JP5090656B2 - Solid oxide fuel cell system - Google Patents
Solid oxide fuel cell system Download PDFInfo
- Publication number
- JP5090656B2 JP5090656B2 JP2006097416A JP2006097416A JP5090656B2 JP 5090656 B2 JP5090656 B2 JP 5090656B2 JP 2006097416 A JP2006097416 A JP 2006097416A JP 2006097416 A JP2006097416 A JP 2006097416A JP 5090656 B2 JP5090656 B2 JP 5090656B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- latent heat
- reformer
- solid oxide
- heat storage
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
本発明は、原燃料ガスを改質した改質ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物型燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell system that generates power by oxidation and reduction of a reformed gas and an oxidizing material obtained by reforming raw fuel gas.
従来から、燃料電池として固体酸化物型燃料電池が知られている。この固体酸化物型燃料電池は、他の燃料電池システムやガスエンジンなどに比して、発電の効率が高く、有望な発電技術として注目されている。 Conventionally, a solid oxide fuel cell is known as a fuel cell. This solid oxide fuel cell is attracting attention as a promising power generation technology because it has higher power generation efficiency than other fuel cell systems and gas engines.
固体酸化物型燃料電池は、酸素イオンを伝導する固体電解質を備え、この固体電解質の片側に燃料ガスを酸化する機能を有する燃料電極が設けられ、その他側に酸化材を還元する機能を有する酸素電極が設けられている(例えば、特許文献1、特許文献2参照)。固体電解質としては、一般的に、イットリアをドープしたジルコニアが用いられる。この固体酸化物型燃料電池では、燃料電極側に燃料ガス、例えば水素、一酸化炭素及び炭化水素を含むガスが供給され、酸素電極側に酸化材、例えば空気が供給され、かかる燃料ガスと酸化材との電気化学反応によって発電が行われる。 A solid oxide fuel cell includes a solid electrolyte that conducts oxygen ions, a fuel electrode having a function of oxidizing fuel gas is provided on one side of the solid electrolyte, and an oxygen having a function of reducing an oxidant on the other side An electrode is provided (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2). Generally, zirconia doped with yttria is used as the solid electrolyte. In this solid oxide fuel cell, a fuel gas, for example, a gas containing hydrogen, carbon monoxide and hydrocarbons is supplied to the fuel electrode side, and an oxidizing material, for example, air is supplied to the oxygen electrode side. Electricity is generated by an electrochemical reaction with the material.
この固体酸化物型燃料電池を用いた燃料電池システムでは、原燃料ガスとして例えば炭化水素(例えば、天然ガス)が用いられ、炭化水素を用いた場合に、原燃料を改質する改質器が設置される。炭化水素ガス(例えば、天然ガス)は、この改質器で水素、一酸化炭素を含むガスに改質され、改質燃料ガスが固体酸化物型燃料電池の燃料電極側に供給される。 In this fuel cell system using a solid oxide fuel cell, for example, a hydrocarbon (for example, natural gas) is used as a raw fuel gas, and when a hydrocarbon is used, a reformer that reforms the raw fuel is provided. Installed. Hydrocarbon gas (for example, natural gas) is reformed by this reformer into a gas containing hydrogen and carbon monoxide, and the reformed fuel gas is supplied to the fuel electrode side of the solid oxide fuel cell.
この種の固体酸化物型燃料電池システムは、数十kW級以上の業務用、産業用のものと、1kW級の小型用、家庭用のものとがある。定格発電出力が1kW級の小型用、家庭用の燃料電池システムでは、発電電力を供給する電力負荷が時間とともに大きく変動するという使用上の特徴があり、そのために、燃料電池システムの部分負荷時、電力負荷時にも高い特性を発揮することが求められている。 This type of solid oxide fuel cell system is classified into a business use and industrial use of several tens of kW class or more, and a 1 kW class small use and home use. A small and household fuel cell system with a rated power output of 1 kW class has a usage characteristic that the power load for supplying generated power fluctuates greatly with time. For this reason, when the fuel cell system is partially loaded, It is required to exhibit high characteristics even when power is loaded.
この種の固体酸化物型燃料電池では、改質器は燃料電池スタックに隣接する燃焼室に配設され、燃料電池スタックから排出される反応燃料ガス(残余燃料ガスが含まれている)と酸化材(例えば、空気)とが混合されて燃焼し、この燃焼排ガスを利用して改質器が加熱され、かかる熱を用いて改質器において吸熱反応である改質反応が行われる(特許文献1)。 In this type of solid oxide fuel cell, the reformer is disposed in the combustion chamber adjacent to the fuel cell stack, and reacts with the reaction fuel gas (which contains residual fuel gas) discharged from the fuel cell stack and the oxidation. A material (for example, air) is mixed and combusted, and the reformer is heated using the combustion exhaust gas, and a reforming reaction which is an endothermic reaction is performed in the reformer using such heat (Patent Document) 1).
