JP6189190B2 - Fuel cell reduction device and fuel cell reduction method - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池還元装置および燃料電池還元方法に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell reduction device and a fuel cell reduction method.

燃料電池の1つとして、固体電解質型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)が知られている。SOFCは、固体電解質とその両面に形成された燃料極、および空気極から構成される燃料電池セルを有している。SOFCは、燃料極に燃料ガスを供給するとともに、空気極に酸化剤ガスを供給し、燃料ガスに含まれる燃料と酸化剤ガスに含まれる酸素とを固体電解質を介して化学反応させることによって電力を発生させるものである(例えば、特許文献1〜4)。   As one of the fuel cells, a solid oxide fuel cell (SOFC) is known. The SOFC has a fuel cell composed of a solid electrolyte, fuel electrodes formed on both sides thereof, and an air electrode. The SOFC supplies fuel gas to the fuel electrode, oxidant gas to the air electrode, and causes electric power by chemically reacting the fuel contained in the fuel gas and the oxygen contained in the oxidant gas via the solid electrolyte. (For example, Patent Documents 1 to 4).

SOFCの燃料電池セルは、焼成によって形成される。燃料電池セルの焼成は電気炉又はガス炉で行われている。燃料電池セルの材料にはNiが使用されている。該Niは、焼成後、燃料電池セル中にNiOとして存在する。NiOの状態では、SOFCは発電できない。SOFCを発電可能な状態とするには、NiOをNiに還元する必要がある。   SOFC fuel cells are formed by firing. Firing of fuel cells is performed in an electric furnace or a gas furnace. Ni is used for the material of the fuel cell. The Ni is present as NiO in the fuel cell after firing. In the state of NiO, SOFC cannot generate electricity. In order to make the SOFC ready for power generation, it is necessary to reduce NiO to Ni.

従来、NiOの還元は、燃料電池セルを高温状態とし、燃料極側にHを通気して行われている。還元処理装置において、還元処理室を構成する一部の部品に、金属材料が用いられている。金属材料からなる部品が高温になりすぎると、構造強度上問題となり、また、酸化して寿命が短くなる。そのため、NiOを還元する際には、金属材料からなる部品部分の温度を抑えつつ、燃料電池セルを高温状態としなくてはならない。高温状態とは、例えば、燃料電池セル両端部が600℃、発電部が700℃から900℃を指す。 Conventionally, the reduction of NiO has been performed by placing the fuel cell in a high temperature state and ventilating H 2 to the fuel electrode side. In the reduction processing apparatus, a metal material is used for some parts constituting the reduction processing chamber. If a part made of a metal material becomes too hot, it causes a problem in structural strength, and also oxidizes and shortens its life. Therefore, when reducing NiO, the temperature of the component part made of a metal material must be suppressed, and the fuel cell must be in a high temperature state. The high temperature state refers to, for example, 600 ° C. at both ends of the fuel cell and 700 ° C. to 900 ° C. of the power generation unit.

特開2004−119298号公報JP 2004-119298 A 特開2008−21597号公報JP 2008-21597 A 特開平9−70540号公報JP-A-9-70540 特開2012−59505号公報JP 2012-59505 A

燃料電池セルを高温にする方法として、燃料電池セルの焼成時と同様にガス炉を使用できるとよい。しかしながら、ガス炉を使用した場合には、燃料電池セルを部分的に高温とすることは難しく、還元処理室およびSOFC全体が高温となる。そのため、ガス炉は使用できない。   As a method for increasing the temperature of the fuel cell, it is preferable that a gas furnace can be used as in the case of firing the fuel cell. However, when the gas furnace is used, it is difficult to partially raise the temperature of the fuel battery cell, and the entire reduction treatment chamber and the SOFC become hot. Therefore, a gas furnace cannot be used.

燃料電池セルを高温にする別の方法として、電気ヒータを用いて燃料電池セルを部分的に加熱する方法がある。   As another method of raising the temperature of the fuel cell, there is a method of partially heating the fuel cell using an electric heater.

しかしながら、電気ヒータを用いた場合には、量産時に電気代が大きくなることが懸念される。   However, when an electric heater is used, there is a concern that the electricity cost will increase during mass production.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、還元処理コストを抑えつつ、還元反応を進めることができる燃料電池還元装置および燃料電池還元方法を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of such a situation, Comprising: It aims at providing the fuel cell reduction | restoration apparatus and fuel cell reduction | restoration method which can advance a reductive reaction, suppressing reduction processing cost.

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池還元装置および燃料電池還元方法は以下の手段を採用する。
本発明は、燃料極と、固体電解質と、酸化触媒能を有する空気極とが積層して形成された燃料電池セルを複数備えたセルスタックを還元処理する燃料電池還元装置であって、複数の前記セルスタックを収容する収容室と、前記収容室に収容された前記セルスタックの燃料極側に、還元剤を含む第1流体を供給する燃料極側流体供給経路と、前記収容室に収容された前記セルスタックの空気極側に、酸化剤を含む第2流体を供給する空気極側流体供給経路と、前記空気極側流体供給経路内に、酸化剤を含む流体を送り出す酸化剤送出部と、前記空気極側流体供給経路内に送り出された酸化剤を含む流体を予熱する予熱部と、前記空気極側流体供給経路内に送り出された酸化剤を含む第2流体に、可燃限界濃度以下の可燃性燃料を含む流体を添加する燃料添加部と、管状部材である空気極側流体排出経路と、を備え、前記空気極側流体供給経路が、前記セルスタックの空気極側の面に向けて酸化剤を含む第2流体を供給する複数の供給口を有し、複数の前記供給口は、前記セルスタックの軸方向に所定の間隔を開けて配置され、前記空気極側流体排出経路は、前記収容室の側壁と同心となるよう前記収容室内の中央に配置され、前記セルスタックは、前記収容室の側壁と前記空気極側流体排出経路との間に配置されている燃料電池還元装置を提供する。
In order to solve the above problems, the fuel cell reduction device and the fuel cell reduction method of the present invention employ the following means.
The present invention is a fuel cell reduction device for reducing a cell stack including a plurality of fuel cells formed by laminating a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode having an oxidation catalyst ability, A storage chamber for storing the cell stack; a fuel electrode side fluid supply path for supplying a first fluid containing a reducing agent to the fuel electrode side of the cell stack stored in the storage chamber; and the storage chamber. An air electrode side fluid supply path for supplying a second fluid containing an oxidant to the air electrode side of the cell stack, and an oxidant delivery section for sending a fluid containing an oxidant into the air electrode side fluid supply path; A preheating part for preheating the fluid containing the oxidant sent into the air electrode side fluid supply path, and a second fluid containing the oxidant sent into the air electrode side fluid supply path with a flammability limit concentration or less. Add fluid containing flammable fuel That a fuel addition unit includes a cathode-side fluid discharge path is a tubular member, wherein the air electrode-side fluid supply path, a second fluid containing the oxidizing agent toward the surface of the air electrode side of the cell stack A plurality of supply ports, the plurality of supply ports are arranged at predetermined intervals in the axial direction of the cell stack, and the air electrode side fluid discharge path is concentric with the side wall of the storage chamber. The fuel cell reduction device is disposed at the center of the storage chamber, and the cell stack is disposed between a side wall of the storage chamber and the air electrode side fluid discharge path .

可燃性燃料は、空気極に含まれる酸化触媒によって触媒燃焼され得る。触媒燃焼とは、触媒表面における接触酸化反応を利用した無炎燃焼法である。該無炎燃焼法は、可燃限界濃度以下の希薄燃料の完全酸化を、比較的低温で安定に進行させることができる。   The combustible fuel can be catalytically combusted by an oxidation catalyst contained in the air electrode. Catalytic combustion is a flameless combustion method using a catalytic oxidation reaction on the catalyst surface. The flameless combustion method can allow complete oxidation of a lean fuel having a flammable limit concentration or less to proceed stably at a relatively low temperature.

