば０．５〜２時間とすることができる。 Even though the refrigerant is supplied around the desulfurizer 17 by the low-temperature medium supply means 18, if the temperature of the desulfurizer 17 continues above the predetermined temperature for a predetermined time, the fuel cell device is broken. Judgment can be made. In this case, the control device 9 controls the operation of the raw fuel supply means 2 so as to stop the supply of the raw fuel toward the reformer 4 so as to stop the power generation of the fuel battery cell 21, thereby It is possible to prevent the battery device from being broken. The predetermined temperature can be the temperature described above, and the predetermined time can be, for example, 0.5 to 2 hours.
なお、本実施形態の燃料電池装置においては、脱硫器１７で熱交換した後の排ガスは、続いて熱交換器６に供給される。それにより、熱交換器６において、脱硫器１７で熱交換した後の排ガスと循環配管１２を流れる水とで熱交換することで、凝縮水の生成およびお湯の生成を行なうことができる。 In the fuel cell device of the present embodiment, the exhaust gas after heat exchange in the desulfurizer 17 is subsequently supplied to the heat exchanger 6. Thereby, in the heat exchanger 6, heat exchange can be performed between the exhaust gas after heat exchange in the desulfurizer 17 and the water flowing in the circulation pipe 12, thereby generating condensed water and hot water.
図３は、本実施形態の他の例の燃料電池装置を備える燃料電池システムの一例を示した構成図である。図４に示す燃料電池システムにおいては、モジュールＭの温度を測定する
ためのモジュール温度センサ２８を備えている。
FIG. 3 is a configuration diagram illustrating an example of a fuel cell system including a fuel cell device according to another example of the present embodiment. The fuel cell system shown in FIG. 4 includes a module temperature sensor 28 for measuring the temperature of the module M.
図１に示す燃料電池システムにおいては、脱硫器１７の温度を直接測定していたが、図２に示す燃料電池システムでは、モジュールＭの温度を測定することで、脱硫器１７の温度を間接的に測定している。それにより、脱硫器１７の温度を間接的に測定することができることで、脱硫器１７に備えられた脱硫触媒の劣化が早まることを抑制する制御が可能となる。 In the fuel cell system shown in FIG. 1, the temperature of the desulfurizer 17 is directly measured. However, in the fuel cell system shown in FIG. 2, the temperature of the desulfurizer 17 is indirectly measured by measuring the temperature of the module M. Is measured. Thereby, since the temperature of the desulfurizer 17 can be indirectly measured, it is possible to control the deterioration of the desulfurization catalyst provided in the desulfurizer 17 from being accelerated.
そして、図３に示す燃料電池システムでは、モジュール温度センサ２８により測定されたモジュールＭの温度が所定温度以上となった場合には、制御装置９は、モジュールＭに供給する酸素含有ガスの量を増大するように酸素含有ガス供給手段３の動作を制御する。それにより、モジュールＭからの排ガスの温度を低下させることができ、それにより、脱硫器１７の温度を低下させることができる。なお、図１に示す燃料電池システムと同様に、モジュール温度センサ２８により測定された温度が所定温度未満となった場合に、モジュールＭに供給される酸素含有ガス量を低下する（元に戻す）ように、酸素含有ガス供給手段３の動作を制御することで、脱硫器１７の温度が低下しすぎることを防止することができる。 In the fuel cell system shown in FIG. 3, when the temperature of the module M measured by the module temperature sensor 28 is equal to or higher than a predetermined temperature, the control device 9 determines the amount of oxygen-containing gas supplied to the module M. The operation of the oxygen-containing gas supply means 3 is controlled so as to increase. Thereby, the temperature of the exhaust gas from the module M can be lowered, and thereby the temperature of the desulfurizer 17 can be lowered. As in the fuel cell system shown in FIG. 1, when the temperature measured by the module temperature sensor 28 is lower than a predetermined temperature, the amount of oxygen-containing gas supplied to the module M is reduced (returned to the original). Thus, it is possible to prevent the temperature of the desulfurizer 17 from being excessively lowered by controlling the operation of the oxygen-containing gas supply means 3.
なお、上記において、所定の温度とは、脱硫器１７に備える脱硫触媒の種類によって適宜設定することができるが、例えば脱硫触媒を酸化亜鉛系触媒とした場合には、所定温度を１００〜４００℃の範囲で適宜設定することができる。 In the above, the predetermined temperature can be appropriately set depending on the type of the desulfurization catalyst provided in the desulfurizer 17. For example, when the desulfurization catalyst is a zinc oxide catalyst, the predetermined temperature is set to 100 to 400 ° C. It can set suitably in the range.
