【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えばリン酸型燃料電池プラント、溶融炭酸
塩型燃料電池プラント、固体電解質型燃料電池プラント
などの燃料電池プラントに使用される燃料電池の昇温方
法に関するものである。
【従来の技術〕
従来の燃料電池プラントのうち溶融炭酸塩型燃料電池プ
ラントは、第２図に示すように燃料電池ｌのアノード極
２に燃料供給ライン６を介して水素を供給し、一方カソ
ード極４に空気供給ライン９を介して酸素を供給するこ
とで電池反応を起こして電気を発生させるものであり、
前記燃料電池１は、アノード極２とカソード極４とを一
つの組み合わせ（セル）としてそれを何層か積み重ねた
ものである。
前記燃料供給ライン６には、アノード極２の上流側に配
置され、例えば天然ガスなどの原燃料Ｚを高温で蒸気Ｈ
と改質反応させることで水素を発生させる改質器７が設
けられており、アノード排ガスライン３には、アノード
極２の下流側に配置され、かつ燃料電池ｌからの余剰燃
料を改質器７に供給させるアノードブロア８が設けられ
ている。一方力ソード循環系５は、カソード極４の上流
および下流において、カソード極４へ供給される酸素を
賄うための空気Ｅ供給用の空気供給ライン９と、前記カ
ソード極４の下流に接続されるカソード排ガスラインＩ
Ｏとに接続されており、カソード循環系５の中途部には
、燃料電池１から排出されたカソード排ガスを循環させ
るカソード循環ブロア１１が設けられている。
また、前記アノード極２およびカソード極４には起動操
作の過程で燃料電池ｌを常温から所定温度まで規定速度
以下で、かつ均一に昇温させるためのヒータ１２が設け
られている。
該ヒータ１２は燃料電池ｌの全体を良好に昇温するため
に、該燃料電池ｌのほぼ全表面に装備されており、燃料
電池ｌが大型になるとセル間または数セルごとに燃料電
池１内にも設置されている。
なお、図中１３は燃料供給弁、１４は蒸気供給弁、１５
は空気供給弁、１６はカソード入口弁、１７はカソード
出口弁であり、またＥ′は前記改質器γ内での燃焼のた
めに使用される空気で、さらに改質器７は、燃焼排ガス
を空気供給ライン９へ供給できるように該ライン９と接
続されている。
燃料電池ｌの起動操作時には、あらかじめ前記ヒータ１
２により加熱して燃料電池１を規定速度以下で、かつ均
一に所定温度まで昇温させる。
而して、燃料電池ｌが所定温度まで昇温したら、前記燃
料供給ライン６では、燃料供給弁１３を介して供給され
た原燃料Ｚが改質器７内へ供給されるとともに蒸気供給
弁１４を介して供給された蒸気Ｈが改質器７へ供給され
、該改質器７内では高温状態で原燃料Ｚと蒸気Ｈの改質
反応が行われることで水素が発生し、該水素はアノード
極２へ供給され、次いで該アノード極２からの余剰燃料
は改質器７の燃料としてアノードブロア８によって再び
改質器７へ戻される。
一方、空気供給ライン９では、空気供給弁１５およびカ
ソード入口弁１６を介して導入された空気Ｅがカソード
極４へ供給され、そののち該カソード極４からのカソー
ド排ガスは主にカソード出口弁１７からカソード排ガス
ライン１０へ流れるが、一部はカソード循環系５のカソ
ード循環ブロア１１で再循環され、空気供給ライン９に
おいて、前記カソード大口弁１６を介して供給される低
温の空気Ｅと混合して適切な温度まで下げられたのち、
カソード極４へ戻される。これにより、カソード極４に
多量のガスを流すことができ、燃料電池１が電池反応に
よって高温になることを抑えている。
［発明が解決しようとする課題］
上記燃料電池プラントでは、燃料電池１が小型の場合は
ヒータ１２は該燃料電池１の表面への設置のみでよいた
め比較的容易な構造で前記ヒータ１２の装備が可能であ
るが、燃料電池ｌが例えば商用ベースの大型のものの場
合では、該燃料電池ｌの表面からの放熱面積が大きくな
るために大容量のヒータ１２が必要となり、かつ燃料電
池１の昇温に際しては燃料電池！内部まで均一に昇温さ
せる必要があるために、前述したように該燃料電池！内
にも前記ヒータ１２を設置しなｔすればならず構造的に
も複雑となる。このため、設備が大幅なコスト高となり
、また過剰な電力消費が発生する恐れがあった。
さらに、前記大型の燃料電池ｌの場合には多数のヒータ
１２で加熱する必要があるものの、各ヒータ１２の加熱
具合を均一に揃えることは難しく、このため燃料電池ｌ
内に局所的な高温部あるいは低温部が発生し易くなり、
これにより燃料電池ｌ内に熱歪みや電解質不均一が生じ
て性能低下を引き起こす恐れがあるとともに、燃料電池
１の昇温制御も困難であるという問題があった。
本発明は、上記実情に鑑みなされたもので、カソードの
循環系に加熱器を設置して不活性ガスを昇温させながら
循環させ、その昇温した不活性ガスで燃料電池を間接加
熱することにより、昇温設備のコスト低下および昇温時
に消費される昇温用エネルギーの節減ができ、また燃料
電池内における熱歪みの発生の抑制および燃料電池の均
一な昇温かできて燃料電池の性能維持が図れ、さらに燃
料電池の昇温制御が容易にできる燃料電池の昇温方法を