可燃限界濃度以下の希薄燃料がセルスタックの空気極側に供給されると、可燃性燃料は、空気極の表面のみで触媒燃焼する。燃焼時に発生する熱により、燃料電池セルを昇温させることができる。通常の火炎燃焼では、可燃限界濃度以下の希薄燃料が自着火することはない。したがって、セルスタックの燃料電池セルを備えていない部分では、燃焼による熱は生じない。本発明によれば、電気ヒータなどの外部高温熱源を使用せずに、燃料電池セルを限定的に昇温させることができる。外部高温熱源を使用したとしても、補助的に用いる程度で済むため、電気代を節約できる。   When a lean fuel having a flammable limit concentration or less is supplied to the air electrode side of the cell stack, the combustible fuel undergoes catalytic combustion only on the surface of the air electrode. The temperature of the fuel cell can be raised by the heat generated during combustion. In normal flame combustion, a lean fuel below the flammable limit concentration does not self-ignite. Therefore, no heat is generated by combustion in the portion of the cell stack that does not include the fuel cells. According to the present invention, the temperature of the fuel cell can be raised only without using an external high-temperature heat source such as an electric heater. Even if an external high-temperature heat source is used, it is sufficient to use it supplementarily, so that the electricity bill can be saved.

酸化触媒は、空気極に含まれる成分である。燃料電池セルに新たな構成を追加する必要がないため、触媒燃焼を利用した昇温は、大型の燃料電池還元装置設計における昇温手段として好適である。   The oxidation catalyst is a component contained in the air electrode. Since it is not necessary to add a new configuration to the fuel cell, the temperature rise using catalytic combustion is suitable as a temperature raising means in the design of a large fuel cell reduction device.

触媒燃焼により高温となった燃料電池セルでは、還元剤が燃料電池セルに含まれる酸化物と反応し、該酸化物を還元できる。   In the fuel battery cell that has reached a high temperature due to catalytic combustion, the reducing agent reacts with the oxide contained in the fuel battery cell, and the oxide can be reduced.

特許文献4では、セルスタックの一端部側から、燃料電池セルの空気極側の面に沿う方向に可燃性燃料を含む流体を供給している。特許文献4に記載の方法では、セルスタックの下部の温度が上部よりも高くなり、軸方向に温度分布が生じる。温度の高いセルスタックの下部から還元させると、後発の上部が還元したときに、下部で燃料欠乏が起こる。   In patent document 4, the fluid containing a combustible fuel is supplied from the one end part side of a cell stack to the direction along the air electrode side surface of a fuel cell. In the method described in Patent Document 4, the temperature of the lower part of the cell stack is higher than that of the upper part, and a temperature distribution is generated in the axial direction. When reducing from the lower part of the high temperature cell stack, fuel deficiency occurs at the lower part when the upper part of the later generation is reduced.

本発明において、可燃性燃料を含む流体は、燃料電池セルの空気極側の面に向けて供給される。それにより、セルスタックの軸方向における温度分布の偏りの発生を抑制できる。温度分布をつけないようにすることで、未反応のNiOが残留しないようにできる。   In the present invention, the fluid containing the combustible fuel is supplied toward the air electrode side surface of the fuel battery cell. Thereby, it is possible to suppress the occurrence of temperature distribution bias in the axial direction of the cell stack. By avoiding the temperature distribution, unreacted NiO can be prevented from remaining.

空気極に含まれる酸化触媒は、所定温度域で触媒として作用する。予熱した酸化剤を含む第2流体を、セルスタックの空気極側に供給することで、燃料電池セルの温度を、触媒燃焼可能な温度域まで上昇させることができる。   The oxidation catalyst contained in the air electrode acts as a catalyst in a predetermined temperature range. By supplying the second fluid containing the preheated oxidant to the air electrode side of the cell stack, the temperature of the fuel cell can be raised to a temperature range where catalytic combustion is possible.

上記発明の一態様において、前記燃料添加部が、前記燃料電池セルの温度を計測する計測手段と、前記可燃性燃料を含む流体の添加量を調節し、前記燃料電池セルの温度を制御する制御部を備えていることが好ましい。   1 aspect of the said invention WHEREIN: The said fuel addition part adjusts the addition amount of the fluid containing the said combustible fuel and the measurement means which measures the temperature of the said fuel cell, and control which controls the temperature of the said fuel cell It is preferable to provide the part.

燃料電池セルの温度を高くしすぎることは、燃料電池セルを損傷させる恐れがあるため好ましくない。一方、燃料電池セルの温度を低くしすぎることは、還元反応を遅延させる恐れがあるため好ましくない。上記発明の一態様によれば、可燃性燃料を含む流体の添加量を調節して、触媒燃焼により発生する熱量を変化させることで、セルスタックの還元処理に適した温度環境を維持できる。   It is not preferable to make the temperature of the fuel cell too high because the fuel cell may be damaged. On the other hand, it is not preferable to make the temperature of the fuel battery cell too low because the reduction reaction may be delayed. According to one aspect of the invention, the temperature environment suitable for the reduction treatment of the cell stack can be maintained by adjusting the amount of fluid containing combustible fuel and changing the amount of heat generated by catalytic combustion.

上記発明の一態様において、前記空気極側流体供給経路から供給される第2流体の流れ方向に対して、複数の前記セルスタックが、それぞれ位置をずらして配置されるよう、前記複数のセルスタックを支持する支持部を備えていることが好ましい。   1 aspect of the said invention WHEREIN: With respect to the flow direction of the 2nd fluid supplied from the said air electrode side fluid supply path, these cell stacks are each arrange | positioned so that a position may be shifted, respectively. It is preferable to provide a support portion for supporting the.

第2流体は、収容室内に収容されたすべてのセルスタックの燃料電池セルに、偏りなく供給されることが望ましい。上記発明の一態様によれば、セルスタックの位置をずらして配置することで、収容された位置によらず、バランスよく複数のセルスタックを還元処理することができる。   It is desirable that the second fluid is supplied to all the fuel cells of all cell stacks accommodated in the accommodation chamber without any deviation. According to one embodiment of the present invention, the plurality of cell stacks can be reduced in a well-balanced manner by shifting the position of the cell stacks regardless of the accommodated positions.

本発明は、燃料極と、固体電解質と、酸化触媒能を有する空気極とが積層して形成された燃料電池セルを複数備えたセルスタックの空気極側に、予熱した酸化剤を含む流体を供給し、前記燃料電池セルを昇温させる第1昇温工程と、前記セルスタックの空気極側に、前記セルスタックの軸方向に所定の間隔を開けて配置された複数の供給口から前記セルスタックの空気極側の面に向けて、可燃限界濃度以下の可燃性燃料を含む流体が添加された酸化剤を含む流体を供給し、前記可燃性燃料を触媒燃焼させて前記燃料電池セルを昇温させる第2昇温工程と、前記セルスタックの燃料極側に、還元剤を含む流体を供給する還元工程と、を備え、管状部材である空気極側流体排出経路を、前記セルスタックが収容された収容室の側壁と同心となるよう前記収容室内の中央に配置し、前記セルスタックを、前記収容室の側壁と前記空気極側流体排出経路との間に配置し、供給された前記酸化剤を含む流体を、前記空気極側流体排出経路から排出する燃料電池還元方法を提供する。
The present invention provides a fluid containing a preheated oxidant on the air electrode side of a cell stack provided with a plurality of fuel cells formed by laminating a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode having oxidation catalytic ability. A first temperature raising step for supplying and raising the temperature of the fuel cell; and a plurality of supply ports arranged at predetermined intervals in the axial direction of the cell stack on the air electrode side of the cell stack. A fluid containing an oxidant to which a fluid containing a flammable fuel having a flammable limit concentration or less is added is supplied toward the air electrode side surface of the stack, and the flammable fuel is catalytically burned to raise the fuel cell. A second temperature raising step for heating and a reduction step for supplying a fluid containing a reducing agent to the fuel electrode side of the cell stack, and the cell stack accommodates an air electrode side fluid discharge path that is a tubular member. Will be concentric with the side walls of the containment chamber Disposed in the center of the storage chamber, the cell stack is disposed between a side wall of the storage chamber and the air electrode side fluid discharge path, and the fluid containing the supplied oxidant is supplied to the air electrode side fluid. A fuel cell reduction method for discharging from a discharge path is provided.

