JP6800367B1 - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
【課題】低コストで燃料電池の耐熱温度を高くする。【解決手段】燃料電池システム１０Ａは、原料ガスから水素及び一酸化炭素への改質率が所定の部分改質率よりも低い部分改質ガスを供給する、改質装置１２と、定格運転時における発電に伴う発熱により、部分改質ガスの温度よりも高い中心作動温度となるセルスタック１４Ｓを有し、部分改質ガスを内部改質して燃料ガスを生成すると共に、生成した燃料ガスと空気により発電する、燃料電池セルスタック１４と、を備えている。【選択図】図１PROBLEM TO BE SOLVED: To raise a heat resistant temperature of a fuel cell at low cost. SOLUTION: A fuel cell system 10A has a reformer 12 for supplying a partially reformed gas having a reforming rate from a raw material gas to hydrogen and carbon monoxide lower than a predetermined partial reforming rate, and during rated operation. It has a cell stack 14S whose central operating temperature is higher than the temperature of the partially reformed gas due to the heat generated by the power generation in the above, and internally reforms the partially reformed gas to generate fuel gas, and at the same time, with the generated fuel gas. It includes a fuel cell stack 14 that generates electricity by air. [Selection diagram] Fig. 1
Description
本発明は燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
従来、高温で作動する高温作動型燃料電池を用いた燃料電池システムが提案されており、当該燃料電池システムでは、熱効率を向上させるため、燃料電池を改質器や燃焼器などの近傍の高温環境下に配置している。 Conventionally, a fuel cell system using a high temperature operating fuel cell that operates at a high temperature has been proposed. In the fuel cell system, in order to improve thermal efficiency, the fuel cell is placed in a high temperature environment in the vicinity of a reformer or a combustor. It is placed below.
一方、高温作動型燃料電池は、高温の環境下に配置されるため、耐熱温度を高くする必要がある。そのため、燃料電池の製造コストが高くなっていた。燃料電池の耐熱温度を低くすれば製造コストを下げることができるが、単に従来の高温作動型燃料電池の燃料電池システム内に、耐熱温度が低い燃料電池を組み込むと、環境温度が高温のままであるため、燃料電池の劣化が懸念される。そこで、燃料電池システムのレイアウト等を変更することが考えられるが、設計変更のコストがかかってしまう。スタックの発電効率を維持するためには、環境温度をある程度の高温に維持する必要がある。燃料電池の耐熱温度を下げた場合、発電効率を維持可能な環境温度下では、燃料電池の劣化が懸念される。 On the other hand, since the high temperature operating fuel cell is arranged in a high temperature environment, it is necessary to raise the heat resistant temperature. Therefore, the manufacturing cost of the fuel cell is high. The manufacturing cost can be reduced by lowering the heat-resistant temperature of the fuel cell, but if a fuel cell with a low heat-resistant temperature is simply incorporated into the fuel cell system of a conventional high-temperature operating fuel cell, the environmental temperature remains high. Therefore, there is concern about deterioration of the fuel cell. Therefore, it is conceivable to change the layout of the fuel cell system, etc., but the cost of design change is high. In order to maintain the power generation efficiency of the stack, it is necessary to maintain the environmental temperature at a certain high temperature. When the heat-resistant temperature of the fuel cell is lowered, there is a concern that the fuel cell may deteriorate under an environmental temperature at which power generation efficiency can be maintained.
本発明は上記事実を考慮して成されたものであり、低コストで燃料電池の耐熱温度を高くすることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above facts, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of increasing the heat resistant temperature of a fuel cell at low cost.
請求項１に係る燃料電池システムは、炭化水素原料から水素及び一酸化炭素への改質率が所定の部分改質率よりも低い部分改質ガスを供給する、部分改質ガス供給部と、定格運転時における発電に伴う発熱により、前記部分改質ガス供給部から供給される前記部分改質ガスの温度よりも高い中心作動温度となるセルスタックを有し、前記部分改質ガスを内部改質して燃料ガスを生成すると共に、生成した燃料ガスと酸化剤ガスにより発電する、固体酸化物形の燃料電池と、を備えている。 The fuel cell system according to claim 1 includes a partially reformed gas supply unit that supplies a partially reformed gas having a reforming rate from a hydrocarbon raw material to hydrogen and carbon monoxide lower than a predetermined partial reforming rate. It has a cell stack whose central operating temperature is higher than the temperature of the partially reformed gas supplied from the partially reformed gas supply unit due to heat generated by power generation during rated operation, and internally reforms the partially reformed gas. It is equipped with a solid oxide fuel cell that produces fuel gas by quality and generates electricity from the generated fuel gas and oxidizing agent gas.
請求項１に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電する燃料電池を備えている。燃料電池には、部分改質ガス供給部から部分改質ガスが供給される。この部分改質ガスは、炭化水素原料から水素及び一酸化炭素への改質率が所定の部分改質率よりも低い部分改質状態のガスである。 The fuel cell system according to claim 1 includes a fuel cell that generates electricity from a fuel gas and an oxidant gas. The partially reformed gas is supplied to the fuel cell from the partially reformed gas supply unit. This partially reformed gas is a gas in a partially reformed state in which the reforming rate from the hydrocarbon raw material to hydrogen and carbon monoxide is lower than the predetermined partially reformed rate.
この燃料電池に備えられたセルスタックは、定格運転時における発電に伴う発熱により、部分改質ガス供給部から供給される部分改質ガスの温度よりも高い中心作動温度となる。燃料電池は、セルスタックからの発熱を利用して部分改質ガスを内部改質する。当該内部改質により、部分改質ガスがさらに改質されて水素濃度及び一酸化炭素濃度の高くなった燃料ガスが生成される。そして、改質反応は吸熱反応であるため、燃料電池の温度上昇が抑制される。 The cell stack provided in this fuel cell has a central operating temperature higher than the temperature of the partially reformed gas supplied from the partially reformed gas supply unit due to heat generated by power generation during rated operation. The fuel cell internally reforms the partially reformed gas by utilizing the heat generated from the cell stack. By the internal reforming, the partially reformed gas is further reformed to generate a fuel gas having a high hydrogen concentration and a high carbon monoxide concentration. Since the reforming reaction is an endothermic reaction, the temperature rise of the fuel cell is suppressed.
したがって、同程度の耐熱温度である燃料電池を用いた場合、燃料極に同じ温度の燃料ガスを供給した場合と比較して、燃料電池全体の温度上昇を抑制することができる。これにより、燃料電池の外側の環境温度の高温化を許容することができ、耐熱温度を上げることができるため、低コストで燃料電池の耐熱温度を高くすることができる。 Therefore, when a fuel cell having the same heat resistant temperature is used, it is possible to suppress an increase in the temperature of the entire fuel cell as compared with the case where the fuel gas having the same temperature is supplied to the fuel electrode. As a result, it is possible to allow the environmental temperature outside the fuel cell to rise, and the heat resistant temperature can be raised, so that the heat resistant temperature of the fuel cell can be raised at low cost.
請求項２に係る燃料電池システムは、前記部分改質ガス供給部は、前記炭化水素原料を改質する改質触媒層を有し、前記改質触媒層における改質温度を、前記中心作動温度よりも低い部分改質温度とすることで前記部分改質ガスを生成する。 In the fuel cell system according to claim 2, the partially reformed gas supply unit has a reformed catalyst layer for reforming the hydrocarbon raw material, and the reformed temperature in the reformed catalyst layer is set to the central operating temperature. The partially reformed gas is generated by setting the partially reformed temperature lower than that.
