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JP6550813B2 - Fuel cell module - Google Patents
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Description

本発明は、断熱筐体内に燃料電池スタックを配置した燃料電池モジュールに関する。   The present invention relates to a fuel cell module in which a fuel cell stack is disposed in a heat insulating casing.

固体酸化物形燃料電池等の高温型燃料電池は運転温度が600℃〜1000℃程度であり、燃料極(アノード)に導入する水素を主成分とする改質ガスや、空気極(カソード)に導入する酸素を含んだ空気等を常温で燃料電池スタックに導入すると、大きな温度差によって構成材料(セラミックス)に大きな熱応力が発生し、材料の劣化や破損(セル割れ)の原因となる。   High temperature fuel cells such as solid oxide fuel cells have an operating temperature of about 600 ° C. to 1000 ° C., and can be used as a reformed gas mainly composed of hydrogen to be introduced to the fuel electrode (anode) or an air electrode (cathode). If air or the like containing oxygen to be introduced is introduced into the fuel cell stack at normal temperature, a large temperature difference generates a large thermal stress in the constituent material (ceramics), which causes deterioration of the material and breakage (cell breakage).

そこで、従来、このような燃料電池スタックを備えた燃料電池モジュールでは、起動時に改質器をバーナーで加熱するか、或いは燃料電池スタックに接続する配管にヒータを設置し、燃料電池スタックに導入する燃料や空気を加熱していた。   Therefore, conventionally, in a fuel cell module provided with such a fuel cell stack, the reformer is heated by a burner at start-up, or a heater is installed in a pipe connected to the fuel cell stack and introduced into the fuel cell stack Fuel and air were heated.

例えば、特許文献1には、燃料電池スタックに燃料及び空気を導入するそれぞれの配管にヒータを設け、導入する燃料と空気を加熱する構成が記載されている。特許文献2には、燃料電池スタックに導入する空気をヒータで加熱し、カソード周辺の水分を乾燥・除去する構成が記載されている。特許文献3には、燃料電池スタック自体に薄膜ヒータを設け、発電開始時に燃料電池スタック本体を加熱する構成が記載されている。   For example, Patent Document 1 describes a configuration in which a heater is provided in each of the pipes for introducing fuel and air into the fuel cell stack to heat the introduced fuel and air. Patent Document 2 describes a configuration in which air introduced into the fuel cell stack is heated by a heater, and moisture around the cathode is dried and removed. Patent Document 3 describes a configuration in which a thin film heater is provided in the fuel cell stack itself and the fuel cell stack body is heated at the start of power generation.

特開2008−97891号公報JP 2008-97891 A 特開2010−251219号公報JP 2010-251219 A 特開2004−111307号公報JP 2004-111307 A

ところが、上記のような燃料電池モジュールでは、そのシステム構成によってはガスバーナーが無い場合や設置できない場合があり、またガスバーナーによる加熱は局部的な加熱となるためシステム全体を均等に加熱することが難しい。上記特許文献3の構成のように燃料電池スタック本体を薄膜ヒータで加熱する場合も同様であり、システム全体の熱効率を改善することは難しい。上記特許文献1、2のように配管をヒータで加熱する構成では伝熱面積が不足するため、この場合にもシステム全体の熱効率を向上させることは難しい。   However, the fuel cell module as described above may or may not have a gas burner, depending on the system configuration, and heating by the gas burner is localized heating, so the entire system may be uniformly heated. difficult. The same applies to the case where the fuel cell stack body is heated with a thin film heater as in the configuration of Patent Document 3, and it is difficult to improve the thermal efficiency of the entire system. In the configuration in which the pipe is heated by the heater as in Patent Documents 1 and 2 described above, the heat transfer area is insufficient, and it is difficult to improve the thermal efficiency of the entire system also in this case.

本発明は、上記従来の課題を考慮してなされたものであり、燃料電池スタックに導入される改質燃料又は空気を効率よく予熱することができる燃料電池モジュールを提供することを目的とする。   The present invention has been made in consideration of the above-mentioned conventional problems, and an object thereof is to provide a fuel cell module capable of efficiently preheating reformed fuel or air introduced into a fuel cell stack.

本発明に係る燃料電池モジュールは、断熱筐体内に燃料電池スタックを配置した燃料電池モジュールであって、前記断熱筐体内で前記燃料電池スタックの周囲には、前記燃料電池スタックに供給する燃料を改質する改質器、該改質器での改質反応に用いる改質用水蒸気を生成する改質水蒸発器、及び前記燃料電池スタックに供給する空気を予熱する空気予熱器のうちの少なくとも1つが配置され、前記燃料電池スタックの周囲に配置される前記改質器、前記改質水蒸発器、又は前記空気予熱器の前記燃料電池スタック側の面とは反対側の面に加熱手段を設けたことを特徴とする。   The fuel cell module according to the present invention is a fuel cell module in which a fuel cell stack is disposed in a heat insulating case, and fuel supplied to the fuel cell stack is modified around the fuel cell stack in the heat insulating case. At least one of a reformer for reforming, a reformed water evaporator for producing reforming steam used for reforming reaction in the reformer, and an air preheater for preheating air supplied to the fuel cell stack Are provided, and heating means is provided on the side of the reformer, the reformed water evaporator, or the air preheater on the side opposite to the fuel cell stack side of the fuel cell stack. It is characterized by that.