しかしながら、この固体酸化物型燃料電池において、発電電力を急激に増大させると、これに伴って原燃料ガスの供給量も増大させるようになるが、この原燃料ガスの増大に伴って、改質器での改質反応に伴う吸熱量が多くなり、燃焼室での燃焼による燃焼排ガスからの熱では不足するようになる。改質器における熱が不足すると、燃料電池スタックに供給される改質ガス中の未改質成分が多くなり、この未改質成分が燃料電池スタック中で改質され、これによって、燃料電池スタックの燃料側入口の温度が低下し、燃料電池スタックでの発電電流を増大させることが困難となる。 However, in this solid oxide fuel cell, when the generated power is suddenly increased, the supply amount of the raw fuel gas is also increased accordingly. The amount of heat absorbed due to the reforming reaction in the reactor increases, and the heat from the combustion exhaust gas due to combustion in the combustion chamber becomes insufficient. When the heat in the reformer is insufficient, the unreformed component in the reformed gas supplied to the fuel cell stack increases, and this unreformed component is reformed in the fuel cell stack. As a result, the temperature at the fuel side inlet of the fuel cell decreases, and it becomes difficult to increase the generated current in the fuel cell stack.
このような問題を解消するためには、反応燃料ガス中の残余燃料成分を多くして燃焼排ガスの熱量を大きくすればよいが、残余燃料成分を多くすると、改質器の出口温度が上昇しやすくなる。この改質器の出口温度が上昇すると、改質ガス中の一酸化炭素の濃度が高くなり、下流側の燃料電池スタックで一酸化炭素の分解反応により炭素が析出し、燃料電池スタックの故障が発生しやすくなる。 In order to solve such a problem, the residual fuel component in the reaction fuel gas should be increased to increase the amount of heat of the combustion exhaust gas. However, if the residual fuel component is increased, the outlet temperature of the reformer increases. It becomes easy. When the outlet temperature of the reformer rises, the concentration of carbon monoxide in the reformed gas increases, and carbon deposits due to the decomposition reaction of carbon monoxide in the downstream fuel cell stack, causing failure of the fuel cell stack. It tends to occur.
本発明の目的は、改質器における温度変化を少なくし、燃料電池スタックの発電出力の急激な増大時に発生しやすい未改質ガスの増加を抑えることのできる固体酸化物型燃料電池システムを提供することである。 An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell system capable of reducing the temperature change in the reformer and suppressing an increase in unreformed gas that is likely to be generated when the power generation output of the fuel cell stack is rapidly increased. It is to be.
本発明の請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池システムは、原燃料を改質する改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物型燃料電池とを具備する固体酸化物型燃料電池システムであって、
前記改質器に関連して、融解によって潜熱を蓄熱するための潜熱蓄熱手段が設けられ、前記潜熱蓄熱手段は600〜750℃の融点を有する潜熱蓄熱材を備え、前記改質器又はその周囲の温度が前記改質器の改質反応に適した所定温度又はこの所定温度より幾分高い温度になると、前記潜熱蓄熱材がが融解して熱を蓄熱して過剰に温度上昇することを抑えるとともに、その温度が低下すると、前記潜熱蓄熱材が凝固して蓄熱した熱を放熱して温度低下を抑えることを特徴とする。
A solid oxide fuel cell system according to claim 1 of the present invention includes a reformer for reforming raw fuel, and oxidation and reduction of reformed fuel gas and oxidant reformed by the reformer. A solid oxide fuel cell system comprising a solid oxide fuel cell that generates electric power by:
In connection with the reformer, there is provided latent heat storage means for storing latent heat by melting, the latent heat storage means comprising a latent heat storage material having a melting point of 600 to 750 ° C., and the reformer or its surroundings When the temperature becomes a predetermined temperature suitable for the reforming reaction of the reformer or a temperature slightly higher than the predetermined temperature , the latent heat storage material is prevented from melting and storing heat to excessively increase the temperature. At the same time, when the temperature is lowered , the latent heat storage material is solidified to dissipate the stored heat to suppress the temperature drop.
また、本発明の請求項2に記載の固体酸化物型燃料電池システムでは、前記潜熱蓄熱材は収容容器に収容され、前記収容容器が前記改質器内部に又は前記改質器に接触乃至隣接して設けられていることを特徴とする。
Further, in the solid oxide fuel cell system according to
また、本発明の請求項3に記載の固体酸化物型燃料電池システムでは、前記固体酸化物型燃料電池は、改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行うための燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを収容するための高温空間を規定する遮熱壁を備え、前記改質器及び前記潜熱蓄熱手段が前記遮熱壁内に配設されていることを特徴とする。 Further, in the solid oxide fuel cell system according to claim 3 of the present invention, the solid oxide fuel cell includes a fuel cell stack for performing power generation by oxidation and reduction of the reformed fuel gas and the oxidizing material The heat shield wall defining a high temperature space for accommodating the fuel cell stack is provided, and the reformer and the latent heat storage means are disposed in the heat shield wall.