請求項２に係る燃料電池システムによれば、改質触媒層における改質温度を、中心作動温度よりも低い部分改質温度とすることで、容易に部分改質ガスを生成することができる。 According to the fuel cell system according to claim 2, the partial reforming gas can be easily generated by setting the reforming temperature in the reforming catalyst layer to a partial reforming temperature lower than the central operating temperature.
請求項３に係る燃料電池システムは、前記中心作動温度は、前記内部改質により前記炭化水素原料から水素及び一酸化炭素への改質率が前記部分改質率よりも高い高改質率以上となるように設定されている。 In the fuel cell system according to claim 3, the central operating temperature is such that the reforming rate from the hydrocarbon raw material to hydrogen and carbon monoxide by the internal reforming is higher than the partial reforming rate. It is set to be.
請求項３に係る燃料電池システムによれば、セルスタックの中心作動温度が、高改質率以上となるように設定されているので、燃料電池において、部分改質ガスを適切に内部改質することができる。 According to the fuel cell system according to claim 3, since the central operating temperature of the cell stack is set to have a high reforming rate or higher, the partially reformed gas is appropriately internally reformed in the fuel cell. be able to.
燃料電池システムは、前記燃料電池の燃料極から排出されるアノードオフガスを前記燃料電池へ循環させて前記燃料電池での発電に供する循環路、を備えることもできる。 The fuel cell system may also include a circulation path that circulates the anode-off gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell to the fuel cell to generate electricity in the fuel cell.
この燃料電池システムによれば、アノードオフガスを循環させて発電に再利用することにより、発電効率を高めることができる。 According to this fuel cell system, power generation efficiency can be improved by circulating the anode off-gas and reusing it for power generation.
請求項１に係る燃料電池システムは、前記燃料電池の燃料極から排出されるアノードオフガスが供給され、前記アノードオフガスを用いて発電する固体酸化物形の後段燃料電池、を備えている。 The fuel cell system according to claim 1 includes a solid oxide type subsequent stage fuel cell in which an anode off gas discharged from a fuel electrode of the fuel cell is supplied and power is generated using the anode off gas.
請求項１に係る燃料電池システムによれば、燃料電池からのアノードオフガスを後段燃料電池で発電に再利用することにより、発電効率を高めることができる。 According to the fuel cell system according to claim 1 , the power generation efficiency can be improved by reusing the anode off gas from the fuel cell for power generation in the subsequent fuel cell.
請求項１に係る燃料電池システムは、前記後段燃料電池の後段燃料極へ供給する前記アノードオフガスの温度を、前記燃料極へ供給する部分改質ガスの温度よりも低温にするアノードオフガス冷却部、を備えている。 The fuel cell system according to claim 1 is an anode off-gas cooling unit that lowers the temperature of the anode-off gas supplied to the rear-stage fuel electrode of the rear-stage fuel cell to a temperature lower than the temperature of the partially reformed gas supplied to the fuel electrode. It has.
後段燃料電池については、前段に配置された燃料電池のように、部分改質ガスが供給されないので、燃料電池内部における改質での温度低下が生じない。そこで、アノードオフガス冷却部で、後段燃料電池の後段燃料極へ供給するアノードオフガスの温度を、燃料極へ供給する部分改質ガスの温度よりも低温にする。これにより、後段燃料電池について、全体の温度を下げることができ、高温環境下に当該環境温度よりも耐熱温度の低い高い後段燃料電池を配置することができる。 Unlike the fuel cell arranged in the front stage, the fuel cell in the latter stage is not supplied with the partially reformed gas, so that the temperature does not drop due to the reforming inside the fuel cell. Therefore, in the anode off-gas cooling unit, the temperature of the anode-off gas supplied to the rear-stage fuel electrode of the rear-stage fuel cell is set to be lower than the temperature of the partially reformed gas supplied to the fuel electrode. As a result, the overall temperature of the rear-stage fuel cell can be lowered, and a high-stage fuel cell having a heat-resistant temperature lower than the environmental temperature can be arranged in a high-temperature environment.
請求項４に係る燃料電池システムは、前記アノードオフガス冷却部は、前記アノードオフガスから二酸化炭素及び水の少なくとも一方を除去する燃料再生部である。 In the fuel cell system according to claim 4 , the anode off-gas cooling unit is a fuel regeneration unit that removes at least one of carbon dioxide and water from the anode-off gas.
燃料再生部は、一般的に凝縮器や分離膜で形成されており、アノードオフガスの温度を下げる。したがって、アノードオフガスから二酸化炭素及び水の少なくとも一方を除去して、後段燃料電池の発電効率を高めると共に、後段燃料電池の温度を下げることができる。 The fuel regeneration section is generally formed of a condenser or a separation membrane, and lowers the temperature of the anode off-gas. Therefore, at least one of carbon dioxide and water can be removed from the anode off-gas to increase the power generation efficiency of the post-stage fuel cell and lower the temperature of the post-stage fuel cell.
請求項５に係る燃料電池システムは、前記後段燃料電池の空気極へ、前記燃料電池の空気極へ供給する酸化剤ガスの温度よりも低温の酸化剤ガスを供給する低温酸化剤ガス供給部、を備えている。 The fuel cell system according to claim 5 is a low-temperature oxidant gas supply unit that supplies an oxidant gas having a temperature lower than the temperature of the oxidant gas supplied to the air electrode of the fuel cell to the air electrode of the subsequent fuel cell. It has.
後段燃料電池については、前段に配置された燃料電池のように、部分改質ガスが供給されないので、内部における改質による温度低下を行うことができない。そこで、低温酸化剤ガス供給部で、後段燃料電池の空気極へ、燃料電池の空気極へ供給する酸化剤ガスの温度よりも低温の酸化剤ガスを供給する。これにより、後段燃料電池の温度を下げることができ、高温環境下に当該環境温度よりも耐熱温度の低い高い後段燃料電池を配置することができる。
請求項６に係る燃料電池システムは、前記燃料電池及び前記後段燃料電池は、断熱壁に囲まれ内部の環境温度が外側の環境温度よりも高いホットボックス内に配置されている。
Unlike the fuel cell arranged in the front stage, the fuel cell in the latter stage is not supplied with the partially reformed gas, so that the temperature cannot be lowered by the reforming inside. Therefore, the low-temperature oxidant gas supply unit supplies the oxidant gas at a temperature lower than the temperature of the oxidant gas supplied to the air electrode of the fuel cell at the subsequent stage. As a result, the temperature of the rear-stage fuel cell can be lowered, and a high-stage fuel cell having a heat-resistant temperature lower than the environmental temperature can be arranged in a high-temperature environment.
In the fuel cell system according to claim 6 , the fuel cell and the subsequent fuel cell are arranged in a hot box surrounded by a heat insulating wall and having an internal environmental temperature higher than an external environmental temperature.
本発明に係る燃料電池システムによれば、低コストで高温環境下に燃料電池を配置可能な燃料電池システムを提供することができる。 According to the fuel cell system according to the present invention, it is possible to provide a fuel cell system capable of arranging a fuel cell in a high temperature environment at low cost.