このような構成によれば、断熱筐体内で燃料電池スタックの周囲に配置される改質器、改質水蒸発器、又は空気予熱器の燃料電池スタック側の面とは反対側の面に加熱手段を設けたことにより、当該機器を十分な伝熱面積で均等に加熱することが可能となる。このため、燃料電池スタックに導入される改質燃料又は空気を効率よく予熱することができ、システム全体の熱効率を向上させることができる。   According to such a configuration, heating is performed on the side opposite to the fuel cell stack side surface of the reformer, the reforming water evaporator, or the air preheater, which is disposed around the fuel cell stack in the heat insulation housing By providing the means, it is possible to uniformly heat the device with a sufficient heat transfer area. For this reason, the reformed fuel or air introduced into the fuel cell stack can be efficiently preheated, and the thermal efficiency of the entire system can be improved.

前記燃料電池スタックの周囲に配置される前記改質器、前記改質水蒸発器、又は前記空気予熱器は、前記燃料電池スタックの端面に対向配置され、該燃料電池スタックの端面に対向配置された面とは反対側の面に前記加熱手段を設けた構成であると、当該機器を燃料電池スタックからの輻射熱等で効率よく加熱することができ、その反対側の面を加熱手段で効率よく加熱することができるため、燃料電池スタックに導入される改質燃料又は空気を一層効率よく予熱することができる。   The reformer, the reforming water evaporator, or the air preheater disposed around the fuel cell stack is disposed opposite to the end face of the fuel cell stack and disposed opposite to the end face of the fuel cell stack. If the heating means is provided on the side opposite to the side, the device can be efficiently heated by radiant heat from the fuel cell stack, and the other side is efficiently made using the heating means. Since it can be heated, the reformed fuel or air introduced into the fuel cell stack can be preheated more efficiently.

前記加熱手段は、管状ヒータ又は面状ヒータであってもよい。すなわち、加熱手段は、各機器の燃料電池スタック側とは反対側の面に設けられるため、燃料電池スタックからの輻射熱等の放熱を直接受けることがない。このため、耐熱温度が比較的低い管状ヒータや面状ヒータ等の汎用ヒータを加熱手段として使用することが可能であり、加熱手段を低コストで構成することができる。   The heating means may be a tubular heater or a planar heater. That is, since the heating means is provided on the surface of each device opposite to the fuel cell stack side, heat radiation such as radiant heat from the fuel cell stack is not directly received. Therefore, it is possible to use a general-purpose heater such as a tubular heater or a planar heater having a relatively low heat resistant temperature as the heating means, and the heating means can be configured at low cost.

前記加熱手段の出力を制御するヒータ制御部を備え、前記ヒータ制御部は、前記改質器、前記改質水蒸発器、又は前記空気予熱器が目標温度となるように前記加熱手段の出力を制御すると、燃料電池モジュールを高い熱効率に維持しながら運転することができる。   The heater control unit controls the output of the heating unit, and the heater control unit controls the output of the heating unit such that the reformer, the reformed water evaporator, or the air preheater has a target temperature. When controlled, the fuel cell module can be operated while maintaining high thermal efficiency.

少なくとも前記改質器は、前記断熱筐体内で前記燃料電池スタックの周囲に配置されると共に前記加熱手段が設けられ、前記ヒータ制御部は、前記改質器の内部に収納された触媒の温度が目標温度となるように前記加熱手段の出力を制御する構成としてもよい。これにより、改質器での改質反応の効率が向上し、さらに燃料電池スタックに導入される改質燃料を効率よく予熱することができるため、システム全体の熱効率を一層向上させることができる。   At least the reformer is disposed around the fuel cell stack in the heat insulation casing and the heating means is provided, and the heater control unit is configured to control the temperature of the catalyst stored in the reformer. The output of the heating unit may be controlled to achieve a target temperature. As a result, the efficiency of the reforming reaction in the reformer is improved, and further, the reformed fuel introduced into the fuel cell stack can be efficiently preheated, so that the thermal efficiency of the entire system can be further improved.

本発明によれば、燃料電池スタックに導入される改質燃料又は空気を効率よく予熱することができ、システム全体の熱効率を向上させることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the reformed fuel or air introduce | transduced into a fuel cell stack can be efficiently preheated, and the thermal efficiency of the whole system can be improved.

図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュールを備えた発電装置の構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a power generation device including a fuel cell module according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュールの一構成例を示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing a configuration example of a fuel cell module according to an embodiment of the present invention. 図3は、図2に示す燃料電池モジュールの概略構成を示す平面図である。FIG. 3 is a plan view showing a schematic configuration of the fuel cell module shown in FIG. 図4は、改質器を正面側から見た説明図である。FIG. 4 is an explanatory view of the reformer as viewed from the front side. 図5は、本実施形態に係る燃料電池モジュールの起動手順の一例を示すフローチャートである。FIG. 5 is a flowchart showing an example of a startup procedure of the fuel cell module according to the present embodiment.