提供することを目的とする。
［課題を解決するための手段］
本発明は、カソード循環系を備えた燃料電池の昇温方法
において、燃料電池の起動操作時に、前記カソード循環
系に導入した不活性ガスを加熱器で加熱したうえ前記カ
ソード循環系に循環させ、前記燃料電池を所定温度まで
昇温させるものである。
［作 用］
本発明の燃料電池の昇温方法では、燃料電池の起動操作
時に、カソード循環系に導入された不活性ガスは、加熱
器で加熱されたうえカソード循環系に循環させられ、燃
料電池は不活性ガスによって間接的に加熱される。
このため、昇温設備のコスト低下および昇温時に消費さ
れる昇温用エネルギーの節減ができ、また燃料電池内に
おける熱歪みの発生の抑制および燃料電池の均一な昇温
かできることで燃料電池の性能維持ができる。さらに、
燃料電池の昇温制御も加熱器の加熱源を調節するだけで
よいために該制御が容易となる。
［実 施 例］
以下、本発明の実施例の燃料電池の昇温方法を図面を参
照して詳細に説明する。
第１図中、第２図と同じものには同一符号を付する。
本発明の実施例の燃料電池の昇温方法が採用された燃料
電池プラントの系統構成は、第２図で示した従来のもの
とほぼ同じで、その特徴としては燃料電池Ｉの昇温用と
して用いられたヒータ１２を排除し、代わりに、カソー
ド循環系５におけるカソード循環ブロア１１と空気供給
ライン９の接続部との間に加熱器１Ｂを設け、カソード
循環系５には空気Ｅを窒素ガス（不活性ガス）Ｎと置換
するため、ガス排出ラインおよび窒素ガス封入ライン（
図示せず）を接続した点である。
次に、本発明の実施例の作用を説明する。
燃料電池プラントでは、燃料電池ｌの起動操作時に、カ
ソード人口弁１８およびカソード出口弁１７を閉塞させ
、カソード循環系５の系内ガスに代えて窒素ガスＮを前
記カソード循環系５に供給し、カソード循環ブロア１１
を作動させることで窒素ガスＮをカソード極４を含むカ
ソード循環系５内において循環させるとともに、前記加
熱器１８を作動させ、加熱器１８の加熱源を適宜調節し
て循環している窒素ガスＮを適切な速度で昇温させ、こ
れに伴って該窒素ガスＮが燃料電池ｌ内で熱交換して該
燃料電池ｌも次第に昇温する。このとき、該燃料電池ｌ
は前述したようにアノード極２とカソード極４とを交互
に配列するセル配置となっているため、このようにカソ
ード極４だけに加熱された高温の窒素ガスＮを流しても
燃料電池１全体を加熱することができる。
次いで、燃料電池ｌのカソード極４を通過することで温
度低下した窒素ガスＮは加熱器１８で再加熱され、再び
カソード極４へ送られて燃料電池ｌの加熱に供される。
燃料電池１の昇温完了後は加熱器１８のカソード入口弁
１６およびカソード出口弁１７を開き、カソード極４に
空気を再供給し、従来の場合と同様通常運転を行う。
このように、燃料電池ｌの起動操作時に、カソード循環
系５の系内ガスに代えて窒素ガスＮを前記カソード循環
系５に供給し、そののち前記燃料電池１のカソード循環
系５に設けられた加熱器１８で窒素ガスＮを所定温度ま
で昇温させながら前記カソード循環系５内を循環して燃
料電池１を間接的に加熱するために良好な熱交換効率が
得られ、これにより例えば燃料電池ｌが大型のものであ
っても適性の容量で、かつ市販の加熱器１８を設けるだ
けでよく、従って昇温設備のコスト低下ができ、また例
えば電力および燃料などの昇温用エネルギーの節減がで
きる。
また、燃料電池ｌ内へ窒素ガスＮを導入して前記燃料電
池ｌを加熱することができるため、燃料電池１内におけ
る熱歪みの発生の抑制および該燃料電池ｌの均一な昇温
かでき、これにより燃料電池ｌ内に熱歪みや電解質不均
一が起きることで発生する燃料電池１の性能低下を防止
して該燃料電池ｌの性能維持が図れる。
さらに、燃料電池ｌの昇温制御も加熱器１８の加熱源を
調節するだけでよいために前記昇温制御が容易となり、
また加熱器１８で循環する窒素ガスＮを徐々に昇温させ
ることで、燃料電池ｌ内のより均一な昇温か実現できる
。
以上、本発明の詳細な説明したが、本発明はこの実施例
に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲での
設計変更などがあっても本発明に含まれる。
例えば、実施例では、溶融炭酸塩型燃料電池プラントを
例に説明したが、必ずしもこれに限定させなくともよく
、例えばリン酸型燃料電池プラントや固体電解質型燃料
電池プラントなどのようなその他のプラントにも採用で
きる。
また、実施例では、不活性ガスとして窒素ガスを示した
が、必ずしもこれに限定させなくともよく、例えばヘリ
ウムガスやフッ素ガスなどのそのほかの不活性ガスであ
ってもよい。
さらに、実施例では、加熱器をカソード循環系における
カソード循環ブロアと空気供給ラインの接続部との間に
設けたが、必ずしもこれに限定させなくともカソード循
環系の任意位置に設けてもよい。
［発明の効果］
本発明は、このようにカソード循環系に加熱器を設置し
て不活性ガスを昇温しながら循環させ、その昇温した不
活性ガスで燃料電池を間接加熱することにより、昇温設