可燃限界濃度以下の希薄燃料がセルスタックの空気極側に供給されると、可燃性燃料は、空気極の表面のみで触媒燃焼する。燃焼時に発生する熱により、燃料電池セルを昇温させることができる。本発明によれば、電気ヒータなどの外部高温熱源を使用せずに、燃料電池セルを限定的に昇温させることができる。   When a lean fuel having a flammable limit concentration or less is supplied to the air electrode side of the cell stack, the combustible fuel undergoes catalytic combustion only on the surface of the air electrode. The temperature of the fuel cell can be raised by the heat generated during combustion. According to the present invention, the temperature of the fuel cell can be raised only without using an external high-temperature heat source such as an electric heater.

酸化触媒は、空気極に含まれる成分である。燃料電池セルに新たな構成を追加する必要がないため、触媒燃焼を利用した昇温は、大型の燃料電池還元装置設計における昇温手段として好適である。   The oxidation catalyst is a component contained in the air electrode. Since it is not necessary to add a new configuration to the fuel cell, the temperature rise using catalytic combustion is suitable as a temperature raising means in the design of a large fuel cell reduction device.

触媒燃焼により高温となった燃料電池セルでは、還元剤が燃料電池セルに含まれる酸化物と反応し、該酸化物を還元できる。   In the fuel battery cell that has reached a high temperature due to catalytic combustion, the reducing agent reacts with the oxide contained in the fuel battery cell, and the oxide can be reduced.

本発明において、可燃性燃料を含む流体は、燃料電池セルの空気極側の面に向けて供給される。それにより、セルスタックの軸方向における温度分布の偏りの発生を抑制できる。軸方向に温度分布をつけないようにすることで、未反応のNiOが残留しないようにできる。   In the present invention, the fluid containing the combustible fuel is supplied toward the air electrode side surface of the fuel battery cell. Thereby, it is possible to suppress the occurrence of temperature distribution bias in the axial direction of the cell stack. By preventing the temperature distribution in the axial direction, unreacted NiO can be prevented from remaining.

空気極に含まれる酸化触媒は、所定温度域で触媒として作用する。予熱した酸化剤を含む第2流体を、セルスタックの空気極側に供給することで、燃料電池セルの温度を、触媒燃焼可能な温度域まで上昇させることができる。   The oxidation catalyst contained in the air electrode acts as a catalyst in a predetermined temperature range. By supplying the second fluid containing the preheated oxidant to the air electrode side of the cell stack, the temperature of the fuel cell can be raised to a temperature range where catalytic combustion is possible.

上記発明の一態様において、前記燃料電池セルの温度を計測する工程と、前記可燃性燃料を含む流体の添加量を調節し、前記燃料電池セルの温度を制御する温度制御工程と、を備えていることが好ましい。   In one aspect of the invention, the method includes a step of measuring the temperature of the fuel cell, and a temperature control step of controlling the temperature of the fuel cell by adjusting the amount of fluid containing the combustible fuel. Preferably it is.

上記発明の一態様において、前記温度制御工程が、前記燃料電池セルの温度が700℃に達するまで、前記酸化剤を含む流体に、可燃限界濃度の可燃性燃料を含む流体を添加する第1制御工程と、第1制御工程の後、前記燃料電池セルの温度が900℃を超えないよう前記可燃性燃料を含む流体の添加量を調節する第2制御工程と、第2制御工程の後、前記燃料電池セルの温度が700℃以上900℃以下を維持するよう前記可燃性燃料の添加量を調節する第3制御工程と、を含むことができる。   1 aspect of the said invention WHEREIN: The said temperature control process adds the fluid containing the combustible fuel of a combustible limit density | concentration to the fluid containing the said oxidizing agent until the temperature of the said fuel cell reaches 700 degreeC. And after the first control step, after the second control step, the second control step of adjusting the amount of fluid containing the combustible fuel so that the temperature of the fuel cell does not exceed 900 ° C., And a third control step of adjusting the amount of the combustible fuel added so that the temperature of the fuel battery cell is maintained at 700 ° C. or higher and 900 ° C. or lower.

可燃性燃料の添加量を制御することで、セルスタックの還元処理に適した温度環境を維持することができる。   By controlling the amount of flammable fuel added, a temperature environment suitable for the reduction treatment of the cell stack can be maintained.

上記発明の一態様において、前記可燃性燃料を含む流体が、メタンを主成分とするガスまたは水素ガスであり、前記可燃限界濃度が、3体積%であってよい。   1 aspect of the said invention WHEREIN: The fluid containing the said combustible fuel is the gas or hydrogen gas which has methane as a main component, The said combustible limit density | concentration may be 3 volume%.

そのようにすることで、より安全に燃料電池セルを昇温させることができる。   By doing so, the temperature of the fuel cell can be raised more safely.

本発明は、可燃性燃料を触媒反応させて燃料電池セルを昇温させることで、セルスタックの還元処理コストを抑制しつつ、還元反応を進めることができる。   In the present invention, a catalytic reaction of combustible fuel is performed to raise the temperature of the fuel cell, whereby the reduction reaction can be advanced while suppressing the reduction treatment cost of the cell stack.

還元処理されるセルスタックの一態様を示す部分拡大縦断面図である。It is a partial expanded longitudinal cross-sectional view which shows the one aspect | mode of the cell stack processed by reduction. 燃料電池還元装置の構成を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the structure of a fuel cell reduction apparatus. 燃料電池還元装置の部分縦断面図である。It is a fragmentary longitudinal cross-sectional view of a fuel cell reduction device. 複数のセルスタックが収容された収容室の横断面図である。It is a cross-sectional view of a storage chamber in which a plurality of cell stacks are stored. 本発明の一実施形態に係る燃料電池還元方法の工程を説明するタイミングチャートである。It is a timing chart explaining the process of the fuel cell reduction method which concerns on one Embodiment of this invention. NiOの還元工程を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the reduction process of NiO.

本発明は、燃料極と、固体電解質と、酸化触媒能を有する空気極とが積層して形成された燃料電池セルを複数備えたセルスタックを還元処理するための燃料電池還元装置および燃料電池還元方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell reduction device and a fuel cell reduction for reducing a cell stack including a plurality of fuel cells formed by stacking a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode having an oxidation catalyst ability. Regarding the method.

以下に、本発明に係る燃料電池還元装置および燃料電池還元方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, an embodiment of a fuel cell reduction device and a fuel cell reduction method according to the present invention will be described with reference to the drawings.

以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて各構成要素の位置関係を特定するが、鉛直方向に対して必ずしもこの限りである必要はない。例えば、紙面における上方向が鉛直方向における下方向に対応してもよい。また、紙面における上下方向が鉛直方向に直行する水平方向に対応してもよい。   In the following, for convenience of explanation, the positional relationship of each component is specified using the expressions “upper” and “lower” on the basis of the paper surface, but this is not necessarily limited to the vertical direction. For example, the upward direction on the paper surface may correspond to the downward direction in the vertical direction. Moreover, you may respond | correspond to the horizontal direction where the up-down direction in a paper surface goes orthogonally to a perpendicular direction.

また、以下においては、固体酸化物形燃料電池(SOFC)のセルスタックとして円筒形を例として説明するが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。   In the following description, a cylindrical shape is described as an example of a cell stack of a solid oxide fuel cell (SOFC). However, the cell stack is not necessarily limited to this, and may be a flat cell stack, for example.

図1に、還元処理されるセルスタックの一態様を示す。
セルスタック101は、円筒形状の基体管103と、基体管103の外周面に複数形成された燃料電池セル105と、隣り合う燃料電池セル105の間に形成されたインターコネクタ107とを有する。燃料電池セル105は、燃料極109と固体電解質111と空気極113とが積層して形成されている。セルスタック101は、基体管103の外周面に形成された複数の燃料電池セル105の内、基体管103の軸方向において最も端に形成された燃料電池セル105の空気極113に、インターコネクタ107を介して電気的に接続されたリード膜115を有する。セルスタック101は、両端に被支持部位を有する。
FIG. 1 shows one mode of a cell stack to be reduced.
The cell stack 101 includes a cylindrical base tube 103, a plurality of fuel cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103, and an interconnector 107 formed between adjacent fuel cells 105. The fuel cell 105 is formed by stacking a fuel electrode 109, a solid electrolyte 111, and an air electrode 113. The cell stack 101 is connected to the air electrode 113 of the fuel cell 105 formed at the end in the axial direction of the base tube 103 among the plurality of fuel cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103. The lead film 115 is electrically connected through the via. The cell stack 101 has supported parts at both ends.