［第１実施形態］
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態について詳細に説明する。図１には、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの主要構成の概略が示されている。本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、改質装置１２、第１燃料電池セルスタック１４、第２燃料電池セルスタック１６、燃料再生部１８、燃焼部２０、原料ガス供給ブロワ２２、空気供給ブロワ２４、及び、熱交換部２６を備えている。
[First Embodiment]
Hereinafter, the first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows an outline of a main configuration of the fuel cell system 10A according to the embodiment of the present invention. The fuel cell system 10A according to the embodiment of the present invention has, as main components, a reformer 12, a first fuel cell stack 14, a second fuel cell stack 16, a fuel regeneration unit 18, a combustion unit 20, and a raw material gas. It includes a supply blower 22, an air supply blower 24, and a heat exchange unit 26.
改質装置１２、第１燃料電池セルスタック１４、第２燃料電池セルスタック１６、及び燃焼部２０は、ホットボックスＨ内に配置されている。ホットボックスＨは、断熱壁に囲まれており、内部の環境温度ＴＨが、ホットボックスＨの外側の環境温度よりも高くなっている。 The reformer 12, the first fuel cell stack 14, the second fuel cell stack 16, and the combustion unit 20 are arranged in the hot box H. The hot box H is surrounded by a heat insulating wall, and the internal environmental temperature TH is higher than the external environmental temperature of the hot box H.
改質装置１２には、原料ガス供給管Ｐ１の一端が接続されており、原料ガス供給管Ｐ１から改質装置１２へ、原料ガスが供給される。なお、改質装置１２には、不図示の水蒸気供給部から改質に必要な水蒸気が供給される。 One end of the raw material gas supply pipe P1 is connected to the reformer 12, and the raw material gas is supplied from the raw material gas supply pipe P1 to the reformer 12. The reformer 12 is supplied with steam necessary for reforming from a steam supply unit (not shown).
なお、本実施形態では、原料ガスとしてメタンを用いるが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよく、上述した低級炭化水素ガスは天然ガス、都市ガス、ＬＰガス等のガスであってもよい。また、バイオガスを用いてもよい。 In the present embodiment, methane is used as the raw material gas, but the gas is not particularly limited as long as it can be reformed, and a hydrocarbon fuel can be used. Examples of the hydrocarbon fuel include natural gas, LP gas (liquefied petroleum gas), coal reforming gas, and lower hydrocarbon gas. Examples of the lower hydrocarbon gas include lower hydrocarbons having 4 or less carbon atoms such as methane, ethane, ethylene, propane and butane, and methane used in the present embodiment is preferable. The hydrocarbon fuel may be a mixture of the above-mentioned lower hydrocarbon gas, and the above-mentioned lower hydrocarbon gas may be a gas such as natural gas, city gas, or LP gas. Moreover, you may use biogas.
改質装置１２では、原料ガスを改質し、水素及び一酸化炭素を含む部分改質ガスを生成する。ここで、改質装置１２における部分改質、温度について説明する。図２に示されるように、改質装置１２の内部には、原料ガスが流通する改質空間Ｒが形成されており、改質空間Ｒには触媒粒子が充填された改質触媒層１２Ａが設けられている。改質空間Ｒに流入した原料ガスは、改質触媒層１２Ａにより改質反応を促進され、改質される。当該改質質反応は、得られるガスの、原料ガス（炭化水素ガス）から水素及び一酸化炭素への改質率が、後述する部分改質率Ｄ１未満になるように制御されている。ここでの改質率とは、原料ガスからの水素及び一酸化炭素への転化率を意味する。 The reformer 12 reforms the raw material gas to generate a partially reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide. Here, the partial reforming and the temperature in the reforming apparatus 12 will be described. As shown in FIG. 2, a reforming space R through which the raw material gas flows is formed inside the reforming apparatus 12, and the reforming catalyst layer 12A filled with catalyst particles is formed in the reforming space R. It is provided. The raw material gas that has flowed into the reforming space R is reformed by promoting the reforming reaction by the reforming catalyst layer 12A. The reformed quality reaction is controlled so that the reforming rate of the obtained gas from the raw material gas (hydrocarbon gas) to hydrogen and carbon monoxide is less than the partial reforming rate D1 described later. The reforming rate here means the conversion rate from the raw material gas to hydrogen and carbon monoxide.
なお、供給する改質水の量は、炭素に対しての比（Ｓ／Ｃ）が、一例として２．５程度となるようにすることができる。Ｓ／Ｃとしては、１．８〜３．０の範囲で設定可能である。 The amount of reformed water to be supplied can be set so that the ratio (S / C) to carbon is about 2.5 as an example. The S / C can be set in the range of 1.8 to 3.0.
改質反応は吸熱反応であり、一般的には、改質率をなるべく高くするために改質温度が設定されている（ここで設定される改質温度を「高改質温度Ｔ２」、当該高改質温度Ｔ２における改質率を「高改質率Ｄ２」、得られたガスを「高改質ガス」と称する）。ここでの高改質率Ｄ２は、７０．０％以上が想定されており、７８．０％以上が好ましい。高温改質温度Ｔ２としては、６００℃〜７３０℃程度を設定することができ、６２０℃〜７００℃の範囲内が好ましい。本実施形態では、意図的に改質率を下げるために改質温度を高改質温度よりも低いＴ１（以下「部分改質温度Ｔ１」と称する）とする。部分改質温度Ｔ１は、原料ガスから水素及び一酸化炭素への改質率が所定の改質率（以下「部分改質率Ｄ１」と称する）以下になる温度である。部分改質率Ｄ１としては、５２．５％以上、８８．０％未満で設定することができ、５６．０％以上、８２．５％未満の範囲が好ましい。部分改質温度Ｔ１としては、５５０℃〜６５０℃程度を設定することができ、５６０℃〜６３０℃の範囲が好ましい。当該改質により得られた、原料ガスから水素及び一酸化炭素への改質率が、部分改質率Ｄ１の改質ガスを「部分改質ガス」と称する。なお、上記で示した高温改質率Ｄ２の範囲と部分改質率Ｄ１の範囲は、重複部分を有しているが、燃料電池システム１０Ａの運転の際に設定される、高温改質率Ｄ２と部分改質率Ｄ１の関係は、Ｄ２＞Ｄ１である。高改質温度Ｔ２と部分改質温度Ｔ１の関係も同様にＴ２＞Ｔ１である。部分高温改質温度Ｔ２及び部分改質温度Ｔ１は、改質触媒の特性、原料ガス等に応じて設定される。 The reforming reaction is an endothermic reaction, and generally, the reforming temperature is set in order to increase the reforming rate as much as possible (the reforming temperature set here is "high reforming temperature T2", and the present invention is concerned. The reforming rate at the high reforming temperature T2 is referred to as "high reforming rate D2", and the obtained gas is referred to as "high reforming gas"). The high modification rate D2 here is assumed to be 70.0% or more, preferably 78.0% or more. The high temperature reforming temperature T2 can be set to about 600 ° C. to 730 ° C., preferably in the range of 620 ° C. to 700 ° C. In the present embodiment, the reforming temperature is set to T1 (hereinafter referred to as “partial reforming temperature T1”) lower than the high reforming temperature in order to intentionally lower the reforming rate. The partial reforming temperature T1 is a temperature at which the reforming rate from the raw material gas to hydrogen and carbon monoxide becomes equal to or lower than a predetermined reforming rate (hereinafter referred to as “partial reforming rate D1”). The partial modification rate D1 can be set at 52.5% or more and less than 88.0%, and is preferably in the range of 56.0% or more and less than 82.5%. The partial reforming temperature T1 can be set to about 550 ° C to 650 ° C, and is preferably in the range of 560 ° C to 630 ° C. A reformed gas having a partial reforming rate of D1 obtained by the reforming from the raw material gas to hydrogen and carbon monoxide is referred to as a "partially reformed gas". Although the range of the high temperature reforming rate D2 and the range of the partial reforming rate D1 shown above have overlapping portions, the high temperature reforming rate D2 set during the operation of the fuel cell system 10A is set. The relationship between the partial modification rate D1 and the partial modification rate D1 is D2> D1. Similarly, the relationship between the high reforming temperature T2 and the partial reforming temperature T1 is T2> T1. The partial high temperature reforming temperature T2 and the partial reforming temperature T1 are set according to the characteristics of the reforming catalyst, the raw material gas, and the like.