備のコスト低下および昇温時に消費される昇温用エネル
ギーの節減ができ、また燃料電池内における熱歪みの発
生の抑制および燃料電池の均一な昇温かできて燃料電池
の性能維持が図れ、さらに燃料電池の昇温制御が容易に
できるという効果が得られる。Detailed Description of the Invention [Field of Industrial Application] The present invention is directed to a fuel cell plant used in a fuel cell plant such as a phosphoric acid fuel cell plant, a molten carbonate fuel cell plant, or a solid oxide fuel cell plant. This relates to a method of increasing the temperature of a battery. [Prior Art] Among conventional fuel cell plants, a molten carbonate fuel cell plant supplies hydrogen to an anode 2 of a fuel cell 1 via a fuel supply line 6, as shown in FIG. By supplying oxygen to the pole 4 via the air supply line 9, a battery reaction occurs and electricity is generated.
The fuel cell 1 is a combination (cell) of an anode 2 and a cathode 4 stacked in several layers. The fuel supply line 6 is disposed upstream of the anode 2 and supplies raw fuel Z such as natural gas with steam H at high temperature.
A reformer 7 is provided in the anode exhaust gas line 3 to generate hydrogen through a reforming reaction with the anode electrode 2. An anode blower 8 is provided to supply the anode blower 7 . On the other hand, the cathode circulation system 5 is connected upstream and downstream of the cathode 4 to an air supply line 9 for supplying air E for supplying oxygen to the cathode 4 and downstream of the cathode 4. Cathode exhaust gas line I
A cathode circulation blower 11 is provided in the middle of the cathode circulation system 5 to circulate the cathode exhaust gas discharged from the fuel cell 1 . Further, the anode electrode 2 and the cathode electrode 4 are provided with a heater 12 for raising the temperature of the fuel cell l uniformly from room temperature to a predetermined temperature at a prescribed rate or less during the process of startup operation. The heater 12 is installed on almost the entire surface of the fuel cell 1 in order to properly raise the temperature of the entire fuel cell 1. When the fuel cell 1 becomes large, the heater 12 is installed between cells or every few cells inside the fuel cell 1. It is also installed in In the figure, 13 is a fuel supply valve, 14 is a steam supply valve, and 15 is a fuel supply valve.