基体管103は、多孔質材料からなり、例えば、CaO安定化ZrO(CSZ)、又はY安定化ZrO2(YSZ)、又はMgAlとされる。基体管103は、燃料電池セル105とインターコネクタ107とリード膜115とを支持する。基体管は、押し出し成形法により成形される。 The base tube 103 is made of a porous material, for example, CaO stabilized ZrO 2 (CSZ), Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 (YSZ), or MgAl 2 O 4 . The base tube 103 supports the fuel cell 105, the interconnector 107, and the lead film 115. The base tube is formed by an extrusion method.

燃料極109は、Niを含む材料から形成される。燃料極109は、Niとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ni/YSZが用いられる。   The fuel electrode 109 is made of a material containing Ni. The fuel electrode 109 is made of an oxide of a composite material of Ni and a zirconia-based electrolyte material. For example, Ni / YSZ is used.

固体電解質111は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを有するYSZが主として用いられる。   The solid electrolyte 111 is mainly made of YSZ having gas tightness that prevents gas from passing through and high oxygen ion conductivity at high temperatures.

空気極113は、La1−xSrMnOで表される導電性ペロブスカイト型酸化物とジルコニア系電解質材料とを混合した材料で構成される。空気極113に含まれるMnは、酸化触媒として作用する。例えば、空気極は、LaCaMnO、SmSrMnO,SmCaMnO、PrSrMnO、PrCaMnOなどとされる。 The air electrode 113 is made of a material obtained by mixing a conductive perovskite oxide represented by La 1-x Sr x MnO 3 and a zirconia-based electrolyte material. Mn contained in the air electrode 113 acts as an oxidation catalyst. For example, the air electrode is LaCaMnO 3 , SmSrMnO 3 , SmCaMnO 3 , PrSrMnO 3 , PrCaMnO 3 or the like.

インターコネクタ107は、SrTiO系などのM1−xTiO(Mはアルカリ土類金属元素、Lはランタノイド元素)で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、燃料極側に供給されるガスと空気極側に供給されるガスとが混合しないように緻密な膜となっている。インターコネクタ107は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した電気導電性を有する。インターコネクタ107は、隣り合う燃料電池セル105において、一方の燃料電池セル105の空気極113と他方の燃料電池セル105の燃料極111とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル105同士を直列に接続するものである。 The interconnector 107 is made of a conductive perovskite oxide represented by M 1-x L x TiO 3 (M is an alkaline earth metal element, L is a lanthanoid element) such as SrTiO 3 system, and is disposed on the fuel electrode side. It is a dense film so that the supplied gas and the gas supplied to the air electrode side do not mix. The interconnector 107 has stable electrical conductivity in both an oxidizing atmosphere and a reducing atmosphere. The interconnector 107 electrically connects the air electrode 113 of one fuel battery cell 105 and the fuel electrode 111 of the other fuel battery cell 105 in adjacent fuel battery cells 105, and connects the adjacent fuel battery cells 105 to each other. They are connected in series.

リード膜115は、電子伝導性を有すること、及びセルスタック101を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ni/YSZ等のNiとジルコニア系電解質材料との複合材で構成されている。このリード膜115は、インターコネクタにより直列に接続される複数の燃料電池セル105で発電された直流電力をセルスタック101の端部付近まで導出すものである。   Since the lead film 115 needs to have electronic conductivity and a thermal expansion coefficient close to that of other materials constituting the cell stack 101, the lead film 115 is made of Ni such as Ni / YSZ and a zirconia-based electrolyte material. Composed of composite material. The lead film 115 leads direct current power generated by the plurality of fuel cells 105 connected in series by the interconnector to the vicinity of the end of the cell stack 101.

燃料極109、固体電解質111、空気極113、インターコネクタ107およびリード膜115は、それぞれ材料となる粉末から作製したスラリーを適宜基体管103上に成膜し、焼成させることで形成される。   The fuel electrode 109, the solid electrolyte 111, the air electrode 113, the interconnector 107, and the lead film 115 are each formed by appropriately forming a slurry made of powder as a material on the base tube 103 and baking it.

図2に、本実施形態に係る燃料電池還元装置の構成を説明する模式図を示す。図3に、燃料電池還元装置の部分縦断面図を示す。
燃料電池還元装置1は、収容室2、燃料極側流体供給経路3、空気極側流体供給経路4、燃料極側流体排出経路5、空気極側流体排出経路6、および支持部を備えている。
In FIG. 2, the schematic diagram explaining the structure of the fuel cell reduction apparatus which concerns on this embodiment is shown. FIG. 3 shows a partial longitudinal sectional view of the fuel cell reduction device.
The fuel cell reduction device 1 includes a storage chamber 2, a fuel electrode side fluid supply path 3, an air electrode side fluid supply path 4, a fuel electrode side fluid discharge path 5, an air electrode side fluid discharge path 6, and a support portion. .

収容室2は、その内部に、複数のセルスタック101を収容できる。収容室2は、円筒形であることが好ましい。
収容室2は、断熱部材7を有する。断熱部材7は、断熱性を有する材料から形成されている。断熱部材7は、収容室内部を、セルスタック101の燃料電池セル105が配置される還元室8と、セルスタック101の被支持部9が配置される支持室10と、に仕切る。還元室8と支持室10とは、通気可能とされる。セルスタック101の被支持部9とは、セルスタック101の両端部に設けられた非発電部分とされる。
The storage chamber 2 can store a plurality of cell stacks 101 therein. The storage chamber 2 is preferably cylindrical.
The storage chamber 2 has a heat insulating member 7. The heat insulating member 7 is formed from a material having heat insulating properties. The heat insulating member 7 divides the inside of the accommodation chamber into a reduction chamber 8 in which the fuel cell 105 of the cell stack 101 is disposed and a support chamber 10 in which the supported portion 9 of the cell stack 101 is disposed. The reduction chamber 8 and the support chamber 10 can be ventilated. The supported portion 9 of the cell stack 101 is a non-power generation portion provided at both ends of the cell stack 101.

燃料極側供給経路3は、収容室2に収容されたセルスタック101の燃料極側に、還元剤を含む第1流体を供給できる。還元剤を含む第1流体は、Hガス、Nガス、水蒸気、または都市ガスの改質ガスなどとされる。還元剤を含む第1流体は、HガスとNガスと水蒸気とを組み合わせたものであってもよい。 The fuel electrode side supply path 3 can supply a first fluid containing a reducing agent to the fuel electrode side of the cell stack 101 accommodated in the accommodation chamber 2. The first fluid including the reducing agent is H 2 gas, N 2 gas, water vapor, city gas reformed gas, or the like. The first fluid containing the reducing agent may be a combination of H 2 gas, N 2 gas, and water vapor.

燃料極側流体排出経路5は、セルスタック101の一端部から燃料極側に供給されて、セルスタック101の他端部側へ流れた第1流体を、収容室2の外部へと排出できる。燃料極側流体排出経路5は、収容室2の下部壁面を貫通している。燃料極側流体排出経路5と下部壁面との界面は、気密にシールされている。   The fuel electrode side fluid discharge path 5 can discharge the first fluid that is supplied from one end of the cell stack 101 to the fuel electrode and flows to the other end of the cell stack 101 to the outside of the storage chamber 2. The fuel electrode side fluid discharge path 5 passes through the lower wall surface of the storage chamber 2. The interface between the fuel electrode side fluid discharge path 5 and the lower wall surface is hermetically sealed.

空気極側流体供給経路4は、収容室2に収容されたセルスタック101の空気極側に、セルスタック101の空気極側の面に向けて、酸化剤を含む第2流体を供給できる。酸化剤を含む第2流体は、酸化剤を含む流体、または可燃限界濃度以下の可燃性燃料を含む流体が添加された酸化剤を含む流体とされる。   The air electrode side fluid supply path 4 can supply a second fluid containing an oxidant to the air electrode side of the cell stack 101 toward the air electrode side of the cell stack 101 accommodated in the accommodation chamber 2. The second fluid containing an oxidant is a fluid containing an oxidizer to which a fluid containing an oxidizer or a fluid containing a flammable fuel having a flammable limit concentration or less is added.