改質装置１２は、第１燃料電池セルスタック１４の第１アノード（燃料極）１４Ａと接続されている。改質装置１２で生成された部分改質ガスは、改質ガス管Ｐ２を介して第１燃料電池セルスタック１４の第１アノード１４Ａに供給される。 The reformer 12 is connected to the first anode (fuel electrode) 14A of the first fuel cell stack 14. The partially reformed gas generated by the reformer 12 is supplied to the first anode 14A of the first fuel cell stack 14 via the reforming gas pipe P2.
第１燃料電池セルスタック１４は固体酸化物形の燃料電池セルスタックであり、複数の燃料電池セルを有している。第１燃料電池セルスタック１４は本発明における燃料電池の一例である。図３に示されるように、個々の燃料電池セルは、電解質層１４Ｃと、当該電解質層１４Ｃの表裏面にそれぞれ積層された第１アノード１４Ａ、及び第１カソード（空気極）１４Ｂと、を有している。当該燃料電池セルが複数積層され、セルスタック１４Ｓが構成されている。セルスタック１４Ｓは、筐体１４Ｋ内に収納されている。 The first fuel cell stack 14 is a solid oxide fuel cell stack, and has a plurality of fuel cell cells. The first fuel cell cell stack 14 is an example of a fuel cell in the present invention. As shown in FIG. 3, each fuel cell has an electrolyte layer 14C, a first anode 14A laminated on the front and back surfaces of the electrolyte layer 14C, and a first cathode (air electrode) 14B, respectively. doing. A plurality of the fuel cell cells are stacked to form a cell stack 14S. The cell stack 14S is housed in the housing 14K.
セルスタック１４Ｓの中央部分には、熱電対Ｎが配置されている。熱電対Ｎにより、セルスタックＳの中心部分の温度（中心作動温度）が測定される。なお、熱電対Ｎは必須ではなく、同一構成の燃料電池セルスタックを用いた実験により、供給する部分改質ガスの温度やホットボックスＨ内の温度等から後述する中心作動温度Ｔ３を推定できれば、省略することができる。本実施形態の第１燃料電池セルスタック１４は、定格運転時において、発電反応に伴う発熱により、中心作動温度がＴ３程度とされている。中心作動温度Ｔ３は、部分改質温度Ｔ１よりも高く、高改質温度Ｔ２と同程度の温度である。 A thermocouple N is arranged in the central portion of the cell stack 14S. The temperature of the central portion of the cell stack S (center operating temperature) is measured by the thermocouple N. The thermocouple N is not indispensable, and if the central operating temperature T3 described later can be estimated from the temperature of the partially reformed gas to be supplied, the temperature in the hot box H, etc. by an experiment using a fuel cell stack having the same configuration, It can be omitted. The first fuel cell stack 14 of the present embodiment has a central operating temperature of about T3 due to heat generated by the power generation reaction during rated operation. The central operating temperature T3 is higher than the partial reforming temperature T1 and is about the same as the high reforming temperature T2.
なお、第２燃料電池セルスタック１６についての基本構成は、第１燃料電池セルスタック１４と同様であり、第１アノード１４Ａに対応する第２アノード１６Ａ、及び第１カソード１４Ｂに対応する第２カソード１６Ｂを有している。セルスタック１６Ｓの中央部分には、熱電対Ｎが配置されている。 The basic configuration of the second fuel cell stack 16 is the same as that of the first fuel cell stack 14, and the second anode 16A corresponding to the first anode 14A and the second cathode corresponding to the first cathode 14B It has 16B. A thermocouple N is arranged in the central portion of the cell stack 16S.
空気供給管Ｐ３には空気供給ブロワ２４が接続されており、空気供給ブロワ２４から空気供給管Ｐ３へ空気が送出される。空気供給管Ｐ３は、配管Ｐ３ＡとＰ３Ｂに分岐部Ｂ１で分岐されている。配管Ｐ３Ａは、第１燃料電池セルスタック１４の第１カソード１４Ｂに接続され、配管Ｐ３Ｂは、第２燃料電池セルスタック１６の第２カソード１６Ｂに接続されている。 An air supply blower 24 is connected to the air supply pipe P3, and air is sent from the air supply blower 24 to the air supply pipe P3. The air supply pipe P3 is branched into pipes P3A and P3B at a branch portion B1. The pipe P3A is connected to the first cathode 14B of the first fuel cell stack 14, and the pipe P3B is connected to the second cathode 16B of the second fuel cell stack 16.
第１燃料電池セルスタック１４の第１カソード１４Ｂには、配管Ｐ３Ａから空気が供給される。第１カソード１４Ｂでは、下記（１）式に示すように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質層を通って第１燃料電池セルスタック１４の第１アノード１４Ａに到達する。 Air is supplied from the pipe P3A to the first cathode 14B of the first fuel cell stack 14. At the first cathode 14B, as shown in the following equation (1), oxygen in the air reacts with electrons to generate oxygen ions. The generated oxygen ions pass through the electrolyte layer and reach the first anode 14A of the first fuel cell stack 14.
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ− →Ｏ２− …（１）
(Air electrode reaction)
1 / 2O 2 + 2e − → O 2- … (1)
また、第１カソード１４Ｂには、第１カソード１４Ｂからカソードオフガスを送出するカソードオフガス管Ｐ６Ａが接続されている。 Further, a cathode off gas tube P6A that sends out cathode off gas from the first cathode 14B is connected to the first cathode 14B.
一方、第１燃料電池セルスタック１４の第１アノード１４Ａでは、下記（２）式及び（３）式に示すように、部分改質ガス中に含まれるメタンの改質反応が生じる。これにより、部分改質ガス中の水素濃度及び一酸化炭素濃度が上昇する。 On the other hand, at the first anode 14A of the first fuel cell stack 14, a reforming reaction of methane contained in the partially reformed gas occurs as shown in the following equations (2) and (3). As a result, the hydrogen concentration and the carbon monoxide concentration in the partially reformed gas increase.