以下、本発明に係る燃料電池モジュールについて好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the fuel cell module according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

先ず、図1を参照して燃料電池モジュール10を備えた発電装置12の全体的な構成を説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュール10を備えた発電装置12の構成を示すブロック図である。   First, the overall configuration of the power generation device 12 including the fuel cell module 10 will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a power generation device 12 including a fuel cell module 10 according to an embodiment of the present invention.

図1に示すように、発電装置12は、燃料電池スタック14を断熱筐体16の内部に設けた燃料電池モジュール10と、燃料電池モジュール10に燃料及び空気を供給する燃料供給ラインLF1,LF2及び空気供給ラインLA1,LA2と、燃料電池モジュール10からの排熱を利用して温水を製造する温水熱交換器18と、燃料電池モジュール10で使用する改質用の水蒸気を生成するための水を貯留する凝集水タンク20とを備えたコジェネレーションシステムとして構成されている。   As shown in FIG. 1, the power generation apparatus 12 includes a fuel cell module 10 in which a fuel cell stack 14 is provided inside the heat insulating casing 16, fuel supply lines LF 1 and LF 2 for supplying fuel and air to the fuel cell module 10 and The air supply lines LA1 and LA2, the hot water heat exchanger 18 for producing hot water using exhaust heat from the fuel cell module 10, and water for generating reforming water vapor used in the fuel cell module 10 It is comprised as a cogeneration system provided with the condensed water tank 20 to store.

燃料電池モジュール10は、燃料電池スタック14と、改質器22と、空気予熱器24と、改質水蒸発器(気化器)26とを備え、これらを断熱部材を箱状に画成した断熱筐体16の内部(高温室)に設置したものである。断熱部材としては、グラスウール等の一般的な断熱材を用いればよい。但し、ボード状の高性能断熱材を使用することで、燃料電池モジュール10をよりコンパクトに構成することができる。   The fuel cell module 10 is provided with a fuel cell stack 14, a reformer 22, an air preheater 24, and a reformed water evaporator (vaporizer) 26, and these are insulated as a box-shaped insulation member. It is installed in the inside (high temperature chamber) of the housing 16. A general heat insulating material such as glass wool may be used as the heat insulating member. However, the fuel cell module 10 can be configured more compactly by using a board-shaped high-performance heat insulating material.

燃料電池スタック14は、燃料供給ラインLF2から導入される燃料と、空気供給ラインLA2から導入される空気とを反応させて発電する矩形平板の発電セルを複数積層した公知の構成である。本実施形態の場合、燃料電池スタック14を、燃料極(アノード)14aと空気極(カソード)14bとの間に電解質としてイオン伝導性セラミックスを介在させた固体酸化物形燃料電池(SOFC)で構成している。固体酸化物形燃料電池を平板型の積層スタックで構成すると、燃料電池スタック14をコンパクトに構成することができ、容積当たりの発電出力を高くすることができる。燃料電池スタック14として他の高温型燃料電池、例えば、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)等を用いてもよい。燃料電池スタック14の側部には、昇温用の本体ヒータ28が設置されている。   The fuel cell stack 14 has a known configuration in which a plurality of rectangular flat power generation cells are generated which generate electricity by reacting the fuel introduced from the fuel supply line LF2 with the air introduced from the air supply line LA2. In the case of this embodiment, the fuel cell stack 14 is constituted by a solid oxide fuel cell (SOFC) in which ion conductive ceramics are interposed as an electrolyte between the fuel electrode (anode) 14a and the air electrode (cathode) 14b. doing. When the solid oxide fuel cell is configured by a flat stack, the fuel cell stack 14 can be compact, and the power generation output per volume can be increased. Other high-temperature fuel cells such as a molten carbonate fuel cell (MCFC) may be used as the fuel cell stack 14. On the side of the fuel cell stack 14, a main body heater 28 for raising the temperature is installed.

燃料供給ラインLF1からの原燃料(例えば、メタンガス、都市ガス等)は、脱硫器30及び改質器22を経て水素や一酸化炭素を含む改質燃料となり、燃料供給ラインLF2から燃料極14aへと導入される。改質器22は、公知の構成でよく、その内部に各種の改質触媒が設けられている。改質水蒸発器26は、温水熱交換器18からの凝集水を貯留する凝集水タンク20から送られる水を蒸発させ改質用の水蒸気を生成するものであり、生成した水蒸気は水蒸気供給ラインLWから改質器22に導入される直前の燃料供給ラインLF1に導入される。これにより、燃料は改質水蒸発器26で高温となった水蒸気と混合され、例えば300℃程度まで加熱された後、改質器22に導入され、ここで700℃程度まで温度上昇しつつ、水蒸気改質されて改質燃料となる。   Raw fuel (for example, methane gas, city gas, etc.) from the fuel supply line LF1 passes through the desulfurizer 30 and the reformer 22 and becomes a reformed fuel containing hydrogen and carbon monoxide, and from the fuel supply line LF2 to the fuel electrode 14a And introduced. The reformer 22 may have a known configuration, and various reforming catalysts are provided therein. The reforming water evaporator 26 evaporates the water sent from the coagulation water tank 20 storing the coagulation water from the hot water heat exchanger 18 to generate reforming steam, and the generated steam is a steam supply line The fuel is introduced into the fuel supply line LF1 immediately before being introduced into the reformer 22 from the LW. As a result, the fuel is mixed with the steam that has become hot in the reforming water evaporator 26, for example, heated to about 300 ° C., and then introduced into the reformer 22, where the temperature rises to about 700 ° C., It is steam-reformed into a reformed fuel.