空気極側流体供給経路4は、複数の供給口15を有する。供給口15は、セルスタック101の外周面(空気極が設けられている面)に向いて開口している。本実施形態において、供給口15は、収容室2の還元室8にある側壁面に設けられている。供給口15の一部は、支持室10にある側壁面に設けられている。複数の供給口15は、収容室2に収容されたすべてのセルスタック101の燃料電池セル105に対して、偏りなく第2流体を供給できるよう配置されることが好ましい。例えば、供給口は、外径5mm、内径3mm程度の磁製管などとされる。隣り合う供給口の間隔は、200mm以上300mm以下程度とされるとよい。供給口は、円状に配置されることが好ましい。   The air electrode side fluid supply path 4 has a plurality of supply ports 15. The supply port 15 opens toward the outer peripheral surface of the cell stack 101 (the surface on which the air electrode is provided). In the present embodiment, the supply port 15 is provided on the side wall surface in the reduction chamber 8 of the storage chamber 2. A part of the supply port 15 is provided on the side wall surface in the support chamber 10. The plurality of supply ports 15 are preferably arranged so that the second fluid can be supplied to the fuel cells 105 of all the cell stacks 101 accommodated in the accommodation chamber 2 without deviation. For example, the supply port is a magnetic tube having an outer diameter of about 5 mm and an inner diameter of about 3 mm. The interval between adjacent supply ports is preferably about 200 mm or more and 300 mm or less. The supply port is preferably arranged in a circular shape.

空気極側流体供給経路4には、酸化剤送出部11、燃料添加部12、および予熱部(13,14)が接続されている。燃料添加部12および予熱部(13,14)は、空気極側流体供給経路4の途中、酸化剤送出部11と供給口15との間に接続されている。本実施形態において予熱部(13,14)は、燃料添加部12よりも下流側に接続されている。   The air electrode side fluid supply path 4 is connected to an oxidant delivery unit 11, a fuel addition unit 12, and a preheating unit (13, 14). The fuel addition unit 12 and the preheating unit (13, 14) are connected between the oxidant delivery unit 11 and the supply port 15 in the middle of the air electrode side fluid supply path 4. In this embodiment, the preheating part (13, 14) is connected to the downstream side of the fuel addition part 12.

酸化剤送出部11は、収容室2に向けて酸化剤を含む流体を送り出すことができる。酸化剤送出部11は、コンプレッサーなどとされる。送り出された酸化剤を含む流体は、第2流体のベースとなる。   The oxidant delivery unit 11 can deliver a fluid containing an oxidant toward the storage chamber 2. The oxidant delivery unit 11 is a compressor or the like. The fluid containing the delivered oxidant becomes the base of the second fluid.

燃料添加部12は、酸化剤送出部11の後段に位置している。燃料添加部12は、収容室2に供給される前の酸化剤を含む流体に、可燃性限界濃度以下の可燃性燃料を含む流体を添加できる。燃料添加部12は、可燃性燃料を含む流体の添加量を調節して、燃料電池セルの温度を制御する制御部(不図示)を備えていることが好ましい。その場合、燃料添加部12は、燃料電池セルの温度を計測する計測手段を備えている。制御部は、計測手段で計測した燃料電池セルの温度に応じて、可燃性燃料を含む流体の添加量を調節できる。   The fuel addition unit 12 is located at the rear stage of the oxidant delivery unit 11. The fuel addition unit 12 can add a fluid containing a flammable fuel having a flammability limit concentration or less to a fluid containing an oxidant before being supplied to the storage chamber 2. The fuel addition unit 12 preferably includes a control unit (not shown) that controls the temperature of the fuel cell by adjusting the amount of fluid containing the combustible fuel. In that case, the fuel addition part 12 is provided with the measurement means which measures the temperature of a fuel cell. The control part can adjust the addition amount of the fluid containing the combustible fuel according to the temperature of the fuel cell measured by the measuring means.

予熱部(13,14)は、収容室2に供給される前に、酸化剤を含む第2流体の温度を400℃〜600℃程度に昇温させることができる。予熱部は、電気ヒータ14、および熱交換器13などとされる。予熱部は、電気ヒータ14のみであってもよい。   The preheating unit (13, 14) can raise the temperature of the second fluid containing the oxidizing agent to about 400 ° C. to 600 ° C. before being supplied to the storage chamber 2. The preheating unit is an electric heater 14, a heat exchanger 13, and the like. Only the electric heater 14 may be sufficient as a preheating part.

空気極側流体排出経路6は、収容室内に供給された酸化剤を含む第2流体を収容室外へと排出できる。空気極側流体排出経路6は、側面に通気孔16が設けられた管状部材などとされる。図3において、管状部材は、収容室2の下部壁面の中央部を貫通している。管状部材と下部壁面との界面は、気密にシールされている。通気孔16は、還元室8内に配置されている。通気孔16の一部は、支持室10に配置されてもよい。
空気極側流体排出経路6は、熱交換器13を経由させるとよい。
The air electrode side fluid discharge path 6 can discharge the second fluid containing the oxidant supplied into the storage chamber to the outside of the storage chamber. The air electrode side fluid discharge path 6 is a tubular member provided with a vent hole 16 on a side surface. In FIG. 3, the tubular member passes through the central portion of the lower wall surface of the storage chamber 2. The interface between the tubular member and the lower wall surface is hermetically sealed. The ventilation hole 16 is disposed in the reduction chamber 8. A part of the vent hole 16 may be disposed in the support chamber 10.
The air electrode side fluid discharge path 6 may be routed through the heat exchanger 13.

支持部は、収容室内において複数のセルスタック101を支持するものである。支持部は、インコネルなどの高温耐久性のある金属材料からなる。   The support portion supports the plurality of cell stacks 101 in the accommodation chamber. The support portion is made of a metal material having high temperature durability such as Inconel.

各支持部は、複数のセルスタックが、空気極側流体供給経路6の供給口15から供給される第2流体の流れ方向に対して、それぞれ位置をずらして配置されるよう、各セルスタックを支持できる。第2流体の流れ方向とは、供給口15の開口面に対して垂直な方向とする。第2流体の流れ方向に対して位置をずらすとは、第2流体の流れ方向を線で表し、該線上に、2以上のセルスタックの軸点が載らないようにすることを指す。該線は、第2流体の流れうる範囲に延びるものとする。   Each support portion is configured so that the plurality of cell stacks are arranged at different positions with respect to the flow direction of the second fluid supplied from the supply port 15 of the air electrode side fluid supply path 6. I can support it. The flow direction of the second fluid is a direction perpendicular to the opening surface of the supply port 15. Shifting the position with respect to the flow direction of the second fluid indicates that the flow direction of the second fluid is represented by a line and that the axis points of two or more cell stacks are not placed on the line. The line extends to a range where the second fluid can flow.

図4を参照して、セルスタックの配置の一態様を説明する。図4は、複数のセルスタック101が収容された収容室2の横断面図である。同図において、収容室2は円筒形とされ、側壁が分割可能な構造とされる。線Aは、分割ラインを示す。収容室2の側壁には、複数の供給口が設けられている(不図示)。収容室内の中央には、空気極側流体排出経路6が配置されている。収容室2の側壁と、空気極側流体排出経路6の管状部材とは、同心となるよう配置されている。   With reference to FIG. 4, an aspect of the arrangement of the cell stack will be described. FIG. 4 is a cross-sectional view of the storage chamber 2 in which a plurality of cell stacks 101 are stored. In the figure, the storage chamber 2 is cylindrical and has a structure in which the side wall can be divided. Line A indicates a dividing line. A plurality of supply ports are provided on the side wall of the storage chamber 2 (not shown). An air electrode side fluid discharge path 6 is disposed in the center of the storage chamber. The side wall of the storage chamber 2 and the tubular member of the air electrode side fluid discharge path 6 are arranged concentrically.