そして、図３に示す燃料電池システムのような制御を行った場合において、モジュールＭの温度が所定温度以上を所定時間継続した場合には、制御装置９は、燃料電池セル２の発電を停止するように、改質器４に向けた原燃料の供給を停止するように原燃料供給手段２の動作を制御することが好ましい。 In the case where the control as in the fuel cell system shown in FIG. 3 is performed, when the temperature of the module M continues above the predetermined temperature for a predetermined time, the control device 9 stops the power generation of the fuel cell 2. Thus, it is preferable to control the operation of the raw fuel supply means 2 so as to stop the supply of the raw fuel toward the reformer 4.
モジュールＭに供給する酸素含有ガスの量を増大しているにも関わらず、モジュールＭの温度が所定温度以上を所定時間継続した場合には、燃料電池装置が故障していると判断することができる。この場合に、制御装置９が燃料電池セル２１の発電を停止するように、改質器４に向けた原燃料の供給を停止するように原燃料供給手段２の動作を制御することで、燃料電池装置が故障することを未然に防止することができる。なお、所定温度とは上述した温度とすることができ、所定時間とは例えば０．５〜２時間とすることができる。 In spite of increasing the amount of oxygen-containing gas supplied to the module M, when the temperature of the module M continues above a predetermined temperature for a predetermined time, it may be determined that the fuel cell device has failed. it can. In this case, the control device 9 controls the operation of the raw fuel supply means 2 so as to stop the supply of the raw fuel toward the reformer 4 so as to stop the power generation of the fuel battery cell 21, thereby It is possible to prevent the battery device from being broken. The predetermined temperature can be the temperature described above, and the predetermined time can be, for example, 0.5 to 2 hours.
また、図３に示す燃料電池システムにおいても、脱硫器１７で熱交換した後の排ガスは、続いて熱交換器６に供給される。それにより、熱交換器６において、脱硫器１７で熱交換した後の排ガスと循環配管１２を流れる水とで熱交換することで、凝縮水の生成およびお湯の生成を行なうことができる。 Also in the fuel cell system shown in FIG. 3, the exhaust gas after heat exchange in the desulfurizer 17 is subsequently supplied to the heat exchanger 6. Thereby, in the heat exchanger 6, heat exchange can be performed between the exhaust gas after heat exchange in the desulfurizer 17 and the water flowing in the circulation pipe 12, thereby generating condensed water and hot water.
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。 Although the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and improvements can be made without departing from the scope of the present invention.
例えば、本実施形態の燃料電池装置において、図１に示す燃料電池システムと図３に示す燃料電池システムを組み合わせて用いることもできる。例えば、脱硫器１７の周囲に低温媒体供給手段１８より冷媒を供給しても、脱硫器１７の温度が所定温度以上を継続する場合に、酸素含有ガス供給手段３よりモジュールＭに供給する酸素含有ガスの量を増大させることもできる。それにより、脱硫器１７の温度範囲を所定の温度範囲とすることができ、運転効率の向上した燃料電池装置とすることができる。なお、先に酸素含有ガスの供
給量を増大させて、その後冷媒を供給するようにしてもよい。
For example, in the fuel cell device of the present embodiment, the fuel cell system shown in FIG. 1 and the fuel cell system shown in FIG. 3 can be used in combination. For example, even if the refrigerant is supplied around the desulfurizer 17 from the low-temperature medium supply unit 18, the oxygen-containing gas supplied from the oxygen-containing gas supply unit 3 to the module M when the temperature of the desulfurizer 17 continues to be a predetermined temperature or higher. The amount of gas can also be increased. Thereby, the temperature range of the desulfurizer 17 can be set to a predetermined temperature range, and a fuel cell device with improved operating efficiency can be obtained. Note that the supply amount of the oxygen-containing gas may be increased first, and then the refrigerant may be supplied.