また、（４）式及び（５）式に示すように、電解質層を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)及び二酸化炭素と電子が生成される。第１アノード１４Ａで生成された電子が第１アノード１４Ａから外部回路を通って第１カソード１４Ｂに移動することで、各燃料電池セルにおいて発電される。また、各燃料電池セルは、発電時に発熱する。当該発熱により、セルスタック１４Ｓの中心作動温度がＴ３となる。 Further, as shown in Eqs. (4) and (5), oxygen ions passing through the electrolyte layer react with hydrogen and carbon monoxide in the fuel gas to generate water (water vapor), carbon dioxide and electrons. To. The electrons generated in the first anode 14A move from the first anode 14A to the first cathode 14B through an external circuit, so that electricity is generated in each fuel cell. In addition, each fuel cell cell generates heat during power generation. Due to the heat generation, the central operating temperature of the cell stack 14S becomes T3.
（燃料極反応）
ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋４Ｈ２…(２)
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ２…(３)
Ｈ２ ＋Ｏ２− →Ｈ２Ｏ＋２ｅ− …(４)
ＣＯ＋Ｏ２− →ＣＯ２＋２ｅ− …(５)
(Fuel electrode reaction)
CH 4 + 2H 2 O → CO 2 + 4H 2 … (2)
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 … (3)
H 2 + O 2- → H 2 O + 2e − … (4)
CO + O 2- → CO 2 + 2e − … (5)
第１燃料電池セルスタック１４の第１アノード１４Ａにはアノードオフガス管Ｐ４の一端が接続されており、アノードオフガス管Ｐ４には、第１アノード１４Ａからアノードオフガスが排出される。アノードオフガスには、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。 One end of the anode off-gas pipe P4 is connected to the first anode 14A of the first fuel cell stack 14, and the anode-off gas is discharged from the first anode 14A to the anode off-gas pipe P4. The anode off-gas contains unreacted hydrogen, unreacted carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor and the like.
なお、本発明の燃料電池としては、固体酸化物形の燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)に限られるものではなく、他の燃料電池、例えば溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)であってもよい。 The fuel cell of the present invention is not limited to a solid oxide fuel cell (SOFC), but is another fuel cell such as a molten carbonate fuel cell (MCFC). May be good.
アノードオフガス管Ｐ４の他端は、燃料再生部１８と接続されている。燃料再生部１８は、アノードオフガスから、二酸化炭素、水の少なくとも一方を除去する。燃料再生部１８としては、例えば、凝縮器、水蒸気分離膜、二酸化炭素分離膜、二酸化炭素吸収剤、二酸化炭素吸着剤、二酸化炭素吸収液、等を用いることができる。 The other end of the anode off-gas pipe P4 is connected to the fuel regeneration unit 18. The fuel regeneration unit 18 removes at least one of carbon dioxide and water from the anode off-gas. As the fuel regeneration unit 18, for example, a condenser, a water vapor separation membrane, a carbon dioxide separation membrane, a carbon dioxide absorber, a carbon dioxide adsorbent, a carbon dioxide absorbent, or the like can be used.
アノードオフガスは、アノードオフガス管Ｐ４に送出され、熱交換部２６を経て燃料再生部１８へ供給される。熱交換部２６については後述する。 The anode off gas is sent to the anode off gas pipe P4 and is supplied to the fuel regeneration unit 18 via the heat exchange unit 26. The heat exchange unit 26 will be described later.
燃料再生部１８では、アノードオフガスについて、二酸化炭素及び水の少なくとも一方の濃度が低減される。二酸化炭素及び水の少なくとも一方の濃度が低減されたアノードオフガスは、再生燃料ガスとして、再生燃料ガス管Ｐ５へ送出される。再生燃料ガス管Ｐ５は、第２燃料電池セルスタック１６の第２アノード１６Ａと接続されており、再生燃料ガスは、熱交換部２６を経て、第２燃料電池セルスタック１６の第２アノード１６Ａに供給される。 In the fuel regeneration unit 18, the concentration of at least one of carbon dioxide and water is reduced with respect to the anode off gas. The anode off gas having a reduced concentration of at least one of carbon dioxide and water is sent to the regenerated fuel gas pipe P5 as a regenerated fuel gas. The regenerated fuel gas pipe P5 is connected to the second anode 16A of the second fuel cell stack 16, and the regenerated fuel gas passes through the heat exchange unit 26 to the second anode 16A of the second fuel cell stack 16. Will be supplied.
再生燃料ガス管Ｐ５は、熱交換部２６を経由して第２アノード１６Ａと接続されている。熱交換部２６では、第１アノード１４Ａから送出されて燃料再生部１８へ至る前のアノードオフガスと、再生燃料ガスとの間で熱交換が行われる。熱交換部２６において、再生燃料ガスは加熱され、アノードオフガスは冷却される。加熱後の再生燃料ガスの温度は、Ｔ４になるように熱交換部２６での熱交換量が設定されている。温度Ｔ４は、温度Ｔ１よりも低く設定されている。加熱後の再生燃料ガスの温度をＴ１よりも下げる方法として、例えば、熱交換部２６の性能を下げる方法を用いることができる。 The regenerated fuel gas pipe P5 is connected to the second anode 16A via the heat exchange unit 26. In the heat exchange unit 26, heat exchange is performed between the anode off gas sent from the first anode 14A and before reaching the fuel regeneration unit 18 and the regenerated fuel gas. In the heat exchange unit 26, the regenerated fuel gas is heated and the anode off gas is cooled. The heat exchange amount in the heat exchange unit 26 is set so that the temperature of the regenerated fuel gas after heating becomes T4. The temperature T4 is set lower than the temperature T1. As a method of lowering the temperature of the regenerated fuel gas after heating below T1, for example, a method of lowering the performance of the heat exchange unit 26 can be used.
なお、ホットボックスＨ内の環境温度ＴＨは、部分改質ガスの温度Ｔ１と同程度であり、温度Ｔ３よりも低い温度とされている。 The environmental temperature TH in the hot box H is about the same as the temperature T1 of the partially reformed gas, and is lower than the temperature T3.
本実施形態の燃料電池システム１０Ａは、第１燃料電池セルスタック１４で使用された燃料であるアノードオフガスが再生されて、燃料ガスとして第２燃料電池セルスタック１６で再利用される多段式の燃料電池システムとなっている。 In the fuel cell system 10A of the present embodiment, the anode off gas, which is the fuel used in the first fuel cell stack 14, is regenerated and reused as the fuel gas in the second fuel cell stack 16. It is a battery system.
第２燃料電池セルスタック１６の第２アノード１６Ａ及び第２カソード１６Ｂでは、再生燃料ガスを用いて発電がおこなわれる。なお、第２アノード１６Ａへ供給されるガスは、部分改質ガスでないため、第１アノード１４Ａと同様の改質反応は行われない。第２アノード１６Ａには、アノードオフガス管Ｐ７の一端が接続され、アノードオフガス管Ｐ７の他端は燃焼部２０に接続されている。 At the second anode 16A and the second cathode 16B of the second fuel cell stack 16, power generation is performed using the regenerated fuel gas. Since the gas supplied to the second anode 16A is not a partially reformed gas, the same reforming reaction as that of the first anode 14A is not performed. One end of the anode off-gas pipe P7 is connected to the second anode 16A, and the other end of the anode off-gas pipe P7 is connected to the combustion unit 20.