空気供給ラインLA1からの空気は、ブロワ32によって空気予熱器24に導入され、所望の温度(例えば、650〜700℃程度)まで予熱された後、空気供給ラインLA2から空気極14bへと導入される。   The air from the air supply line LA1 is introduced into the air preheater 24 by the blower 32 and is preheated to a desired temperature (for example, about 650 to 700 ° C.) and then introduced from the air supply line LA2 to the air electrode 14b. The

燃料電池スタック14から出た排ガスは排ガスラインLGから温水熱交換器18に送られる。温水熱交換器18は、貯水槽36から供給される水を排ガスラインLGからの排ガスによって加熱して温水を製造し、製造した温水は貯水槽36へと戻される。貯水槽36では、補給水が供給され、温水が取り出される。また、温水熱交換器18を通過した排ガスは、凝集水タンク20で凝集・除塵されて排気する。凝集水は改質用の水として改質水蒸発器26に供給される。凝集水タンク20にはレベル計が設置され、水が一定レベル以下になると補給水が供給される一方、水が一定レベル以上になるとオーバーフローにより排水する。これにより、不要なガス及び余剰な水が排気及び排水される。   The exhaust gas emitted from the fuel cell stack 14 is sent to the hot water heat exchanger 18 from the exhaust gas line LG. The hot water heat exchanger 18 heats the water supplied from the water storage tank 36 with the exhaust gas from the exhaust gas line LG to produce hot water, and the produced hot water is returned to the water storage tank 36. In the water storage tank 36, makeup water is supplied and warm water is taken out. Further, the exhaust gas that has passed through the hot water heat exchanger 18 is condensed and removed by the aggregated water tank 20 and exhausted. The condensed water is supplied to the reforming water evaporator 26 as reforming water. A level meter is installed in the cohesion water tank 20, and when the water falls below a certain level, make-up water is supplied, and when the water goes above a certain level, drainage occurs by overflow. Thereby, unnecessary gas and excess water are exhausted and drained.

次に、以上のような発電装置12を構成する燃料電池モジュール10の具体的な構成例について説明する。   Next, a specific configuration example of the fuel cell module 10 constituting the power generation device 12 as described above will be described.

図2は、本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュール10の一構成例を示す斜視図であり、図3は、図2に示す燃料電池モジュール10の概略構成を示す平面図である。以下では、燃料電池モジュール10を構成する各機器について、図2における手前側を前側(正面側)、奥側を後側(背面側)と呼び、左右方向を幅方向(左右幅方向)と呼んで説明する。   FIG. 2 is a perspective view showing an example of the configuration of a fuel cell module 10 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a plan view showing a schematic configuration of the fuel cell module 10 shown in FIG. Hereinafter, with respect to each device constituting the fuel cell module 10, the front side in FIG. 2 is called the front side (front side), the back side is called the rear side (back side), and the left-right direction is called the width direction (horizontal width direction). I will explain it.

図2に示すように、本実施形態では1つの断熱筐体16内に4個の燃料電池スタック14を設けた4個1組の構成からなる燃料電池モジュール10を用いている。この燃料電池モジュール10は、断熱筐体16内に設置された棚装置40の上棚40a及び下棚40bに燃料電池スタック14を2個ずつ載置しており、正面視で2行2列の配置となっている。以下では、このような4個1組の燃料電池スタック14をまとめて燃料電池スタック14として説明することもある。燃料電池スタック14の搭載個数は適宜変更可能である。   As shown in FIG. 2, in the present embodiment, a fuel cell module 10 having a configuration of four fuel cells provided with four fuel cell stacks 14 in one heat insulating housing 16 is used. In the fuel cell module 10, two fuel cell stacks 14 are placed on the upper shelf 40a and the lower shelf 40b of the shelf device 40 installed in the heat insulating housing 16, and the arrangement of two rows and two rows in front view It has become. Hereinafter, such a set of four fuel cell stacks 14 may be collectively described as the fuel cell stack 14. The number of mounted fuel cell stacks 14 can be changed as appropriate.

燃料電池モジュール10では、棚装置40に載置された燃料電池スタック14の正面に対向するように扁平箱状の改質器22が上下方向に沿って設置され、燃料電池スタック14の上方に扁平箱状の改質水蒸発器26が設置され、燃料電池スタック14の側面に空気予熱器24が設置されている。   In the fuel cell module 10, a flat box-shaped reformer 22 is installed along the vertical direction so as to face the front of the fuel cell stack 14 mounted on the shelf device 40, and the fuel cell module 10 is flat above the fuel cell stack 14. A box-shaped reforming water evaporator 26 is installed, and an air preheater 24 is installed on the side surface of the fuel cell stack 14.