セルスタック101は、収容室2と空気極側流体排出経路6との間に、第1円および第2円を描くよう2列に並べられている。第2円は、第1円よりも径が小さい。第1円及び第2円は、収容室と同心とされる。第2円状に並べられるセルスタック101bは、第1円状に並べられたセルスタック101aと半径方向で軸点がずれるように配置されている。   The cell stacks 101 are arranged in two rows so as to draw a first circle and a second circle between the storage chamber 2 and the air electrode side fluid discharge path 6. The second circle has a smaller diameter than the first circle. The first circle and the second circle are concentric with the accommodation chamber. The cell stacks 101b arranged in the second circle are arranged so that the axial points are shifted in the radial direction from the cell stacks 101a arranged in the first circle.

支持部は、セルスタック101の一端部を支持する上部支持具と、同セルスタックの他端部を支持する下部支持具とからなる一対の支持具を複数有している。一対の支持具は、一本のセルスタック101を、該セルスタック101の軸方向が収容室2の側壁面と略平行となるよう支持できる。   The support section has a plurality of pairs of support tools including an upper support tool that supports one end of the cell stack 101 and a lower support tool that supports the other end of the cell stack. The pair of supports can support one cell stack 101 such that the axial direction of the cell stack 101 is substantially parallel to the side wall surface of the storage chamber 2.

上部支持具は、流体が流通可能な中空構造とされる。上部支持具は、収容室2の上部壁面を貫通している。   The upper support has a hollow structure through which fluid can flow. The upper support tool penetrates the upper wall surface of the storage chamber 2.

上部支持具の一端部は、収容室2の外に位置する。上部支持具の一端部は、フランジ構造26などとされ、収容室2の外で燃料極側流体供給経路3に接続されている。上部支持具の他端部は、収容室2の支持室10内に位置する。上部支持具の他端部には、雌型支持部材17が設けられている。雌型支持部材17は、セルスタック101の一端部(被支持部9)に嵌合できる。上部支持具と上部壁面との界面は、気密にシールされている。   One end of the upper support is located outside the storage chamber 2. One end of the upper support is a flange structure 26 or the like, and is connected to the fuel electrode side fluid supply path 3 outside the storage chamber 2. The other end of the upper support is located in the support chamber 10 of the storage chamber 2. A female support member 17 is provided at the other end of the upper support. The female support member 17 can be fitted to one end of the cell stack 101 (supported portion 9). The interface between the upper support and the upper wall surface is hermetically sealed.

下部支持具は、流体が流通可能な中空構造とされる。下部支持具は、収容室2の支持室10内に設けられている。下部支持具は、一端部に雌型支持部材18を有する。下部支持具の他端部はフランジ構造19などとされ、燃料極側流体排出経路5に接続されている。雌型支持部材18は、セルスタック101の他端部(被支持部9)に嵌合できる。   The lower support has a hollow structure through which fluid can flow. The lower support is provided in the support chamber 10 of the storage chamber 2. The lower support has a female support member 18 at one end. The other end of the lower support has a flange structure 19 or the like and is connected to the fuel electrode side fluid discharge path 5. The female support member 18 can be fitted to the other end portion (supported portion 9) of the cell stack 101.

収容室2の側壁面内側には、電気ヒータ20が設けられていてもよい。該電気ヒータ20は、補助的に収容室内をあたためることができる。   An electric heater 20 may be provided inside the side wall surface of the storage chamber 2. The electric heater 20 can supplement the inside of the accommodation chamber as an auxiliary.

なお、本実施形態では、燃料極側流体供給経路4が収容室2の側壁面に、燃料極側流体排出経路5が収容室2の中央部に設けられることとしたが、これらは逆であってもよい。すなわち、燃料極側流体排出経路5が収容室2の側壁面に、燃料極側流体供給経路4が収容室2の中央部に設けられてもよい。   In the present embodiment, the fuel electrode side fluid supply path 4 is provided on the side wall surface of the storage chamber 2 and the fuel electrode side fluid discharge path 5 is provided in the central portion of the storage chamber 2. May be. That is, the fuel electrode side fluid discharge path 5 may be provided in the side wall surface of the storage chamber 2, and the fuel electrode side fluid supply path 4 may be provided in the center of the storage chamber 2.

次に、本実施形態に係る燃料電池還元方法について、図5を参照して説明する。図5は、本実施形態に係る燃料電池還元方法の工程を説明するタイミングチャートである。同図において、上のグラフが燃料電池セルの温度履歴、下のグラフが可燃性燃料の添加量推移である。   Next, the fuel cell reduction method according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a timing chart illustrating the steps of the fuel cell reduction method according to this embodiment. In the figure, the upper graph shows the temperature history of the fuel cell, and the lower graph shows the transition of the amount of combustible fuel added.

本実施形態に係る燃料電池還元方法は、第1昇温工程、第2昇温工程、および還元工程を備えている。   The fuel cell reduction method according to the present embodiment includes a first temperature raising step, a second temperature raising step, and a reduction step.

まず、収容室に、複数のセルスタックを収容する。その際、燃料電池セルは、収容室の還元室内に配置される。具体的には、セルスタックの一端部に、上部支持具の雌型支持部材を嵌合させる。セルスタックの他端部に、下部支持具の雌型支持部材を嵌合させる。下部支持具を燃料極側流体排出経路に接続する。上部支持具に還元剤供給経路を接続する。   First, a plurality of cell stacks are accommodated in the accommodation chamber. In that case, a fuel cell is arrange | positioned in the reduction | restoration chamber of a storage chamber. Specifically, the female support member of the upper support is fitted to one end of the cell stack. The female support member of the lower support is fitted to the other end of the cell stack. The lower support is connected to the fuel electrode side fluid discharge path. Connect the reducing agent supply path to the upper support.

(第1昇温工程)
酸化剤を含む流体を400℃〜600℃程度に予熱する。予熱した酸化剤を含む流体を、収容室に収容されたセルスタックの空気極側に供給する。供給流量は、好ましくはセルスタック1本あたりの空気流量として0.2〜0.8Nm/hとされる。
(First temperature raising step)
A fluid containing an oxidizing agent is preheated to about 400 ° C. to 600 ° C. A fluid containing a preheated oxidant is supplied to the air electrode side of the cell stack housed in the housing chamber. The supply flow rate is preferably 0.2 to 0.8 Nm 3 / h as the air flow rate per cell stack.

酸化剤を含む流体は、酸化剤ガスとされる。酸化剤ガスとは、酸素を略15%〜30%含むガスである。酸化剤ガスとしては、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃料排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用されてもよい。   The fluid containing the oxidant is oxidant gas. The oxidant gas is a gas containing approximately 15% to 30% oxygen. As the oxidant gas, air is typically suitable, but other than air, a mixed gas of fuel exhaust gas and air, a mixed gas of oxygen and air, or the like may be used.

予熱した酸化剤を含む流体を収容室に供給すると、収容室内の温度および燃料電池セルの温度が昇温され、400℃以上となる。   When the fluid containing the preheated oxidant is supplied to the storage chamber, the temperature of the storage chamber and the temperature of the fuel battery cell are raised to 400 ° C. or higher.

(第2昇温工程)
燃料電池セルの温度が400℃に達したところで、可燃性燃料を含む流体の添加を開始する。可燃性燃料を含む流体は、可燃限界濃度以下の量で酸化剤を含む流体に添加される。第2昇温工程では、可燃性燃料を含む流体の添加量は、可燃限界濃度とされることが好ましい。可燃性燃料を含む流体は、都市ガスなどのメタンを主成分とするガス、および水素ガスなどを使用できる。該可燃性燃料の可燃限界濃度は3体積%である。
(Second temperature raising step)
When the temperature of the fuel cell reaches 400 ° C., the addition of the fluid containing the combustible fuel is started. The fluid containing the combustible fuel is added to the fluid containing the oxidizer in an amount below the flammable limit concentration. In the second temperature raising step, the amount of the fluid containing the combustible fuel is preferably set to the combustible limit concentration. As the fluid containing the combustible fuel, a gas mainly composed of methane such as city gas, hydrogen gas, or the like can be used. The combustible limit concentration of the combustible fuel is 3% by volume.

セルスタックの空気極側に、可燃限界濃度以下の可燃性燃料を含む流体が添加された酸化剤を含む流体を、セルスタックの空気極側の面に向けて供給する。供給流量は、好ましくはセルスタック1本あたりの空気流量として0.2〜0.8Nm/hとされる。 A fluid containing an oxidizer to which a fluid containing a combustible fuel having a flammable limit concentration or less is added is supplied toward the air electrode side of the cell stack toward the air electrode side of the cell stack. The supply flow rate is preferably 0.2 to 0.8 Nm 3 / h as the air flow rate per cell stack.