is an air supply valve; 16 is a cathode inlet valve; 17 is a cathode outlet valve; E' is air used for combustion in the reformer γ; It is connected to the air supply line 9 so that it can supply the air to the air supply line 9. When starting up the fuel cell 1, the heater 1 is
2 to uniformly raise the temperature of the fuel cell 1 to a predetermined temperature at or below a specified rate. When the temperature of the fuel cell 1 rises to a predetermined temperature, the raw fuel Z supplied via the fuel supply valve 13 is supplied into the reformer 7 in the fuel supply line 6, and the steam supply valve 14 The steam H supplied through is supplied to the reformer 7, and hydrogen is generated by a reforming reaction between the raw fuel Z and the steam H in the reformer 7 at a high temperature. The excess fuel from the anode 2 is then returned to the reformer 7 by an anode blower 8 as fuel for the reformer 7. On the other hand, in the air supply line 9, the air E introduced through the air supply valve 15 and the cathode inlet valve 16 is supplied to the cathode 4, and then the cathode exhaust gas from the cathode 4 is mainly transferred to the cathode outlet valve 17. A portion of the gas is recirculated by the cathode circulation blower 11 of the cathode circulation system 5 and mixed with the low-temperature air E supplied via the cathode large mouth valve 16 in the air supply line 9. After the temperature has been lowered to the appropriate temperature,
It is returned to the cathode pole 4. This allows a large amount of gas to flow through the cathode 4, and prevents the fuel cell 1 from becoming hot due to cell reactions. [Problems to be Solved by the Invention] In the fuel cell plant described above, when the fuel cell 1 is small, the heater 12 only needs to be installed on the surface of the fuel cell 1, so the heater 12 can be equipped with a relatively simple structure. However, if the fuel cell 1 is a large commercial type, for example, the heat dissipation area from the surface of the fuel cell 1 becomes large, so a large-capacity heater 12 is required, and the rise of the fuel cell 1 is Fuel cells for temperature! As mentioned above, it is necessary to uniformly raise the temperature inside the fuel cell! The heater 12 must also be installed inside the housing, making the structure complicated. For this reason, the cost of the equipment would increase significantly, and there was a fear that excessive power consumption would occur. Furthermore, although it is necessary to heat the large fuel cell l with a large number of heaters 12, it is difficult to equalize the heating level of each heater 12, and for this reason, the fuel cell l
Localized high-temperature or low-temperature areas are likely to occur within the
This poses a problem in that thermal distortion and electrolyte non-uniformity may occur within the fuel cell 1, leading to a decrease in performance, and it is also difficult to control the temperature rise of the fuel cell 1. The present invention was made in view of the above circumstances, and involves installing a heater in the circulation system of the cathode, circulating an inert gas while raising its temperature, and indirectly heating a fuel cell with the heated inert gas. This reduces the cost of heating equipment and saves the heating energy consumed during heating. It also suppresses the occurrence of thermal distortion within the fuel cell and allows for uniform heating of the fuel cell, maintaining fuel cell performance. It is an object of the present invention to provide a method for increasing the temperature of a fuel cell, which allows the temperature increase of the fuel cell to be easily controlled. [Means for Solving the Problems] The present invention provides a method for increasing the temperature of a fuel cell equipped with a cathode circulation system, in which an inert gas introduced into the cathode circulation system is heated with a heater during a startup operation of the fuel cell. Furthermore, the fuel cell is circulated through the cathode circulation system to raise the temperature of the fuel cell to a predetermined temperature. [Function] In the fuel cell temperature raising method of the present invention, the inert gas introduced into the cathode circulation system during the fuel cell startup operation is heated by the heater and then circulated through the cathode circulation system, thereby increasing the fuel cell temperature. The battery is heated indirectly by inert gas. As a result, it is possible to reduce the cost of heating equipment and the energy consumed during heating, and also to suppress the occurrence of thermal distortion in the fuel cell and to increase the temperature of the fuel cell uniformly, which improves the performance of the fuel cell. Can be maintained. moreover,
Temperature increase control of the fuel cell is also facilitated because it is only necessary to adjust the heating source of the heater. [Example] Hereinafter, a method for increasing the temperature of a fuel cell according to an example of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Components in FIG. 1 that are the same as those in FIG. 2 are given the same reference numerals. The system configuration of a fuel cell plant in which the fuel cell temperature raising method of the embodiment of the present invention is adopted is almost the same as the conventional one shown in FIG. The used heater 12 is removed, and instead, a heater 1B is provided between the cathode circulation blower 11 and the connection part of the air supply line 9 in the cathode circulation system 5, and the cathode circulation system 5 is supplied with air E and nitrogen gas. (Inert gas) To replace with N, gas exhaust line and nitrogen gas filling line (