更に、本発明の請求項4に記載の固体酸化物型燃料電池システムでは、前記潜熱蓄熱材がアルミニウム又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金から形成されていることを特徴とする。
Furthermore, in the solid oxide fuel cell system according to
本発明の請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池システムによれば、改質器に関連して融解によって潜熱を蓄熱する潜熱蓄熱手段が設けられ、この潜熱蓄熱手段が600〜750℃の融点を有する潜熱蓄熱材を備えているので、改質器又はその周囲の温度が融点(換言すると、改質器における改質反応に適した所定温度又はこの所定温度より幾分高い温度)以上に上昇すると、潜熱蓄熱材が融解して周囲の熱を吸熱し、改質器の温度上昇が抑えられる。改質器が温度上昇すると、改質ガス中の一酸化炭素の濃度が高くなり、下流側の燃料電池スタックで一酸化炭素の分解反応により炭素が析出しやすくなるが、この潜熱蓄熱材の融解により吸熱され、これによって、改質器の過剰な温度上昇が抑えられ、燃料電池スタックにおける炭素の析出を抑えることができる。尚、潜熱蓄熱材としては、600〜750℃の温度範囲のうち融点が改質器における改質反応に適した所定温度又はこの所定温度より幾分高い温度のものが選択される。 According to the solid oxide fuel cell system of claim 1 of the present invention, there is provided a latent heat storage means for storing latent heat by melting in association with the reformer, and the latent heat storage means is 600 to 750 ° C. Since the latent heat storage material having a melting point is provided, the temperature of the reformer or its surroundings exceeds the melting point (in other words, a predetermined temperature suitable for the reforming reaction in the reformer or a temperature slightly higher than the predetermined temperature). When the temperature rises, the latent heat storage material melts and absorbs ambient heat, and the temperature rise of the reformer is suppressed. When the temperature of the reformer rises, the concentration of carbon monoxide in the reformed gas increases, and carbon tends to precipitate due to the decomposition reaction of carbon monoxide in the downstream fuel cell stack, but this latent heat storage material melts. Thus, excessive temperature rise of the reformer can be suppressed, and carbon deposition in the fuel cell stack can be suppressed. As the latent heat storage material, a material having a melting point of a predetermined temperature suitable for the reforming reaction in the reformer or a temperature somewhat higher than the predetermined temperature is selected from the temperature range of 600 to 750 ° C.
また、改質器又はその周囲の温度が低下すると、潜熱蓄熱材が凝固して吸熱した熱を放熱し、改質器の温度低下が抑えられる。改質器が温度低下すると、改質ガス中の未改質成分が多くなり、燃料電池スタックの燃料側入口の温度が低下して燃料電池スタックでの発電電流の増大が難しくなるが、この潜熱蓄熱材の凝固により放熱され、これによって、改質器の温度低下が抑えられ、燃料電池スタックでの発電電流の低下を抑えることができる。この潜熱蓄熱材に蓄熱された熱は、固体酸化物型燃料電池システムを起動する際の改質器の昇温にも利用することができる。 Further, when the temperature of the reformer or its surroundings is decreased, the latent heat storage material is solidified to dissipate the absorbed heat, and the temperature decrease of the reformer is suppressed. When the reformer is decreased temperature, the number of unreformed component in the reformed gas, but increases the generated current in the fuel cell stack temperature of the fuel-side inlet of the fuel cell stack is reduced becomes difficult, the latent heat The heat is dissipated by the solidification of the heat storage material , whereby the temperature drop of the reformer is suppressed, and the decrease in the generated current in the fuel cell stack can be suppressed. The heat stored in the latent heat storage material can also be used to raise the temperature of the reformer when starting the solid oxide fuel cell system.
この固体酸化物型燃料電池システムでは、潜熱蓄熱手段の融解、凝固を利用し、潜熱蓄熱手段を設けるという簡単な構成でもって改質器の温度変動を抑え、これによって、燃料電池システムの信頼性を高めてその寿命を延ばすことができる。 In this solid oxide fuel cell system, the temperature variation of the reformer is suppressed with a simple configuration using the melting and solidification of the latent heat storage means and the provision of the latent heat storage means, thereby improving the reliability of the fuel cell system. Can be extended to extend its lifespan.
また、本発明の請求項2に記載の固体酸化物型燃料電池システムによれば、潜熱蓄熱材を収容した収容容器が改質器内部に又はこの改質器に接触乃至隣接して設けられるので、改質器又はその近傍の温度が融点を超えると、潜熱蓄熱材の融解によって吸熱が行われる一方、この融点から下がると、熱蓄熱材の凝固によって放熱が行われ、従って、融解、放熱によって改質器の温度変動を抑えることができる。 In addition, according to the solid oxide fuel cell system of the second aspect of the present invention, the storage container storing the latent heat storage material is provided inside or in contact with or adjacent to the reformer. When the temperature of the reformer or the vicinity thereof exceeds the melting point, heat is absorbed by melting of the latent heat storage material, while when the temperature falls below this melting point, heat dissipation is performed by solidification of the heat storage material . Temperature fluctuation of the reformer can be suppressed .
また、本発明の請求項3に記載の固体酸化物型燃料電池システムによれば、改質器及び固体酸化物型燃料電池の燃料電池スタックが遮熱壁によって規定される高温空間内に配設されるので、改質器及び燃料電池スタックを高温状態に保つことができる。 According to the solid oxide fuel cell system of claim 3 of the present invention, the reformer and the fuel cell stack of the solid oxide fuel cell are disposed in a high temperature space defined by the heat shield wall. Therefore, the reformer and the fuel cell stack can be kept at a high temperature.