燃料電池セル温度が400℃以上になると、空気極に含まれる酸化触媒が作用し、供給された可燃性燃料の触媒燃焼が開始される。触媒燃焼によって熱が生じ、燃料電池セルの温度は、さらに上昇する。   When the fuel cell temperature becomes 400 ° C. or higher, the oxidation catalyst contained in the air electrode acts, and catalytic combustion of the supplied combustible fuel is started. Heat is generated by catalytic combustion, and the temperature of the fuel cell further rises.

(還元工程)
第2昇温工程の後、燃料電池セルの温度が700℃に達したとき、収容室に収容されたセルスタックの燃料極側への還元剤を含む流体の供給を開始する。還元剤を含む流体の供給流量は、セルスタック1本あたり0.5〜1.5Nm/hとされる。
(Reduction process)
After the second temperature raising step, when the temperature of the fuel battery cell reaches 700 ° C., the supply of the fluid containing the reducing agent to the fuel electrode side of the cell stack accommodated in the accommodation chamber is started. The supply flow rate of the fluid containing the reducing agent is set to 0.5 to 1.5 Nm 3 / h per cell stack.

図6に、NiOの還元工程を説明する模式図を示す。同図において(a)が還元前、(b)が還元初期、(c)が還元後のイメージである。燃料電池セルの材料に含まれていたNiは、還元前、NiOとして燃料電池セルに存在している。セルスタックの燃料極側に還元剤を含む流体を供給すると、NiOと還元剤とが反応し、NiOは表層(外側)から還元されていく(b)。還元反応に伴い生じる熱により燃料電池セルの温度は上昇する。還元初期には、NiO表層のNiを通じて短絡電流((b)中横向き黒矢印)が発生する。その際に、熱が生じ、燃料電池セルの温度を昇温させる。そのため還元反応の初期において、燃料電池セルでの発熱量は大きい。還元工程完了時には、略すべてのNiOがNiに還元されている。   FIG. 6 is a schematic diagram illustrating the NiO reduction process. In the same figure, (a) is an image before reduction, (b) is an initial reduction, and (c) is an image after reduction. Ni contained in the material of the fuel cell is present in the fuel cell as NiO before reduction. When a fluid containing a reducing agent is supplied to the fuel electrode side of the cell stack, NiO and the reducing agent react, and NiO is reduced from the surface layer (outside) (b). The temperature of the fuel cell rises due to heat generated by the reduction reaction. In the initial stage of reduction, a short circuit current (a black arrow in the horizontal direction in (b)) is generated through Ni on the NiO surface layer. At that time, heat is generated to raise the temperature of the fuel cell. Therefore, at the initial stage of the reduction reaction, the amount of heat generated in the fuel cell is large. At the completion of the reduction process, almost all of the NiO has been reduced to Ni.

本実施形態に係る燃料電池還元方法は、温度制御工程を備えていることが好ましい。
温度制御工程は、可燃性燃料を含む流体の添加量を調節して、燃料電池セルの温度を制御する。温度制御工程は、第1制御工程、第2制御工程、第3制御工程を備えている。
The fuel cell reduction method according to this embodiment preferably includes a temperature control step.
In the temperature control step, the temperature of the fuel cell is controlled by adjusting the amount of fluid containing the combustible fuel. The temperature control process includes a first control process, a second control process, and a third control process.

温度制御工程中は、燃料電池セルの温度を計測し、該計測した温度に応じて可燃性燃料を含む流体の添加量を調節するとよい。燃料電池セルの温度は、熱電対などで空気極の表面温度を測定した温度とする。代替的に、還元室内の空気温度を計測しても良い。   During the temperature control step, the temperature of the fuel battery cell is measured, and the amount of fluid containing combustible fuel added may be adjusted according to the measured temperature. The temperature of the fuel battery cell is a temperature obtained by measuring the surface temperature of the air electrode with a thermocouple or the like. Alternatively, the air temperature in the reduction chamber may be measured.

第1制御工程は、第2昇温工程と並行して行われる。すなわち、燃料電池セルの温度が700℃に達するまで、酸化剤を含む流体に、可燃限界濃度の可燃性燃料を含む流体が添加し続ける。それにより、燃料電池セルの昇温時間を短くすることができる。   The first control process is performed in parallel with the second temperature raising process. That is, until the temperature of the fuel cell reaches 700 ° C., the fluid containing the flammable limit concentration of the flammable fuel is continuously added to the fluid containing the oxidizer. Thereby, the temperature rising time of the fuel cell can be shortened.

第2制御工程は、還元工程初期に行われる。セルスタックは、基体管の耐熱温度などの制限により、900℃を超えない温度で還元処理することが好ましい。還元初期では、還元反応による発熱と、短絡電流の発生による発熱があるため、燃料電池セルでの発熱量は大きくなる。そこで、可燃性燃料を含む流体の添加量を減らし、燃料電池セルの温度が900℃を超えないように制御する。酸化剤を含む流体への可燃性燃料の添加量を3体積%から1体積%程度に徐々に減少させる。   The second control process is performed at the initial stage of the reduction process. The cell stack is preferably subjected to reduction treatment at a temperature not exceeding 900 ° C. due to limitations such as the heat resistant temperature of the base tube. In the initial stage of reduction, there is heat generation due to the reduction reaction and heat generation due to the occurrence of a short-circuit current, so the amount of heat generated in the fuel cell increases. Therefore, the amount of fluid containing combustible fuel is reduced, and control is performed so that the temperature of the fuel cell does not exceed 900 ° C. The amount of the combustible fuel added to the fluid containing the oxidizer is gradually reduced from about 3% by volume to about 1% by volume.

NiOの還元が進むと、短絡電流の発生が収まるため、発熱量が減少し、燃料電池セルの温度が低下し始める。燃料電池セルの温度が低くなりすぎると、還元反応が遅延するため、第3制御工程は、燃料電池セルの温度が下がり始めたところで行う。第3制御工程では、燃料電池セルの温度が700℃以上900℃以下を維持するよう可燃性燃料を含む流体の添加量を適宜調節する。可燃性燃料を含む流体の添加量は、酸化剤を含む流体に対して1体積%から適宜増加させるとよい。   As the reduction of NiO proceeds, the generation of short-circuit current stops, so the amount of heat generation decreases and the temperature of the fuel cell starts to decrease. If the temperature of the fuel cell becomes too low, the reduction reaction is delayed. Therefore, the third control step is performed when the temperature of the fuel cell starts to decrease. In the third control step, the addition amount of the fluid containing the combustible fuel is appropriately adjusted so that the temperature of the fuel battery cell is maintained at 700 ° C. or higher and 900 ° C. or lower. The amount of the fluid containing the combustible fuel may be appropriately increased from 1% by volume with respect to the fluid containing the oxidant.

1 燃料電池還元装置
2 収容室
3 燃料極側流体供給経路
4 空気極側流体供給経路
5 燃料極側流体排出経路
6 空気極側流体排出経路
7 断熱部材
8 還元室
9 被支持部(非発電部)
10 支持室
11 酸化剤送出部
12 燃料添加部
13 予熱器(熱交換器)
14 予熱器(電気ヒータ)
15 供給口
16 通気孔
17 雌型支持部材(上部支持具の他端部、支持部)
18 雌型支持部材(下部支持具、支持部)
19 フランジ構造(下部支持具、支持部)
20 電気ヒータ(補助)
26 フランジ構造(上部支持具の一端部、支持部)
101,101a,101b セルスタック
103 基体管
105 燃料電池セル
107 インターコネクタ
109 燃料極
111 固体電解質
113 空気極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell reduction apparatus 2 Storage chamber 3 Fuel electrode side fluid supply path 4 Air electrode side fluid supply path 5 Fuel electrode side fluid discharge path 6 Air electrode side fluid discharge path 7 Heat insulation member 8 Reduction chamber 9 Supported part (non-power generation part) )
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Support chamber 11 Oxidant delivery part 12 Fuel addition part 13 Preheater (heat exchanger)
14 Preheater (electric heater)
15 Supply port 16 Ventilation hole 17 Female support member (the other end portion of the upper support, support portion)
18 Female support member (lower support, support part)
19 Flange structure (lower support, support part)
20 Electric heater (auxiliary)
26 Flange structure (one end of upper support, support part)
101, 101a, 101b Cell stack 103 Base tube 105 Fuel cell 107 Interconnector 109 Fuel electrode 111 Solid electrolyte 113 Air electrode