(not shown) are connected. Next, the operation of the embodiment of the present invention will be explained. In the fuel cell plant, during the startup operation of the fuel cell I, the cathode population valve 18 and the cathode outlet valve 17 are closed, and nitrogen gas N is supplied to the cathode circulation system 5 instead of the internal gas of the cathode circulation system 5, Cathode circulation blower 11
The nitrogen gas N is circulated in the cathode circulation system 5 including the cathode electrode 4 by operating the heater 18, and the heating source of the heater 18 is appropriately adjusted to circulate the nitrogen gas N. The temperature of the nitrogen gas N is increased at an appropriate rate, and accordingly, the nitrogen gas N exchanges heat within the fuel cell 1, and the temperature of the fuel cell 1 is also gradually increased. At this time, the fuel cell l
As mentioned above, the cell arrangement is such that the anode electrode 2 and the cathode electrode 4 are arranged alternately, so even if heated nitrogen gas N is supplied only to the cathode electrode 4, the entire fuel cell 1 is can be heated. Next, the nitrogen gas N, whose temperature has decreased by passing through the cathode 4 of the fuel cell 1, is reheated by the heater 18, and sent to the cathode 4 again to heat the fuel cell 1. After the temperature rise of the fuel cell 1 is completed, the cathode inlet valve 16 and the cathode outlet valve 17 of the heater 18 are opened, air is resupplied to the cathode 4, and normal operation is performed as in the conventional case. In this way, during the startup operation of the fuel cell 1, nitrogen gas N is supplied to the cathode circulation system 5 in place of the internal gas of the cathode circulation system 5, and then nitrogen gas N is supplied to the cathode circulation system 5 of the fuel cell 1. Since the nitrogen gas N is heated to a predetermined temperature by the heated heater 18 and circulated through the cathode circulation system 5 to indirectly heat the fuel cell 1, good heat exchange efficiency can be obtained. Even if the battery l is large, it only needs to have an appropriate capacity and a commercially available heater 18, which reduces the cost of heating equipment and saves energy for heating, such as electricity and fuel. I can do it. In addition, since nitrogen gas N can be introduced into the fuel cell 1 to heat the fuel cell 1, it is possible to suppress the occurrence of thermal distortion within the fuel cell 1 and uniformly raise the temperature of the fuel cell 1. This makes it possible to prevent the performance of the fuel cell 1 from deteriorating due to thermal distortion or electrolyte non-uniformity within the fuel cell 1, thereby maintaining the performance of the fuel cell 1. Furthermore, since the temperature increase control of the fuel cell 1 only requires adjusting the heating source of the heater 18, the temperature increase control is facilitated.
Furthermore, by gradually increasing the temperature of the nitrogen gas N circulating in the heater 18, a more uniform temperature increase within the fuel cell 1 can be realized. Although the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to this embodiment, and even if there is a design change within the scope of the invention, it is included in the present invention. For example, in the embodiment, explanation has been given using a molten carbonate fuel cell plant as an example, but it is not necessarily limited to this, and other plants such as a phosphoric acid fuel cell plant, a solid oxide fuel cell plant, etc. It can also be adopted. Further, in the embodiment, nitrogen gas is shown as the inert gas, but it is not necessarily limited to this, and other inert gases such as helium gas or fluorine gas may be used. Further, in the embodiment, the heater is provided between the cathode circulation blower and the connection part of the air supply line in the cathode circulation system, but the heater is not necessarily limited to this and may be provided at any position in the cathode circulation system. [Effects of the Invention] In this way, the present invention installs a heater in the cathode circulation system, circulates the inert gas while raising its temperature, and indirectly heats the fuel cell with the heated inert gas. This reduces the cost of heating equipment and saves the heating energy consumed during heating. It also helps maintain fuel cell performance by suppressing thermal distortion within the fuel cell and increasing the temperature of the fuel cell uniformly. Furthermore, the effect of easily controlling the temperature increase of the fuel cell can be obtained.
【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]
第１図は本発明の実施例の燃料電池の昇温方法に使用さ
れる燃料電池プラントの概略系統図、第２図は従来の燃
料電池の昇温方法に使用される燃料電池プラントの概略
系統図である。
図中、Ｉは燃料電池、５はカソード循環系、１８は加熱
器、Ｎは窒素ガス（不活性ガス）である。FIG. 1 is a schematic system diagram of a fuel cell plant used in the fuel cell temperature raising method according to the embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram of a fuel cell plant used in the conventional fuel cell temperature raising method. It is a diagram. In the figure, I is a fuel cell, 5 is a cathode circulation system, 18 is a heater, and N is nitrogen gas (inert gas).