更に、本発明の請求項4に記載の固体酸化物型燃料電池システムによれば、潜熱蓄熱材としてアルミニウム又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金から形成されたものを好都合に用いることができる。
Furthermore, according to the solid oxide fuel cell system according to
以下、添付図面を参照して、本発明に従う固体酸化物型燃料電池システムの最良の実施形態を説明する。
第1の実施形態
まず、図1を参照して、本発明に従う固体酸化物型燃料電池システムの第1の実施形態について説明する。図1は、第1の実施形態の固体酸化物型燃料電池システムを簡略的に示す簡略図である。
DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, a preferred embodiment of a solid oxide fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
First Embodiment First, a first embodiment of a solid oxide fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a simplified diagram schematically illustrating the solid oxide fuel cell system according to the first embodiment.
図1において、図示の固体酸化物型燃料電池システムは、固体酸化物型燃料電池2、原燃料を改質するための改質器4、及び酸化材としての空気を予熱するための空気予熱器6を備えている。固体酸化物型燃料電池2は、略直方体状の燃料電池本体10と、電気化学反応によって発電を行うための燃料電池スタック12とから構成されている。燃料電池本体10は遮熱壁14によって形成され、この遮熱壁14によって高温空間8を規定し、この燃料電池本体10を覆うように断熱部材(図示せず)が設けられる。
In FIG. 1, the illustrated solid oxide fuel cell system includes a solid
燃料電池スタック12は、酸素イオンを伝導する固体電解質16を備え、この固体電解質16として、例えば、イットリアをドープしたジルコニアが用いられる。燃料電池スタック12の固体電解質16の片側(図1において右側)に燃料電極(図示せず)が設けられ、この燃料電極側15(図1において右側)において酸化作用が行われ、またその他側(図1において左側)に酸素電極(図示せず)が設けられ、酸素電極側17において還元作用が行われる。
The
燃料電池スタック12の燃料電極側15には、原燃料としての原燃料ガス(例えば天然ガス)を改質した改質燃料ガスが供給される。この実施形態では、燃料電池スタック12の燃料電極側15の導入側が改質燃料ガス送給ライン18を介して改質器4に接続され、この改質器4が原燃料ガス供給ライン20を介して原燃料ガス供給源22(例えば、埋設管、貯蔵タンク)に接続されている。原燃料供給ライン20には水蒸気供給ライン24が接続され、この水蒸気供給ライン24が水蒸気を供給する水蒸気供給源26が接続されている。
A reformed fuel gas obtained by reforming a raw fuel gas (for example, natural gas) as a raw fuel is supplied to the
また、燃料電池スタック12の酸素電極側17の導入側は空気送給ライン28を介して空気予熱器6に接続され、この空気予熱器6が空気供給ライン30を介して外気を供給する送風装置32に接続されている。
The introduction side of the
更に、燃料電池スタック12の酸素電極側15及び酸素電極側17の排出側には燃焼室34が設けられ、燃料電池スタック12の燃料電極側15から排出された反応燃料ガス(残余燃料ガスを含んでいる)とその酸素電極側17から排出された空気(酸素を含んでいる)がこの燃焼室34に送給されて燃焼される。この燃焼室34は燃焼排ガス送給ライン36を介して空気予熱器6に接続され、この空気予熱器6は燃焼排ガス排出ライン38を介して大気に開放されている。
Further,
改質器4は、改質ハウジング内に改質触媒が充填されたそれ自体周知のものであり、原燃料ガス(天然ガス)と水蒸気との混合物が改質反応によって水素及び一酸化炭素を含む改質燃料ガスに改質される。この改質反応は吸熱反応であり、約650℃℃の高温状態にて改質触媒の作用によって改質反応が促進される。
The
また、空気予熱器6は、空気供給ライン30を通して供給される空気と燃焼排ガス送給ライン36を通して流れる燃焼排気ガスとの間で熱交換を行い、空気送給ライン28を通して燃料電池スタック12の酸素電極側17に送給される空気を加温する。
The
この固体酸化物型燃料電池システムにおける稼働運転は次の通りである。原燃料ガス供給原28からの原燃料ガスは、原燃料ガス供給ライン20を通して供給され、水蒸気供給源26から水蒸気供給ライン24を通して供給される水蒸気とともに改質器4に送給される。改質器4においては、改質反応によって原燃料ガスの改質が行われ、改質された改質燃料ガスが改質燃料ガス送給ライン18を通して燃料電池スタック12の燃料電極側15に送給される。
The operation of this solid oxide fuel cell system is as follows. The raw fuel gas from the raw fuel
また、送風装置32からの空気は、空気供給ライン30を通して空気予熱器6に供給され、この空気予熱器6において燃焼排ガスとの間で熱交換されて加温された後に、空気送給ライン28を通して燃料電池スタック12の酸素電極側17に送給される。
In addition, air from the
燃料電池スタック12においては、改質燃料ガスと空気中の酸素によって電気化学反応が行われ、この電気化学反応により発電が行われる。固体酸化物型燃料電池2における電気化学反応は、700〜1000℃の高温状態で行われ、燃料電池スタック12の発電効率、その寿命などを考慮して作動温度の上限、即ち設定上限温度が例えば800℃程度に設定される。
In the
燃料電池スタック12の燃料電極側15からの反応燃料ガス及びその酸素電極側17からの空気は燃焼室34に送給され、空気中の酸素を利用して反応燃焼ガスが燃焼される。改質器4はこの燃焼室34の上方に配置され、燃焼室34の燃焼排ガスの熱を利用して改質器4の加熱が行われる。燃焼室34からの燃焼排ガスは排ガス送給ライン36を通して空気予熱器6に送給され、この空気予熱器6において空気との熱交換に利用されて燃焼排ガス排出ライン38を通して大気に排出される。
The reaction fuel gas from the
この固体酸化物型燃料電池システムでは、更に、次の通りに構成されている。即ち、燃料電池スタック12、改質器4及び空気予熱器6が遮熱壁14によって規定された高温空間8内に収容され、燃焼室34の燃焼排ガスの熱を利用してこれらが高温状態に保たれるように構成されている。
This solid oxide fuel cell system is further configured as follows. That is, the
また、改質器4に関連して潜熱蓄熱手段40が設けられている。この潜熱蓄熱手段40は収容容器42とこの収容容器42に充填された潜熱蓄熱材(図示せず)から構成され、収容容器42が改質器4に接触乃至隣接して設けられる。収容容器42は例えばステンレス鋼から形成され、また潜熱蓄熱材は、粒状、チップ状、ブロック状、棒状などの適宜の形態のものでよく、このような潜熱蓄熱材が収容容器42に密封され、この潜熱蓄熱手段40も高温空間8内に配設される。