Claims (7)

燃料極と、固体電解質と、酸化触媒能を有する空気極とが積層して形成された燃料電池セルを複数備えたセルスタックを還元処理する燃料電池還元装置であって、
複数の前記セルスタックを収容する収容室と、
前記収容室に収容された前記セルスタックの燃料極側に、還元剤を含む第1流体を供給する燃料極側流体供給経路と、
前記収容室に収容された前記セルスタックの空気極側に、酸化剤を含む第2流体を供給する空気極側流体供給経路と、
前記空気極側流体供給経路内に、酸化剤を含む流体を送り出す酸化剤送出部と、
前記空気極側流体供給経路内に送り出された酸化剤を含む流体を予熱する予熱部と、
前記空気極側流体供給経路内に送り出された酸化剤を含む流体に、可燃限界濃度以下の可燃性燃料を含む流体を添加する燃料添加部と、
管状部材である空気極側流体排出経路と、
を備え、
前記空気極側流体供給経路が、前記セルスタックの空気極側の面に向けて酸化剤を含む第2流体を供給する複数の供給口を有し、
複数の前記供給口は、前記セルスタックの軸方向に所定の間隔を開けて配置され
前記空気極側流体排出経路は、前記収容室の側壁と同心となるよう前記収容室内の中央に配置され、
前記セルスタックは、前記収容室の側壁と前記空気極側流体排出経路との間に配置され
ている燃料電池還元装置。
A fuel cell reduction device for reducing a cell stack including a plurality of fuel cells formed by laminating a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode having an oxidation catalyst ability,
A storage chamber for storing a plurality of the cell stacks;
A fuel electrode side fluid supply path for supplying a first fluid containing a reducing agent to the fuel electrode side of the cell stack stored in the storage chamber;
An air electrode side fluid supply path for supplying a second fluid containing an oxidant to the air electrode side of the cell stack stored in the storage chamber;
An oxidant delivery section for delivering a fluid containing an oxidant into the air electrode side fluid supply path;
A preheating unit for preheating a fluid containing an oxidant sent into the air electrode side fluid supply path;
A fuel addition unit for adding a fluid containing a flammable fuel having a flammable limit concentration or less to a fluid containing an oxidant sent into the air electrode side fluid supply path;
An air electrode side fluid discharge path which is a tubular member;
With
The air electrode side fluid supply path has a plurality of supply ports for supplying a second fluid containing an oxidant toward the air electrode side surface of the cell stack;
The plurality of supply ports are arranged at predetermined intervals in the axial direction of the cell stack ,
The air electrode side fluid discharge path is disposed in the center of the storage chamber so as to be concentric with the side wall of the storage chamber,
The fuel cell reduction device , wherein the cell stack is disposed between a side wall of the storage chamber and the air electrode side fluid discharge path .
前記燃料添加部が、
前記燃料電池セルの温度を計測する計測手段と、
前記可燃性燃料を含む流体の添加量を調節し、前記燃料電池セルの温度を制御する制御部を備えている請求項1に記載の燃料電池還元装置。
The fuel addition part is
Measuring means for measuring the temperature of the fuel cell;
The fuel cell reduction device according to claim 1, further comprising a control unit that adjusts an amount of fluid containing the combustible fuel to control a temperature of the fuel cell.
前記空気極側流体供給経路から供給される第2流体の流れ方向に対して、複数の前記セルスタックが、それぞれ位置をずらして配置されるよう、前記複数のセルスタックを支持する支持部を備えている請求項1または請求項2に記載の燃料電池還元装置。   A support portion that supports the plurality of cell stacks is provided so that the plurality of cell stacks are arranged at different positions with respect to the flow direction of the second fluid supplied from the air electrode side fluid supply path. The fuel cell reduction device according to claim 1 or 2. 燃料極と、固体電解質と、酸化触媒能を有する空気極とが積層して形成された燃料電池セルを複数備えたセルスタックの空気極側に、予熱した酸化剤を含む流体を供給し、前記燃料電池セルを昇温させる第1昇温工程と、
前記セルスタックの空気極側に、前記セルスタックの軸方向に所定の間隔を開けて配置された複数の供給口から前記セルスタックの空気極側の面に向けて、可燃限界濃度以下の可燃性燃料を含む流体が添加された酸化剤を含む流体を供給し、前記可燃性燃料を触媒燃焼させて前記燃料電池セルを昇温させる第2昇温工程と、
前記セルスタックの燃料極側に、還元剤を含む流体を供給する還元工程と、
を備え
管状部材である空気極側流体排出経路を、前記セルスタックが収容された収容室の側壁と同心となるよう前記収容室内の中央に配置し、
前記セルスタックを、前記収容室の側壁と前記空気極側流体排出経路との間に配置し、
供給された前記酸化剤を含む流体を、前記空気極側流体排出経路から排出する燃料電池還元方法。
Supplying a fluid containing a preheated oxidant to the air electrode side of a cell stack including a plurality of fuel cells formed by laminating a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode having an oxidation catalyst ability; A first temperature raising step for raising the temperature of the fuel cell;
From the plurality of supply ports arranged at predetermined intervals in the axial direction of the cell stack on the air electrode side of the cell stack, toward the air electrode side surface of the cell stack, flammability below the flammability limit concentration Supplying a fluid containing an oxidant to which a fluid containing fuel is added; catalytically burning the combustible fuel to raise the temperature of the fuel cell; and
A reduction step of supplying a fluid containing a reducing agent to the fuel electrode side of the cell stack;
Equipped with a,
An air electrode side fluid discharge path that is a tubular member is disposed in the center of the storage chamber so as to be concentric with the side wall of the storage chamber in which the cell stack is stored,
The cell stack is disposed between a side wall of the storage chamber and the air electrode side fluid discharge path,
A fuel cell reduction method for discharging a fluid containing the supplied oxidant from the air electrode side fluid discharge path .
前記燃料電池セルの温度を計測する工程と、
前記可燃性燃料を含む流体の添加量を調節し、前記燃料電池セルの温度を制御する温度制御工程と、
を備えている請求項に記載の燃料電池還元方法。
Measuring the temperature of the fuel cell; and
Adjusting the amount of fluid containing the combustible fuel and controlling the temperature of the fuel cell; and
The fuel cell reduction method according to claim 4 , comprising:
前記温度制御工程が、
前記燃料電池セルの温度が700℃に達するまで、前記酸化剤を含む流体に、可燃限界濃度の可燃性燃料を含む流体を添加する第1制御工程と、
第1制御工程の後、前記燃料電池セルの温度が900℃を超えないよう前記可燃性燃料を含む流体の添加量を調節する第2制御工程と、
第2制御工程の後、前記燃料電池セルの温度が700℃以上900℃以下を維持するよう前記可燃性燃料の添加量を調節する第3制御工程と、
を含む請求項に記載の燃料電池還元方法。
The temperature control step includes
A first control step of adding a fluid containing a flammable fuel at a flammable limit concentration to the fluid containing the oxidant until the temperature of the fuel cell reaches 700 ° C .;
After the first control step, a second control step of adjusting the amount of fluid containing the combustible fuel so that the temperature of the fuel cell does not exceed 900 ° C .;
After the second control step, a third control step of adjusting the amount of the combustible fuel added so that the temperature of the fuel cell is maintained at 700 ° C. or higher and 900 ° C. or lower;
The fuel cell reduction method according to claim 5 comprising:
前記可燃性燃料を含む流体が、メタンを主成分とするガスまたは水素ガスであり、
前記可燃限界濃度が、3体積%である請求項乃至請求項のいずれかに記載の燃料電池還元方法。
The fluid containing the combustible fuel is a gas mainly containing methane or hydrogen gas,
The fuel cell reduction method according to any one of claims 4 to 6 , wherein the flammable limit concentration is 3% by volume.
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