断熱筐体16で保温する構成である燃料電池モジュール10では、高い温度を必要とする改質器22と空気予熱器24とを燃料電池スタック14の側面に配置し、これらより低い温度でよい改質水蒸発器26を燃料電池スタック14の上方に配置している。   In the fuel cell module 10, which is configured to be kept warm by the heat insulating housing 16, the reformer 22 requiring high temperature and the air preheater 24 are disposed on the side surface of the fuel cell stack 14 A quality water evaporator 26 is disposed above the fuel cell stack 14.

改質器22は、その内部に各種の改質触媒を設けた平板型の改質反応部(触媒層)22aを有した平板型構造である。改質器22は、断熱筐体16内で上下方向に沿って配置され、燃料電池スタック14と並列されている。改質器22は、このような平板型構造であって各燃料電池スタック14の正面を覆うように配置されているため、燃料電池スタック14から発生した熱を効率的に受けることができる。   The reformer 22 has a flat plate type structure having a flat plate type reforming reaction portion (catalyst layer) 22a in which various reforming catalysts are provided. The reformer 22 is disposed along the vertical direction in the heat insulating casing 16 and is in parallel with the fuel cell stack 14. The reformer 22 has such a flat plate structure and is disposed so as to cover the front of each fuel cell stack 14, and therefore can efficiently receive the heat generated from the fuel cell stack 14.

図4は、改質器22を正面側から見た説明図であり、改質器22に設けられるヒータ64の出力を制御する制御系統も合わせて図示したブロック説明図である。   FIG. 4 is an explanatory view of the reformer 22 viewed from the front side, and is a block explanatory view also showing a control system for controlling the output of the heater 64 provided in the reformer 22.

図3及び図4に示すように、ヒータ64は、改質器22の燃料電池スタック14側とは反対側の面である外壁面22bに設けられている。ヒータ64は、金属細管(シース)に発熱線と絶縁物質を充填した細管状のヒータであり、自由に曲げて用いることが可能な構造である。本実施形態では、改質器22の外壁面22bにヒータ64を蛇行させて配置して固定具66で固定することにより、外壁面22bの全体を均等に加熱可能としている。図4中に2点鎖線で示すように、細管状のヒータ64に代えて、外壁面22bの略全体を覆うように設けられる面状のヒータ68を用いてもよい。   As shown in FIGS. 3 and 4, the heater 64 is provided on an outer wall surface 22 b which is a surface of the reformer 22 opposite to the fuel cell stack 14 side. The heater 64 is a capillary-like heater in which a metal capillary (sheath) is filled with a heating wire and an insulating material, and has a structure that can be freely bent and used. In the present embodiment, the heater 64 is disposed on the outer wall surface 22b of the reformer 22 in a meandering manner and fixed by the fixing tool 66, so that the entire outer wall surface 22b can be uniformly heated. As shown by a two-dot chain line in FIG. 4, a planar heater 68 provided so as to cover substantially the entire outer wall surface 22 b may be used in place of the capillary heater 64.

ヒータ64は、ヒータ制御部70と接続されている。ヒータ制御部70は、改質器22の表面温度を測定する表面温度センサT1及び改質器22の内部温度を測定する内部温度センサT2の測定値に基づきヒータ64の出力制御を行う。表面温度センサT1は、外壁面22bに設けられて該外壁面22bの温度を検出し、内部温度センサT2は、改質反応部22aに設けられて該改質反応部22aの触媒温度を検出する。ヒータ制御部70には、さらに燃料電池スタック周囲温度センサT3が接続されている。燃料電池スタック周囲温度センサT3は、燃料電池スタック14周囲の温度を検出するものであり、例えば図3に示すように燃料電池スタック14の近傍に設けられる。   The heater 64 is connected to the heater control unit 70. The heater control unit 70 controls the output of the heater 64 based on the measurement values of the surface temperature sensor T1 that measures the surface temperature of the reformer 22 and the internal temperature sensor T2 that measures the internal temperature of the reformer 22. The surface temperature sensor T1 is provided on the outer wall surface 22b to detect the temperature of the outer wall surface 22b, and the internal temperature sensor T2 is provided on the reforming reaction portion 22a to detect the catalyst temperature of the reforming reaction portion 22a. . A fuel cell stack ambient temperature sensor T3 is further connected to the heater controller 70. The fuel cell stack ambient temperature sensor T3 detects the temperature around the fuel cell stack 14, and is provided in the vicinity of the fuel cell stack 14 as shown in FIG. 3, for example.

ヒータ制御部70は記憶部72を有する。記憶部72には、表面温度センサT1によって測定される改質器22の外壁面22bの目標温度(例えば、500℃)と、内部温度センサT2によって測定される改質器22の内部の目標温度(例えば、700℃)と、燃料電池スタック周囲温度センサT3によって測定される排ガスの目標温度(例えば、500℃)とが記憶されている。これら各目標温度は図示しない入力手段によって設定変更可能であってもよい。   The heater control unit 70 has a storage unit 72. In the storage unit 72, the target temperature (for example, 500 ° C.) of the outer wall surface 22b of the reformer 22 measured by the surface temperature sensor T1 and the target temperature inside the reformer 22 measured by the internal temperature sensor T2. (For example, 700 ° C.) and the target temperature (for example, 500 ° C.) of the exhaust gas measured by the fuel cell stack ambient temperature sensor T3 are stored. These target temperatures may be set and changed by input means (not shown).