A latent heat storage means 40 is provided in association with the
潜熱蓄熱材としては、600〜750℃の融点を有するものが用いられ、この実施形態では改質器4で行われる改質反応に適した所定温度又はこの所定温度よりも幾分高い温度、例えば650〜660℃に融点を有するものが用いられる。このような潜熱蓄熱材としては、融点が660℃であるアルミニウムを好都合に用いることができ、アルミニウムを主成分とするアルミニウム合金を用いるようにしてもよい。
As the latent heat storage material, a material having a melting point of 600 to 750 ° C. is used. In this embodiment, a predetermined temperature suitable for the reforming reaction performed in the
このような潜熱蓄熱手段40を備えた固体酸化物型燃料電池システムでは、改質器4の温度が上昇して潜熱蓄熱材の融点を超えると、潜熱蓄熱材が融解して吸熱し、この吸熱によって改質器4の温度上昇が抑えられる。一方、例えば、固体酸化物型燃料電池2の発電出力が急激に増大して改質器4の温度が低下すると、潜熱蓄熱材が凝固して蓄熱された熱が放熱され、この放熱によって改質器4の温度低下が抑えられる。このように潜熱蓄熱材の融解、凝固によって吸熱、放熱が行われ、融解、凝固による吸熱量、放熱量も多くなるので、潜熱蓄熱手段40を設けるという簡単な構成でもって、改質器4の改質温度の変動を抑えることができ、その結果、原燃料ガスの改質を安定して行うことができる
この実施形態では、潜熱蓄熱手段40を改質器4に接触乃至隣接して設けているが、この潜熱蓄熱手段40を改質器4の内部に配設するようにしてもよい。
In the solid oxide fuel cell system provided with such latent heat storage means 40, when the temperature of the
第2の実施形態
次に、図2を参照して、本発明に従う固体酸化物型燃料電池の第2の実施形態について説明する。図2は、第2の実施形態の固体酸化物型燃料電池システムを簡略的に示す簡略図である。尚、この第2の実施形態において、上述した第1の実施形態と実質上同一の部材には同一の参照番号を付し、その説明を省略する。
Second Embodiment Next, a second embodiment of the solid oxide fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a simplified diagram schematically illustrating the solid oxide fuel cell system according to the second embodiment. In the second embodiment, substantially the same members as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
図2において、第2の実施形態の固体酸化物型燃料電池システムでは、潜熱蓄熱手段40Aが空気予熱器6の下側、即ち燃料電池スタック12側であって、この実施形態では燃焼排ガス送給ライン36又はこれに隣接して設けられている。この潜熱蓄熱手段40Aは第1の実施形態におけるものと実質上同一のものでよく、収容容器42A内に例えばアルミニウムから形成される潜熱蓄熱材(図示せず)が充填される。尚、潜熱蓄熱手段40Aをこのような部位に配設することによって、燃料電池スタック12の作動温度が設定上限温度に達すると、潜熱蓄熱手段40Aの潜熱蓄熱材が融点に達し、その融解が起こるようになる。この第2の実施形態におけるその他の構成は、上述した第1の実施形態と実質上同一である。
In FIG. 2 , in the solid oxide fuel cell system of the second embodiment, the latent heat storage means 40A is on the lower side of the
このような潜熱蓄熱手段40Aを備えた固体酸化物型燃料電池システムでは、燃料電池スタック12の作動温度が設定上限温度(例えば、800℃程度に設定される)を超えると、潜熱蓄熱手段40Aの潜熱蓄熱材が融解して吸熱し、この吸熱によって燃料電池スタック12の作動温度の上昇が抑えられ、設定上限温度を超える温度範囲における稼働を防止することができる。一方、例えば、固体酸化物型燃料電池2の発電出力が低下して燃料電池スタック12の作動温度が低下すると、潜熱蓄熱材が凝固して蓄熱された熱が放熱され、この放熱によって燃料電池スタック12の作動温度の低下が抑えられる。このように潜熱蓄熱材の融解、凝固によって吸熱、放熱が行われ、融解、凝固による吸熱量、放熱量も多くなるので、潜熱蓄熱手段40Aを設けるという簡単な構成でもって、燃料電池スタック12の設定上限温度を超える稼働が防止されるとともに、その作動温度の変動をも抑えることができ、その結果、固体酸化物型燃料電池2の作動を安定させ、その発電効率を高めることができる。
In the solid oxide fuel cell system having such latent heat storage means 40A, when the operating temperature of the
この実施形態では、潜熱蓄熱手段40Aを燃焼排ガス送給ライン36又はこれに隣接して設けているが、このような構成に限定されず、遮熱壁14によって規定された高温空間8内の適宜の部位(燃料電池スタック12の作動温度が設定上限温度になると潜熱蓄熱材が融点に達する部位)に配設することができる。
In this embodiment, the latent heat storage means 40A is provided adjacent to the combustion exhaust
また、この実施形態では、燃料電池スタック12の作動温度が設定上限温度に達すると潜熱蓄熱材が融解するように構成しているが、これに限定されず、この設定上限温度よりも幾分低い温度(例えば、5〜10℃低い温度)に達したときに潜熱蓄熱材の融解が行われるように構成することもできる。
In this embodiment, the latent heat storage material is melted when the operating temperature of the
以上、本発明に従う固体酸化物型燃料電池システムの実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されず、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更乃至修正が可能である。 As mentioned above, although embodiment of the solid oxide fuel cell system according to this invention was described, this invention is not limited to this embodiment, A various change thru | or correction | amendment are possible without deviating from the scope of the present invention.