第２カソード１６Ｂの入口側には、配管Ｐ３Ｂが接続され、分岐部Ｂ１で分岐された空気が供給される。第２カソード１６Ｂの出口側には、カソードオフガス管Ｐ６Ｂが接続され、第２カソード１６Ｂから排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス管Ｐ６Ｂへ排出される。カソードオフガス管Ｐ６ＡとＰ６Ｂは、合流部Ｇ１で合流され、合流後のカソードオフガスは、カソードオフガス管Ｐ６を経て燃焼部２０へ供給される。 The pipe P3B is connected to the inlet side of the second cathode 16B, and the air branched at the branch portion B1 is supplied. A cathode off gas pipe P6B is connected to the outlet side of the second cathode 16B, and the cathode off gas discharged from the second cathode 16B is discharged to the cathode off gas pipe P6B. The cathode off gas pipes P6A and P6B are merged at the merging portion G1, and the cathode off gas after merging is supplied to the combustion section 20 via the cathode off gas pipe P6.
燃焼部２０では、アノードオフガス管Ｐ７からのアノードオフガスが、カソードオフガス管Ｐ６からのカソードオフガスと混合されて燃焼する。燃焼部２０には、燃焼排ガス管Ｐ８が接続されており、燃焼排ガス管Ｐ８から燃焼排ガスが排出される。燃焼排ガスは、空気や燃料ガスを加熱するために用いることができる。 In the combustion unit 20, the anode off gas from the anode off gas pipe P7 is mixed with the cathode off gas from the cathode off gas pipe P6 and burned. A combustion exhaust gas pipe P8 is connected to the combustion unit 20, and the combustion exhaust gas is discharged from the combustion exhaust gas pipe P8. The flue gas can be used to heat air or fuel gas.
次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ａの動作について説明する。 Next, the operation of the fuel cell system 10A of the present embodiment will be described.
燃料電池システム１０Ａにおいては、原料ガス供給ブロワ２２によって原料ガスが、図示しない水蒸気供給部からの水蒸気と混合されて、原料ガス供給管Ｐ１へ送出される。また、空気供給ブロワ２４によって、空気が空気供給管Ｐ３へ送出される。 In the fuel cell system 10A, the raw material gas is mixed with the steam from the steam supply unit (not shown) by the raw material gas supply blower 22 and sent to the raw material gas supply pipe P1. Further, the air is sent to the air supply pipe P3 by the air supply blower 24.
原料ガス供給管Ｐ１へ送出された原料ガスは、水蒸気と混合されて混合原料ガスとなり、改質装置１２へ供給される。改質装置１２では、混合原料ガスが、部分改質温度Ｔ１の下で改質反応により改質され、水素および一酸化炭素を含む部分改質ガスが生成される。部分改質ガスは改質ガス管Ｐ２を介して第１燃料電池セルスタック１４の第１アノード１４Ａに供給される。 The raw material gas delivered to the raw material gas supply pipe P1 is mixed with steam to become a mixed raw material gas, which is supplied to the reformer 12. In the reformer 12, the mixed raw material gas is reformed by a reforming reaction at the partial reforming temperature T1 to generate a partially reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide. The partially reformed gas is supplied to the first anode 14A of the first fuel cell stack 14 via the reformed gas pipe P2.
空気供給管Ｐ３へ送出された空気は、分岐部Ｂ１で分岐され、第１燃料電池セルスタック１４の第１カソード１４Ｂ、及び、第２燃料電池セルスタック１６の第２カソード１６Ｂへ供給される。 The air delivered to the air supply pipe P3 is branched at the branch portion B1 and supplied to the first cathode 14B of the first fuel cell stack 14 and the second cathode 16B of the second fuel cell stack 16.
第１燃料電池セルスタック１４では、前述の反応により発電が行われる。この発電に伴い燃料電池セルスタック１４は発熱する。一方、第１アノード１４Ａでは、部分改質ガスが改質される。当該改質反応は吸熱反応であり、発電反応に伴う発熱による温度上昇を抑制することができる。また、定格運転時における、スタック１４Ｓの中心作動温度Ｔ３は、高改質温度Ｔ２と同程度であるため、部分改質ガスの改質反応を効果的に促進することができる。 In the first fuel cell stack 14, power is generated by the above-mentioned reaction. Along with this power generation, the fuel cell stack 14 generates heat. On the other hand, in the first anode 14A, the partially reformed gas is reformed. The reforming reaction is an endothermic reaction, and the temperature rise due to heat generation associated with the power generation reaction can be suppressed. Further, since the central operating temperature T3 of the stack 14S during the rated operation is about the same as the high reforming temperature T2, the reforming reaction of the partially reformed gas can be effectively promoted.
第１アノード１４Ａからは、アノードオフガスが排出される。また、第１カソード１４Ｂからは、カソードオフガスが排出される。カソードオフガスは、カソードオフガス管Ｐ６Ａへ送出される。 Anode off gas is discharged from the first anode 14A. Further, the cathode off gas is discharged from the first cathode 14B. The cathode off gas is sent to the cathode off gas pipe P6A.
第１アノード１４Ａから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス管Ｐ４に導かれ、熱交換部２６へ流入して冷却された後、燃料再生部１８へ供給される。燃料再生部１８では、アノードオフガスから、二酸化炭素、水の少なくとも一方が除去され、再生燃料ガスが生成される。再生燃料ガスは、再生燃料ガス管Ｐ５へ送出され、熱交換部２６で温度Ｔ４に加熱された後、第２燃料電池セルスタック１６の第２アノード１６Ａへ供給される。 The anode off gas discharged from the first anode 14A is guided to the anode off gas pipe P4, flows into the heat exchange section 26, is cooled, and is then supplied to the fuel regeneration section 18. In the fuel regeneration unit 18, at least one of carbon dioxide and water is removed from the anode off gas to generate a recycled fuel gas. The regenerated fuel gas is sent to the regenerated fuel gas pipe P5, heated to the temperature T4 by the heat exchange unit 26, and then supplied to the second anode 16A of the second fuel cell stack 16.
第２燃料電池セルスタック１６では、前述の反応により発電が行われる。一方、再生燃料ガスは、部分改質ガスと異なり、メタンの成分が非常に低く、改質反応が期待できないため、改質による吸熱はほとんど行われない。そこで、本実施形態では、第２アノード１６Ａへ供給する再生燃料ガスの温度を、部分改質温度Ｔ１よりも低いＴ４に設定している。これにより、発電反応による発熱でセルスタック１６Ｓの中心作動温度がＴ３となった場合でも、第１アノード１６Ａへ流入する温度Ｔ４の再生燃料ガスにより、第２燃料電池セルスタック１６の温度上昇を抑制することができる。 In the second fuel cell stack 16, power generation is performed by the above-mentioned reaction. On the other hand, unlike the partially reformed gas, the regenerated fuel gas has a very low methane component and a reforming reaction cannot be expected, so that heat absorption by reforming is hardly performed. Therefore, in the present embodiment, the temperature of the regenerated fuel gas supplied to the second anode 16A is set to T4, which is lower than the partial reforming temperature T1. As a result, even when the central operating temperature of the cell stack 16S becomes T3 due to the heat generated by the power generation reaction, the regenerated fuel gas having a temperature T4 flowing into the first anode 16A suppresses the temperature rise of the second fuel cell stack 16. can do.