次に、本実施形態に係る燃料電池モジュール10の起動手順について、改質器22に設けたヒータ64の出力制御を主として説明する。図5は、本実施形態に係る燃料電池モジュール10の起動手順の一例を示すフローチャートである。   Next, the startup procedure of the fuel cell module 10 according to this embodiment will be described mainly with respect to output control of the heater 64 provided in the reformer 22. FIG. 5 is a flowchart showing an example of a startup procedure of the fuel cell module 10 according to the present embodiment.

燃料電池モジュール10の起動時には、先ず、ヒータ制御部70の制御下に改質器22の外壁面22bに設けたヒータ64をオン制御(ON)する(図5中のステップS1)。これにより改質器22の外壁面22bの温度が次第に上昇する。   At the start of the fuel cell module 10, first, the heater 64 provided on the outer wall surface 22b of the reformer 22 is controlled to ON under control of the heater control unit 70 (step S1 in FIG. 5). As a result, the temperature of the outer wall surface 22b of the reformer 22 gradually increases.

ステップS2において、ヒータ制御部70は、表面温度センサT1による検出結果から改質器22の外壁面22bが目標温度(ここでは500℃)に到達したか否かの判定を継続し(ステップS2のNo)、外壁面22bが目標温度に到達すると(ステップS2のYes)、続いてステップS3が実行される。   In step S2, the heater control unit 70 continues to determine whether the outer wall surface 22b of the reformer 22 has reached the target temperature (here, 500 ° C.) based on the detection result of the surface temperature sensor T1 (step S2). No) When the outer wall surface 22b reaches the target temperature (Yes in Step S2), Step S3 is subsequently executed.

ステップS3では、燃料電池モジュール10又は発電装置12の全体を制御する制御装置(図示せず)の制御下に、改質器22への燃料供給ラインLF1からの原燃料の導入と、改質水蒸発器26で生成される改質用水蒸気の水蒸気供給ラインLWからの導入とが開始され、改質器22の改質反応部22aでの燃料改質が開始される。   In step S3, under the control of a control device (not shown) that controls the entire fuel cell module 10 or the power generation device 12, introduction of raw fuel from the fuel supply line LF1 to the reformer 22, reforming water The introduction of the reforming steam generated by the evaporator 26 from the steam supply line LW is started, and the fuel reforming in the reforming reaction portion 22 a of the reformer 22 is started.

ここで、改質器22での改質反応(水蒸気改質反応)は吸熱反応であるため、改質が進むと改質器22の温度が低下し、燃料電池スタック14での反応温度も低下する。そこで、改質器22での反応熱を補い、燃料電池スタック14での反応温度を確保するため、ヒータ制御部70は燃料電池スタック周囲温度センサT3によって検出される燃料電池スタック14の周囲温度が目標温度(ここでは500℃)程度となるようにヒータ64の出力を高め、外壁面22bの温度を上昇させる(ステップS4)。なお、ヒータ64は耐熱温度、例えば600℃以下となるように出力制御される必要があり、耐熱温度を超えた場合にはヒータ制御部70はヒータ64をオフ制御(OFF)する。   Here, since the reforming reaction (steam reforming reaction) in the reformer 22 is an endothermic reaction, the temperature of the reformer 22 decreases as the reforming proceeds, and the reaction temperature in the fuel cell stack 14 also decreases. Do. Therefore, in order to compensate the reaction heat in the reformer 22 and secure the reaction temperature in the fuel cell stack 14, the heater control unit 70 detects the ambient temperature of the fuel cell stack 14 detected by the fuel cell stack ambient temperature sensor T3. The output of the heater 64 is increased to reach the target temperature (here, 500 ° C.), and the temperature of the outer wall surface 22b is increased (step S4). The heater 64 needs to be output-controlled so that the heat resistance temperature is, for example, 600 ° C. or less. When the heat resistance temperature is exceeded, the heater control unit 70 turns off the heater 64 (OFF).

そして、ヒータ制御部70は、内部温度センサT2による検出結果から改質器22の内部での触媒温度が目標温度(ここでは700℃)になるようにヒータ64の出力制御を行う。その結果、触媒温度が目標温度となり燃料電池モジュール10の起動運転が終了すると、燃料電池モジュール10は発電状態を維持する定常運転で運転制御されるため、ヒータ制御部70は内部温度センサT2によって検出される改質器22内部の触媒温度が目標温度(ここでは700℃)に維持されるようにヒータ64の出力を制御する。これにより、燃料電池モジュール10(発電装置12)の起動時に改質器22からの改質燃料が燃料極14aに対して常温程度の低温で導入されることが回避され、燃料電池スタック14の劣化や破損が生じることが防止されると共に、定常運転時の改質温度も確保されるためシステム全体の熱効率が向上する。   Then, the heater control unit 70 performs output control of the heater 64 so that the catalyst temperature inside the reformer 22 becomes the target temperature (here, 700 ° C.) based on the detection result of the internal temperature sensor T2. As a result, when the catalyst temperature reaches the target temperature and the start-up operation of the fuel cell module 10 is finished, the fuel cell module 10 is operated and controlled in the steady operation maintaining the power generation state, so the heater control unit 70 is detected by the internal temperature sensor T2. The output of the heater 64 is controlled so that the catalyst temperature inside the reformer 22 to be maintained is maintained at the target temperature (700 ° C. here). This prevents the reformed fuel from the reformer 22 from being introduced into the fuel electrode 14a at a low temperature of about normal temperature when the fuel cell module 10 (power generation device 12) is started, thereby deteriorating the fuel cell stack 14 And the occurrence of damage is prevented, and the reforming temperature during steady operation is secured, so that the thermal efficiency of the entire system is improved.