１：セルスタック
４：改質器
９：制御装置
１７：脱硫器
２８：冷媒供給手段
２９：脱硫器温度センサ
３０：排ガス温度センサ
Ｍ：燃料電池モジュール
1: Cell stack 4: Reformer 9: Controller 17: Desulfurizer 28: Refrigerant supply means 29: Desulfurizer temperature sensor 30: Exhaust gas temperature sensor M: Fuel cell module
Claims (5)
前記改質器に向けて原燃料を供給するための原燃料供給手段と、
該原燃料供給手段より供給される原燃料に含有される硫黄成分を除去するための脱硫触媒を備え、前記燃料電池モジュールより排出された排ガスと熱交換するように配置された脱硫器と、
前記脱硫器の温度を測定するための脱硫器温度センサと、
前記脱硫器の周囲に低温媒体を供給するための低温媒体供給手段と、
前記燃料電池モジュールに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段とを、
外装ケース内に収納してなるとともに、
前記脱硫器温度センサにより測定された温度が所定温度以上となった場合に、前記脱硫器の周囲に低温媒体を供給するように前記低温媒体供給手段の動作を制御するとともに、該低温媒体供給手段を作動した後、前記脱硫器温度センサにより測定された温度が所定温度以上を継続する場合に、前記燃料電池モジュールに供給する酸素含有ガス量を増大するように前記酸素含有ガス供給手段の動作を制御する制御装置を備えることを特徴とする燃料電池装置。 A fuel cell in which a solid oxide fuel cell that generates electric power with a fuel gas and an oxygen-containing gas and a reformer for generating fuel gas to be supplied to the fuel cell are housed in a storage container Module,
Raw fuel supply means for supplying raw fuel to the reformer;
A desulfurizer comprising a desulfurization catalyst for removing sulfur components contained in the raw fuel supplied from the raw fuel supply means, and arranged to exchange heat with the exhaust gas discharged from the fuel cell module;
A desulfurizer temperature sensor for measuring the temperature of the desulfurizer;
A low-temperature medium supply means for supplying a low-temperature medium around the desulfurizer ;
Oxygen-containing gas supply means for supplying oxygen-containing gas to the fuel cell module ;
While housed in an exterior case,
When the temperature measured by the desulfurizer temperature sensor is equal to or higher than a predetermined temperature, the operation of the low temperature medium supply means is controlled so as to supply the low temperature medium around the desulfurizer, and the low temperature medium supply means When the temperature measured by the desulfurizer temperature sensor continues above a predetermined temperature, the operation of the oxygen-containing gas supply means is increased so as to increase the amount of oxygen-containing gas supplied to the fuel cell module. A fuel cell device comprising a control device for controlling.
前記燃料電池モジュールに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段と、
前記燃料電池モジュールの温度を測定するためのモジュール温度センサと、
前記改質器に向けて原燃料を供給するための原燃料供給手段と、
該原燃料供給手段より供給される原燃料に含有される硫黄成分を除去するための脱硫触媒を備え、前記燃料電池モジュールより排出された排ガスと熱交換するように配置された脱硫器と、
前記脱硫器の温度を測定するための脱硫器温度センサと、
前記脱硫器の周囲に低温媒体を供給するための低温媒体供給手段とを、
外装ケース内に収納してなるとともに、
前記モジュール温度センサにより測定された温度が所定温度以上となった場合に、前記燃料電池モジュールに供給する酸素含有ガス量を増大するように前記酸素含有ガス供給手段の動作を制御するとともに、該酸素含有ガス供給手段を作動した後、前記脱硫器温度センサにより測定された温度が所定温度以上を継続する場合に、前記脱硫器の周囲に低温媒体を供給するように前記低温媒体供給手段の動作を制御する制御装置を備えることを特徴とする燃料電池装置。 A fuel cell in which a solid oxide fuel cell that generates electric power with a fuel gas and an oxygen-containing gas and a reformer for generating fuel gas to be supplied to the fuel cell are housed in a storage container Module,
Oxygen-containing gas supply means for supplying oxygen-containing gas to the fuel cell module;
A module temperature sensor for measuring the temperature of the fuel cell module;
Raw fuel supply means for supplying raw fuel to the reformer;
A desulfurizer comprising a desulfurization catalyst for removing sulfur components contained in the raw fuel supplied from the raw fuel supply means, and arranged to exchange heat with the exhaust gas discharged from the fuel cell module;
A desulfurizer temperature sensor for measuring the temperature of the desulfurizer;
A low temperature medium supply means for supplying a low temperature medium around the desulfurizer ,
While housed in an exterior case,
If the measured by the module temperature sensor temperature is equal to or higher than a predetermined temperature, to control the operation of the oxygen-containing gas supply means so as to increase the oxygen-containing gas amount supplied to the fuel cell module, oxygen After the operation of the contained gas supply means, when the temperature measured by the desulfurizer temperature sensor continues above a predetermined temperature, the operation of the low temperature medium supply means is performed so as to supply the low temperature medium around the desulfurizer. A fuel cell device comprising a control device for controlling.
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