例えば、第1の実施形態では改質器4に関連して潜熱蓄熱手段40を設け、また第2の実施形態では固体酸化物型燃料電池2、即ち燃料電池スタック2に関連して潜熱蓄熱手段40Aを設けているが、改質器4及び固体酸化物型燃料電池2の双方に関連して一つの潜熱蓄熱手段を設けるようにしてもよい。
For example, in the first embodiment, the latent heat storage means 40 is provided in relation to the
実施例及び比較例
上述した発明の効果を確認するために、改質器に関連する実験を次の通りに行った。実施例1として、図1に示す形態の固体酸化物型燃料電池システムを用い、原燃料ガスとしてメタンを主成分とする天然ガスを用いた。このシステムの固体酸化物型燃料電池の定格出力は1kWであった。また、潜熱蓄熱手段としてステンレス鋼製の筒状の収容容器にアルミニウム製の潜熱蓄熱材を充填したものを用い、この収容容器を改質器に接触するように設けた。潜熱蓄熱材の融点は660℃で、充填量は1.0kgであった。
Examples and Comparative Examples In order to confirm the effects of the above-described invention, experiments related to the reformer were performed as follows. As Example 1, a solid oxide fuel cell system having the form shown in FIG. 1 was used, and natural gas mainly composed of methane was used as a raw fuel gas. The rated output of the solid oxide fuel cell of this system was 1 kW. In addition, as a latent heat storage means, a cylindrical container made of stainless steel filled with a latent heat storage material made of aluminum was used, and this container was provided so as to contact the reformer. The melting point of the latent heat storage material was 660 ° C., and the filling amount was 1.0 kg.
この実施例1の燃料電池システムを電力負荷に追従させて運転し、その発電出力が図3(a)に示す通りになるように発電させた。そして、このように運転したときの改質器の出口部位における温度を測定し、その測定結果は、図3(b)に実線Aで示す通りであった。 The fuel cell system of Example 1 was operated by following the power load, and power was generated so that the power generation output was as shown in FIG. Then, the temperature at the outlet portion of the reformer when operated in this way was measured, and the measurement result was as shown by the solid line A in FIG.
比較例1として、実施例1の固体酸化物型燃料電池システムにおいて潜熱蓄熱手段を省略したものを用いた。この比較例1においても、燃料電池システムを電力負荷に追従させて運転し、実施例1と同様に、その発電出力が図3(a)に示す通りになるように発電させた。そして、このように運転したときの改質器の出口部位における温度を測定し、その測定結果は、図3(b)に破線で示す通りであった。 As Comparative Example 1, the solid oxide fuel cell system of Example 1 in which the latent heat storage means was omitted was used. Also in this comparative example 1, the fuel cell system was operated by following the electric power load, and the power generation output was generated as shown in FIG. And the temperature in the exit site | part of the reformer when it operate | moves in this way was measured, and the measurement result was as having shown with the broken line in FIG.3 (b).
図3(a)の測定結果から明らかなように、実施例1では改質器の出口部位の温度は660℃前後に維持されるのに対し、比較例1では改質器の出口温度は600℃前後から750℃程度まで大きく変動する。このことから、改質器に関連して潜熱蓄熱手段を設けることによって、この改質器の過昇温を防止することができるとともに、原燃料ガスの改質に最適な改質温度に維持できることが確認できた。 As is apparent from the measurement results in FIG. 3A, in Example 1, the temperature at the outlet of the reformer is maintained at around 660 ° C., whereas in Comparative Example 1, the outlet temperature of the reformer is 600. It fluctuates greatly from around ℃ to about 750 ℃. From this, by providing latent heat storage means in connection with the reformer, it is possible to prevent overheating of the reformer and to maintain the reforming temperature optimum for reforming the raw fuel gas. Was confirmed.