以上のように、本実施形態に係る燃料電池モジュール10では、改質器22を断熱筐体16内で燃料電池スタック14の周囲に配置し、この改質器22の燃料電池スタック14側の面とは反対側の面である外壁面22bに加熱手段であるヒータ64(68)を設けている。   As described above, in the fuel cell module 10 according to the present embodiment, the reformer 22 is disposed around the fuel cell stack 14 in the heat insulating housing 16, and the surface of the reformer 22 on the fuel cell stack 14 side A heater 64 (68), which is a heating means, is provided on the outer wall surface 22b, which is the opposite surface.

従って、燃料電池モジュール10では外壁面22bに設けたヒータ64により、改質器22を十分な伝熱面積で均等に加熱することが可能となる。このため、起動時には改質器22内の触媒温度を目標温度まで迅速に到達させ、定常時には改質器22内の触媒温度を目標温度付近に安定して維持することができる。これにより、燃料電池スタック14に導入される改質燃料を効率よく予熱することができ、システム全体の熱効率を向上させることができる。しかも、起動時にヒータ64により改質器22を加熱することで、改質器22の外壁面22bの温度が目標温度である500℃程度まで上昇するまでの時間が短縮されるため、燃料電池モジュール10の起動時間を短縮することができる。   Therefore, in the fuel cell module 10, the heater 64 provided on the outer wall surface 22b can uniformly heat the reformer 22 with a sufficient heat transfer area. Therefore, at startup, the catalyst temperature in the reformer 22 can be rapidly reached to the target temperature, and in steady state, the catalyst temperature in the reformer 22 can be stably maintained around the target temperature. Thereby, the reformed fuel introduced into the fuel cell stack 14 can be efficiently preheated, and the thermal efficiency of the entire system can be improved. Moreover, by heating the reformer 22 by the heater 64 at startup, the time until the temperature of the outer wall surface 22b of the reformer 22 rises to the target temperature of about 500 ° C. is shortened, so the fuel cell module 10 start-up time can be shortened.

この場合、ヒータ64は、燃料電池スタック14側とは反対側の外壁面22bに設けられるため、燃料電池スタック14からの輻射熱等の放熱を直接受けることがない。このため、例えば耐熱温度が1000℃以下と低い汎用ヒータを使用することが可能であり、ヒータ64のコストを低く抑えることができる。   In this case, since the heater 64 is provided on the outer wall surface 22 b opposite to the fuel cell stack 14 side, heat radiation such as radiant heat from the fuel cell stack 14 is not directly received. For this reason, it is possible to use a general-purpose heater having a heat resistant temperature as low as 1000 ° C. or less, for example, and the cost of the heater 64 can be kept low.

ところで、当該燃料電池モジュール10における燃料電池スタック14の周囲には、改質器22以外にも空気予熱器24及び改質水蒸発器26が配置されている。そこで、例えば空気予熱器24の外壁面にヒータ64(68)を設けてもよく、改質水蒸発器26の箱体の外壁面(上壁面)にヒータ64(68)を設けてもよい。つまり、燃料電池モジュール10の仕様によって多少条件は異なるが、少なくとも改質器22、空気予熱器24、及び改質水蒸発器26の全ての機器又は一部の機器における燃料電池スタック14側の面とは反対側の面に加熱手段であるヒータ64(68)を設けると、燃料電池スタック14に導入される改質燃料や空気を効率よく予熱して低コストでシステム全体の熱効率を向上させ、起動時間を短縮することが可能となる。   In addition to the reformer 22, an air preheater 24 and a reforming water evaporator 26 are disposed around the fuel cell stack 14 in the fuel cell module 10. Therefore, for example, the heater 64 (68) may be provided on the outer wall surface of the air preheater 24, and the heater 64 (68) may be provided on the outer wall surface (upper wall surface) of the box of the reforming water evaporator 26. That is, although the conditions differ depending on the specification of the fuel cell module 10, at least the side of the fuel cell stack 14 in all or some of the reformer 22, the air preheater 24, and the reforming water evaporator 26. And heater 64 (68), which is a heating means, on the opposite side to efficiently preheat the reformed fuel and air introduced into the fuel cell stack 14 and improve the thermal efficiency of the entire system at low cost, It is possible to shorten the startup time.