なお、再生燃料ガスの温度を部分改質温度Ｔ１よりも低いＴ４にする方法としては、原料ガス供給管Ｐ１を通る原料ガス（加湿されていてもよい）と熱交換してもよいし、その他の温度Ｔ４より低温のガスと熱交換してもよい。ホットボックスＨ内の温度Ｔ４よりも低温のガスと熱交換してもよい。 As a method of setting the temperature of the regenerated fuel gas to T4, which is lower than the partial reforming temperature T1, heat exchange may be performed with the raw material gas (which may be humidified) passing through the raw material gas supply pipe P1, or other methods. You may exchange heat with a gas having a temperature lower than the temperature T4. Heat exchange may be performed with a gas having a temperature lower than the temperature T4 in the hot box H.
本実施形態の燃料電池システム１０Ａでは、第１アノード１４Ａでは、部分改質ガスを改質することにより、その吸熱特性を利用して、発電反応の発熱による第１燃料電池セルスタック１４の温度上昇を抑制することができる。また、第２アノード１６Ａでは、第２アノード１６Ａへ供給する再生燃料ガスの温度を比較的低温（Ｔ４）とすることにより、発電反応の発熱による第２燃料電池セルスタック１６の温度上昇を抑制することができる。 In the fuel cell system 10A of the present embodiment, in the first anode 14A, the temperature of the first fuel cell stack 14 rises due to the heat generated by the power generation reaction by reforming the partially reformed gas and utilizing its endothermic characteristics. Can be suppressed. Further, in the second anode 16A, the temperature of the regenerated fuel gas supplied to the second anode 16A is set to a relatively low temperature (T4), so that the temperature rise of the second fuel cell stack 16 due to the heat generated by the power generation reaction is suppressed. be able to.
上記より、第１燃料電池セルスタック１４、第２燃料電池セルスタック１６について、ホットボックスＨ内での劣化を抑制しつつ、耐熱温度を下げることができ、燃料電池システム１０Ａの製造の低コスト化を図ることができる。 From the above, the heat-resistant temperature of the first fuel cell stack 14 and the second fuel cell stack 16 can be lowered while suppressing deterioration in the hot box H, and the manufacturing cost of the fuel cell system 10A can be reduced. Can be planned.
なお、本実施形態では、再生燃料ガスの温度を下げることにより、第２燃料電池セルスタック１６の温度上昇を抑制したが、再生燃料ガスの温度を下げることに代えて、また併用して、第２カソード１６Ｂへ供給する空気の温度を下げてもよい。この場合には、分岐部Ｂ１で分岐されて第１カソード１４Ｂへ供給される空気の温度Ｔ６よりも、第２カソード１６Ｂへ供給される空気の温度が、より低いＴ５に設定される（Ｔ６＞Ｔ５）。 In the present embodiment, the temperature rise of the second fuel cell stack 16 is suppressed by lowering the temperature of the regenerated fuel gas, but instead of lowering the temperature of the regenerated fuel gas, the second fuel cell stack 16 is used in combination. The temperature of the air supplied to the two cathodes 16B may be lowered. In this case, the temperature of the air supplied to the second cathode 16B is set to T5, which is lower than the temperature T6 of the air branched at the branch portion B1 and supplied to the first cathode 14B (T6>. T5).
また、本実施形態では、第１燃料電池セルスタック１４、第２燃料電池セルスタック１６を１個ずつ使用する例について説明したが、いずれか、もしくは両方について、複数の燃料電池セルスタックを使用してもよい。 Further, in the present embodiment, an example in which the first fuel cell stack 14 and the second fuel cell stack 16 are used one by one has been described, but a plurality of fuel cell stacks are used for either or both of them. You may.
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
[Second Embodiment]
Next, the second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the same parts as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
図４には、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１０Ｂが示されている。燃料電池システム１０Ｂは、第１実施形態で説明した燃料電池システム１０Ａと比較して、第２燃料電池セルスタック１６を有していない点が異なっている。 FIG. 4 shows the fuel cell system 10B according to the second embodiment of the present invention. The fuel cell system 10B is different from the fuel cell system 10A described in the first embodiment in that it does not have the second fuel cell stack 16.
第１燃料電池セルスタック１４の第１アノード１４Ａにはアノードオフガス管Ｐ４の一端が接続されており、アノードオフガス管Ｐ４には、第１アノード１４Ａからアノードオフガスが排出される。アノードオフガス管Ｐ４は、分岐部Ｂ２で燃焼用オフガス管Ｐ７が分岐されている。アノードオフガス管Ｐ４は、燃料再生部１８と接続されている。燃焼用オフガス管Ｐ７は、燃焼部２０と接続されている。 One end of the anode off-gas pipe P4 is connected to the first anode 14A of the first fuel cell stack 14, and the anode-off gas is discharged from the first anode 14A to the anode off-gas pipe P4. In the anode off-gas pipe P4, the combustion off-gas pipe P7 is branched at the branch portion B2. The anode off-gas pipe P4 is connected to the fuel regeneration unit 18. The combustion off-gas pipe P7 is connected to the combustion unit 20.
燃料再生部１８の下流側（出口側）には、再生燃料ガス管Ｐ５の一端が接続されており、再生燃料ガス管Ｐ５の他端は、改質装置１２よりも下流側の合流部Ｇ２で改質ガス管Ｐ２と合流されている。再生燃料ガス管Ｐ５は、熱交換部２６を経由して改質ガス管Ｐ２と合流されている。熱交換部２６では、第１アノード１４Ａから送出されて燃料再生部１８へ至る前のアノードオフガスと、再生燃料ガスとの間で熱交換が行われる。熱交換部２６において、再生燃料ガスは加熱され、アノードオフガスは冷却される。加熱後の再生燃料ガスの温度は、部分改質温度Ｔ１程度になるように設定されている。 One end of the regenerated fuel gas pipe P5 is connected to the downstream side (outlet side) of the refueling unit 18, and the other end of the regenerated fuel gas pipe P5 is a confluence G2 on the downstream side of the reformer 12. It merges with the reformed gas pipe P2. The regenerated fuel gas pipe P5 is merged with the reformed gas pipe P2 via the heat exchange unit 26. In the heat exchange unit 26, heat exchange is performed between the anode off gas sent from the first anode 14A and before reaching the fuel regeneration unit 18 and the regenerated fuel gas. In the heat exchange unit 26, the regenerated fuel gas is heated and the anode off gas is cooled. The temperature of the regenerated fuel gas after heating is set to be about the partial reforming temperature T1.
本実施形態の燃料電池システム１０Ｂは、第１燃料電池セルスタック１４から排出されたアノードオフガスの一部が再生されて、再度燃料ガスとして第１燃料電池セルスタック１４で再利用される循環式の燃料電池システムとなっている。 The fuel cell system 10B of the present embodiment is a circulation type in which a part of the anode off gas discharged from the first fuel cell stack 14 is regenerated and reused as fuel gas in the first fuel cell stack 14. It is a fuel cell system.
第１カソード１４Ｂには、カソードオフガス管Ｐ６の一端が接続されており、カソードオフガス管Ｐ６には、第１カソード１４Ｂからカソードオフガスが排出される。カソードオフガス管Ｐ６の他端は、燃焼部２０と接続されている。 One end of the cathode off gas pipe P6 is connected to the first cathode 14B, and the cathode off gas is discharged from the first cathode 14B to the cathode off gas pipe P6. The other end of the cathode off gas pipe P6 is connected to the combustion unit 20.
次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ｂの動作について説明する。 Next, the operation of the fuel cell system 10B of the present embodiment will be described.