次に、固体酸化物型燃料電池に関する実験を次の通りに行った。実施例2として、図2に示す形態の固体酸化物型燃料電池システムを用い、原燃料ガスとしてメタンを主成分とする天然ガスを用いた。このシステムの固体酸化物型燃料電池の定格出力は1kWであった。また、潜熱蓄熱手段として、実施例1と同様に、ステンレス鋼製の収容容器に潜熱蓄熱材としてアルミニウム製の潜熱蓄熱材を充填したものを用い、この収容容器を空気予熱器の下側(燃料電池スタック側)に接触して取り付けた。潜熱蓄熱材の融点は660℃で、充填量は1.0kgであった。 Next, an experiment on a solid oxide fuel cell was performed as follows. As Example 2, a solid oxide fuel cell system having the form shown in FIG. 2 was used, and natural gas mainly composed of methane was used as a raw fuel gas. The rated output of the solid oxide fuel cell of this system was 1 kW. In addition, as in the first embodiment, as the latent heat storage means, a stainless steel storage container filled with a latent heat storage material made of aluminum as a latent heat storage material is used, and this storage container is placed under the air preheater (fuel Attached in contact with the battery stack side). The melting point of the latent heat storage material was 660 ° C., and the filling amount was 1.0 kg.
この実施例2の燃料電池システムを電力負荷に追従させて運転し、その発電出力が図4(a)に示す通りになるように発電させた。固体酸化物型燃料電池の作動温度の上限温度を800℃と設定し、燃料電池スタックの温度が800℃を超えると空気利用率を下げて(換言すると、空気供給ラインを通して供給される空気量を多くして)温度上昇が抑制されるようにした。そして、このように運転したときの燃料電池スタックの作動温度を測定し、その測定結果は、図4(b)に実線Aで示す通りであった。 The fuel cell system of Example 2 was operated by following the power load, and power was generated so that the power generation output was as shown in FIG. The upper limit of the operating temperature of the solid oxide fuel cell is set to 800 ° C., and when the temperature of the fuel cell stack exceeds 800 ° C., the air utilization rate is lowered (in other words, the amount of air supplied through the air supply line is reduced). (Increased) The temperature rise was controlled. And the operating temperature of the fuel cell stack when operated in this way was measured, and the measurement result was as shown by the solid line A in FIG.
比較例2として、実施例2の固体酸化物型燃料電池システムにおいて潜熱蓄熱手段を省略したものを用いた。この比較例2においても、燃料電池システムを電力負荷に追従させて運転し、実施例2と同様に、その発電出力が図4(a)に示す通りになるように発電させた。そして、このように運転したときの燃料電池スタックの作動温度を測定し、その測定結果は、図4(b)に破線で示す通りであった。 As Comparative Example 2, the solid oxide fuel cell system of Example 2 in which the latent heat storage means was omitted was used. Also in this comparative example 2, the fuel cell system was operated by following the power load, and the power generation output was generated as shown in FIG. And the operating temperature of the fuel cell stack when operated in this way was measured, and the measurement result was as shown by the broken line in FIG.
図4(a)の測定結果から明らかなように、実施例2では燃料電池スタックの作動温度は設定上限温度の800℃の手前から緩やかになるとともに、固体酸化物型燃料電池の出力低下時においても温度低下が緩やかになるのに対し、比較例2では設定上限温度までの温度上昇が急になるとともに、固体酸化物型燃料電池の出力低下時における温度低下も急に且つ大きくなる。このことから、固体酸化物型燃料電池、特に燃料電池スタックに関連して潜熱蓄熱手段を設けることによって、この燃料電池スタックの作動温度の設定上限温度付近における温度上昇、温度低下が緩やかになり、これによって設定上限温度の手前付近に維持することができる時間が長くなり、その結果、固体酸化物型燃料電池の発電効率を高めることができることが確認することができた。また、このときの発電効率を比較すると、図4の区間Tにおける発電効率は、実施例2の比較例2に比して1.3ポイント高くなった。このように、本発明では、固体酸化物型燃料電池の作動温度を抑制し、その劣化を抑制しながら、高い発電効率を引き出せることが確認できた。 As is apparent from the measurement results of FIG. 4A, in Example 2, the operating temperature of the fuel cell stack becomes gentle from a point before the set upper limit temperature of 800 ° C., and when the output of the solid oxide fuel cell decreases. In contrast, in Example 2, the temperature rise to the set upper limit temperature is abrupt, and the temperature drop at the time of output reduction of the solid oxide fuel cell is suddenly and large. From this, by providing the latent heat storage means in connection with the solid oxide fuel cell, in particular, the fuel cell stack, the temperature rise and temperature drop near the set upper limit temperature of the operating temperature of this fuel cell stack becomes moderate, As a result, the time that can be maintained in the vicinity of the set upper limit temperature becomes longer, and as a result, it was confirmed that the power generation efficiency of the solid oxide fuel cell can be increased. Further, when comparing the power generation efficiency at this time, the power generation efficiency in the section T of FIG. 4 was 1.3 points higher than that of Comparative Example 2 of Example 2. As described above, in the present invention, it was confirmed that high power generation efficiency can be brought out while suppressing the operating temperature of the solid oxide fuel cell and suppressing its deterioration.