また、例えば、特許文献「特開2006−86053号公報」に記載される、発電反応で消費されなかった残余の高温ガスを発電セルの外周部から自由に放出する構造の燃料電池スタックを用いた場合、排出ガスは反応により燃焼し、この燃焼熱を利用してシステム全体の熱効率を更に向上することができる。   In addition, for example, a fuel cell stack having a structure in which the remaining high temperature gas not consumed in the power generation reaction is freely released from the outer peripheral portion of the power generation cell, which is described in patent document "Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-86053" In this case, the exhaust gas is burned by reaction, and the heat efficiency of the entire system can be further improved by using this combustion heat.

なお、空気予熱器24にヒータ64(68)を設けた場合には、ヒータ制御部70は空気予熱器24の外壁面の温度や出口での予熱空気の温度を目標温度とするようにヒータ64(68)の出力を制御するとよい。また、改質水蒸発器26にヒータ64(68)を設けた場合には、ヒータ制御部70は改質水蒸発器26の外壁面の温度や出口での改質用水蒸気の温度を目標温度とするようにヒータ64(68)の出力を制御するとよい。   When the air preheater 24 is provided with the heater 64 (68), the heater control unit 70 sets the temperature of the outer wall surface of the air preheater 24 and the temperature of preheated air at the outlet as the target temperature. The output of (68) may be controlled. When the reformed water evaporator 26 is provided with the heater 64 (68), the heater control unit 70 sets the temperature of the outer wall surface of the reformed water evaporator 26 and the temperature of reforming steam at the outlet to the target temperature. It is preferable to control the output of the heater 64 (68) so that

なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。   In addition, this invention is not limited to above-described embodiment, Of course, it can change freely in the range which does not deviate from the main point of this invention.

10 燃料電池モジュール
12 発電装置
14 燃料電池スタック
14a 燃料極
14b 空気極
16 断熱筐体
22 改質器
22a 改質反応部
22b 外壁面
24 空気予熱器
26 改質水蒸発器
64,68 ヒータ
70 ヒータ制御部
T1 表面温度センサ
T2 内部温度センサ
T3 燃料電池スタック周囲温度センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 fuel cell module 12 power generation apparatus 14 fuel cell stack 14a fuel pole 14b air pole 16 heat insulation housing 22 reformer 22a reforming reaction part 22b outer wall surface 24 air preheater 26 reforming water evaporator 64, 68 heater 70 heater control T1 Surface temperature sensor T2 Internal temperature sensor T3 Fuel cell stack ambient temperature sensor

Claims (3)

断熱筐体内に燃料電池スタックを配置した燃料電池モジュールであって、
前記断熱筐体内で前記燃料電池スタックの周囲に配置され、前記燃料電池スタックに供給する燃料を改質する改質器と、
記改質器における前記燃料電池スタック側の面とは反対側の面に設けられたヒータと、
前記ヒータの出力を制御するヒータ制御部と、
前記改質器の外壁の温度を測定する表面温度センサと、
前記改質器内部の触媒温度を測定する内部温度センサと、
前記燃料電池スタックの表面温度を測定する燃料電池スタック周囲温度センサと、
を備え、
当該燃料電池モジュールの起動運転時において、前記ヒータ制御部は、前記表面温度センサで測定される前記改質器の外壁の温度が目標温度に到達し、前記改質器への原燃料の導入が開始された後に、前記燃料電池スタック周囲温度センサで測定される前記燃料電池スタックの周囲温度が目標温度になるように前記ヒータの出力を制御し、さらに、前記内部温度センサで測定される前記改質器内部の触媒温度が目標温度になるように前記ヒータの出力を制御することを特徴とする燃料電池モジュール。
A fuel cell module in which a fuel cell stack is arranged in a heat insulating housing,
A reformer disposed around the fuel cell stack in the heat insulating casing and reforming fuel supplied to the fuel cell stack ;
A heater provided on the opposite side to the fuel cell stack side surface before Kiaratameshitsu unit,
A heater control unit for controlling the output of the heater;
A surface temperature sensor for measuring the temperature of the outer wall of the reformer;
An internal temperature sensor for measuring the catalyst temperature inside the reformer;
A fuel cell stack ambient temperature sensor for measuring a surface temperature of the fuel cell stack;
With
During the start-up operation of the fuel cell module, the heater control unit causes the temperature of the outer wall of the reformer measured by the surface temperature sensor to reach a target temperature, and introduces raw fuel into the reformer. After being started, the output of the heater is controlled so that the ambient temperature of the fuel cell stack measured by the fuel cell stack ambient temperature sensor becomes a target temperature, and further, the modification measured by the internal temperature sensor is performed. A fuel cell module , wherein the output of the heater is controlled so that the catalyst temperature inside the mass device becomes a target temperature .
請求項1記載の燃料電池モジュールにおいて、
記改質器は、前記燃料電池スタックの端面に対向配置され、該燃料電池スタックの端面に対向配置された面とは反対側の面に前記ヒータ備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
The fuel cell module according to claim 1, wherein
Before Kiaratameshitsu unit is disposed opposite to an end face of the fuel cell stack, a fuel cell module, wherein the oppositely disposed surface on the end face of the fuel cell stack comprising the heater on the opposite side.
請求項1又は2記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記ヒータは、管状ヒータ又は面状ヒータであることを特徴とする燃料電池モジュール。
The fuel cell module according to claim 1 or 2,
The fuel cell module, wherein the heater is a tubular heater or a planar heater.
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