第１燃料電池セルスタック１４の第１アノード１４Ａから排出されたアノードオフガスは、分岐部Ｂ２で分流される。分流された一方は、熱交換部２６を経て燃料再生部１８へ供給される。分流された他方は、燃焼用オフガス管Ｐ７へ送出され、燃焼部２０へ供給される。 The anode off gas discharged from the first anode 14A of the first fuel cell stack 14 is diverted at the branch portion B2. One of the divided streams is supplied to the fuel regeneration unit 18 via the heat exchange unit 26. The other separated stream is sent to the combustion off-gas pipe P7 and supplied to the combustion unit 20.
本実施形態の燃料電池システム１０Ｂでも、第１アノード１４Ａでは、再生燃料ガスと混合された部分改質ガスを改質することにより、その吸熱特性を利用して、発電反応の発熱による第１燃料電池セルスタック１４の温度上昇を抑制することができる。 Even in the fuel cell system 10B of the present embodiment, in the first anode 14A, the first fuel generated by the heat generated by the power generation reaction is utilized by reforming the partially reformed gas mixed with the regenerated fuel gas and utilizing its endothermic characteristics. It is possible to suppress the temperature rise of the battery cell stack 14.
これにより、第１燃料電池セルスタック１４について、ホットボックスＨ内での劣化を抑制しつつ、耐熱温度を下げることができ、燃料電池システム１０Ｂの製造の低コスト化を図ることができる。 As a result, the heat-resistant temperature of the first fuel cell stack 14 can be lowered while suppressing deterioration in the hot box H, and the cost of manufacturing the fuel cell system 10B can be reduced.
なお、本実施形態でも、第１カソード１４Ｂへ供給する空気の温度を下げて、第１燃料電池セルスタック１４の温度上昇を抑制してもよい。この場合には、第１カソード１４Ｂへ供給される空気の温度は、一般的な多段式の燃料電池システムにおける前段の燃料電池セルスタックのカソードへ供給する空気の温度よりも低いＴ６に設定される。 In this embodiment as well, the temperature of the air supplied to the first cathode 14B may be lowered to suppress the temperature rise of the first fuel cell stack 14. In this case, the temperature of the air supplied to the first cathode 14B is set to T6, which is lower than the temperature of the air supplied to the cathode of the fuel cell stack in the previous stage in a general multi-stage fuel cell system. ..
また、本実施形態では、燃料再生装置１８及び熱交換部２６を設けたが、これらを設けることなく、アノードオフガスを第１燃料電池セルスタック１４へ戻して再利用してもよい。この場合には、図５に示される燃料電池システム１０Ｃのように、分岐部Ｂ２で分岐したアノードオフガス管Ｐ４が改質装置１２よりも上流側の合流部Ｇ２で合流される。戻されるアノードオフガスには、発電反応で生成された水が含まれているため、原料ガスへ添加する改質用の水の量を低減させることができる。 Further, in the present embodiment, the fuel regeneration device 18 and the heat exchange unit 26 are provided, but the anode off gas may be returned to the first fuel cell stack 14 and reused without providing these. In this case, as in the fuel cell system 10C shown in FIG. 5, the anode off-gas pipe P4 branched at the branch portion B2 is merged at the confluence portion G2 on the upstream side of the reformer 12. Since the returned anode off gas contains water generated by the power generation reaction, the amount of reforming water added to the raw material gas can be reduced.
また、第１、第２実施形態では、燃料電池システム内の改質装置１２で原料ガスの改質が行われたが、原料ガスの部分改質は、燃料電池システム外で行い、部分改質ガスを第１アノード１４Ａへ供給してもよい。 Further, in the first and second embodiments, the reforming device 12 in the fuel cell system reforms the raw material gas, but the raw material gas is partially reformed outside the fuel cell system and partially reformed. Gas may be supplied to the first anode 14A.
また、本実施形態では、第１燃料電池セルスタック１４から排出されたアノードオフガスを再生して再度発電に用いる例について説明したが、アノードオフガスを再度発電に用いない燃料電池システムに本発明を適用することもできる。 Further, in the present embodiment, an example in which the anode off gas discharged from the first fuel cell stack 14 is regenerated and used for power generation again has been described, but the present invention is applied to a fuel cell system in which the anode off gas is not used again for power generation. You can also do it.
１０Ａ、１０Ｂ 燃料電池システム
１２ 改質装置（部分改質ガス供給部）
１２Ａ 改質触媒層
１４ 第１燃料電池セルスタック（燃料電池）
１４Ａ 第１アノード（燃料極）
１４Ｂ 第１カソード（空気極）
１４Ｓ セルスタック
１６ 第２燃料電池セルスタック（後段燃料電池）
１６Ａ 第２アノード（後段燃料極）
１６Ｂ 第２カソード（後段空気極）
１８ 燃料再生部（アノードオフガス冷却部）
２６ 熱交換部
Ｐ３Ｂ 配管（低温酸化剤ガス供給部）
10A, 10B Fuel cell system 12 Reformer (partially reformed gas supply unit)
12A Reforming catalyst layer 14 1st fuel cell cell stack (fuel cell)
14A 1st anode (fuel electrode)
14B 1st cathode (air electrode)
14S cell stack 16 2nd fuel cell cell stack (rear fuel cell)
16A 2nd anode (rear fuel electrode)
16B 2nd cathode (post-stage air electrode)
18 Fuel regeneration section (anode off-gas cooling section)
26 Heat exchange section P3B piping (low temperature oxidizer gas supply section)
Claims (6)
定格運転時における発電に伴う発熱により、前記部分改質ガス供給部から供給される前記部分改質ガスの温度よりも高い中心作動温度となるセルスタックを有し、前記部分改質ガスを内部改質して燃料ガスを生成すると共に、生成した燃料ガスと酸化剤ガスにより発電する、固体酸化物形の燃料電池と、
前記燃料電池の燃料極から排出されるアノードオフガスが供給され、前記アノードオフガスを用いて発電する固体酸化物形の後段燃料電池と、
前記後段燃料電池の後段燃料極へ供給する前記アノードオフガスの温度を、前記燃料極へ供給する部分改質ガスの温度よりも低温にするアノードオフガス冷却部と、
を備えた燃料電池システム。 A partial reforming gas supply unit that supplies a partially reforming gas whose reforming rate from a hydrocarbon raw material to hydrogen and carbon monoxide is lower than a predetermined partial reforming rate.
It has a cell stack whose central operating temperature is higher than the temperature of the partially reformed gas supplied from the partially reformed gas supply unit due to heat generated by power generation during rated operation, and internally modifies the partially reformed gas. A solid oxide fuel cell that produces fuel gas with quality and generates power from the generated fuel gas and oxidant gas.
A solid oxide fuel cell, which is supplied with anode-off gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell and generates electricity using the anode-off gas,
An anode off-gas cooling unit that lowers the temperature of the anode-off gas supplied to the rear-stage fuel electrode of the rear-stage fuel cell to a temperature lower than the temperature of the partially reformed gas supplied to the fuel electrode.
Fuel cell system equipped with.
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 A low-temperature oxidant gas supply unit for supplying an oxidant gas having a temperature lower than the temperature of the oxidant gas supplied to the air electrode of the fuel cell is provided to the rear-stage air electrode of the rear-stage fuel cell.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4.
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