2 固体酸化物型燃料電池
4 改質器
6 空気予熱器
8 高温空間
10 燃料電池本体
12 燃料電池スタック
14 遮熱壁
16 固体電解質
34 燃焼室
40,40A 潜熱蓄熱手段
42,42A 収容容器
2 Solid
Claims (4)
前記改質器に関連して、融解によって潜熱を蓄熱するための潜熱蓄熱手段が設けられ、前記潜熱蓄熱手段は600〜750℃の融点を有する潜熱蓄熱材を備え、前記改質器又はその周囲の温度が前記改質器の改質反応に適した所定温度又はこの所定温度より幾分高い温度になると、前記潜熱蓄熱材が融解して熱を蓄熱して過剰に温度上昇することを抑えるとともに、その温度が低下すると、前記潜熱蓄熱材が凝固して蓄熱した熱を放熱して温度低下を抑えることを特徴とする固体酸化物型燃料電池システム。 A solid oxide type comprising a reformer for reforming raw fuel, and a solid oxide fuel cell that generates power by oxidation and reduction of the reformed fuel gas and the oxidizing material reformed by the reformer A fuel cell system,
In connection with the reformer, there is provided latent heat storage means for storing latent heat by melting, the latent heat storage means comprising a latent heat storage material having a melting point of 600 to 750 ° C., and the reformer or its surroundings When the temperature becomes a predetermined temperature suitable for the reforming reaction of the reformer or a temperature somewhat higher than the predetermined temperature , the latent heat storage material melts and stores heat to suppress an excessive increase in temperature. The solid oxide fuel cell system is characterized in that, when the temperature is lowered , the latent heat storage material is solidified to dissipate the heat stored to suppress the temperature drop.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2006097416A JP5090656B2 (en) | 2006-03-31 | 2006-03-31 | Solid oxide fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2006097416A JP5090656B2 (en) | 2006-03-31 | 2006-03-31 | Solid oxide fuel cell system |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2007273251A JP2007273251A (en) | 2007-10-18 |
| JP5090656B2 true JP5090656B2 (en) | 2012-12-05 |
Family
ID=38675843
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2006097416A Expired - Fee Related JP5090656B2 (en) | 2006-03-31 | 2006-03-31 | Solid oxide fuel cell system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP5090656B2 (en) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5804261B2 (en) * | 2011-09-29 | 2015-11-04 | Toto株式会社 | Solid oxide fuel cell |
| JP5829936B2 (en) * | 2012-02-09 | 2015-12-09 | Jx日鉱日石エネルギー株式会社 | Solid oxide fuel cell system and method for operating solid oxide fuel cell system |
| JP6109484B2 (en) * | 2012-03-12 | 2017-04-05 | アイシン精機株式会社 | Fuel cell device |
| JP5920066B2 (en) * | 2012-07-06 | 2016-05-18 | 三浦工業株式会社 | Fuel cell system |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000319007A (en) * | 1999-05-10 | 2000-11-21 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel reformer and heat exchanger |
| JP4133628B2 (en) * | 2003-06-30 | 2008-08-13 | 東芝燃料電池システム株式会社 | Cogeneration system |
| JP2005100821A (en) * | 2003-09-25 | 2005-04-14 | Toto Ltd | High temperature fuel cell system |
| JP2007042437A (en) * | 2005-08-03 | 2007-02-15 | Osaka Gas Co Ltd | Solid oxide fuel cell system |
-
2006
- 2006-03-31 JP JP2006097416A patent/JP5090656B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2007273251A (en) | 2007-10-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4346575B2 (en) | Fuel reformer and fuel cell system | |
| JP2009224115A (en) | High-temperature type fuel cell system and its operation method | |
| JP2009176660A (en) | Method for stopping indirect internal reforming solid oxide fuel cell | |
| JP6182450B2 (en) | Fuel cell system | |
| JP2006351293A (en) | Solid oxide fuel cell system | |
| EP1661854B1 (en) | Reformer of fuel cell system | |
| JP6405211B2 (en) | Fuel cell system | |
| JP5090656B2 (en) | Solid oxide fuel cell system | |
| KR20190130823A (en) | Fuel cell system using hydrogen storage alloy | |
| KR101179390B1 (en) | Fuel cell system | |
| JP5467496B2 (en) | Fuel cell system and control method thereof | |
| JP5078697B2 (en) | Load following operation method of fuel cell system | |
| JP4570904B2 (en) | Hot standby method of solid oxide fuel cell system and its system | |
| JP7016024B2 (en) | High temperature operation type fuel cell system | |
| JP5373256B2 (en) | Power supply system, control method for power supply system, and electronic device including power supply system | |
| JP4968984B2 (en) | Fuel cell reformer | |
| JP5291915B2 (en) | Indirect internal reforming type solid oxide fuel cell and operation method thereof | |
| JP2008217999A (en) | Operation method of high temperature fuel cell system | |
| JP6405171B2 (en) | Solid oxide fuel cell system | |
| JP2006351292A (en) | Solid oxide fuel cell system and method for stopping the same | |
| JP4847117B2 (en) | Fuel reforming system | |
| JP2006269332A (en) | Solid oxide fuel cell system | |
| KR20070035219A (en) | Fuel reformer | |
| JP2007194098A (en) | Fuel cell power generation system | |
| JP2004119298A (en) | Fuel cell power generation system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20090226 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20111215 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120208 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20120306 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120601 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20120601 |
|
| A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20120622 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20120816 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20120913 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150921 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5090656 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |