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JP2010238527A - Method for operating solid oxide fuel battery - Google Patents

Method for operating solid oxide fuel battery Download PDF

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JP2010238527A
JP2010238527A JP2009085106A JP2009085106A JP2010238527A JP 2010238527 A JP2010238527 A JP 2010238527A JP 2009085106 A JP2009085106 A JP 2009085106A JP 2009085106 A JP2009085106 A JP 2009085106A JP 2010238527 A JP2010238527 A JP 2010238527A
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gas
fuel
reformer
fuel cell
power generation
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Application number
JP2009085106A
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Japanese (ja)
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Motoki Sato
基樹 佐藤
Norihisa Chitose
範壽 千歳
Naoya Murakami
直也 村上
Takashi Miyazawa
隆 宮澤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kansai Electric Power Co Inc
Mitsubishi Materials Corp
Original Assignee
Kansai Electric Power Co Inc
Mitsubishi Materials Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for operating a solid oxide fuel cell capable of preventing oxidation of a fuel electrode layer without separately supplying nitrogen gas or hydrogen gas to a power generation cell. <P>SOLUTION: The solid oxide fuel battery includes: a fuel battery cell stack 10 formed by stacking a power generation cell 16 through a separator 2; a reformer 45 producing reformed gas from introduced fuel gas and steam; a fuel gas supply line 40 between which the reformer is interposed; a steam supply line 60 between which a steam generator 41 is interposed; and heating means 6a to 6d capable of heating the reformed gas within the reformer. In the method for operating the solid oxide fuel cell, heating of the reformed gas within the reformer is controlled by the heating means so that, when the temperature X of the power generating cell is 300°C or higher and the maximum temperature Y of the reformed gas within the reformer is 550°C or lower, the difference obtained by subtracting the maximum temperature Y of the reformed gas from the temperature X of the power generating cell becomes within 100°C. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層とが配置された発電セルを備える固体酸化物形燃料電池の運転方法に関するものである。   The present invention relates to a method for operating a solid oxide fuel cell including a power generation cell in which a fuel electrode layer and an air electrode layer are disposed on both sides of a solid electrolyte layer.

近年、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池は高効率でクリーンな発電装置として注目されている。この燃料電池は、酸化物イオン導電体から成る固体電解質層の両面に空気極層(カソード)と燃料極層(アノード)とが配置された発電セルを、セパレータを介して積層した燃料電池スタックを有している。   In recent years, fuel cells that directly convert chemical energy of fuel into electrical energy have attracted attention as highly efficient and clean power generators. This fuel cell has a fuel cell stack in which a power generation cell in which an air electrode layer (cathode) and a fuel electrode layer (anode) are arranged on both sides of a solid electrolyte layer made of an oxide ion conductor is stacked via a separator. Have.

そして、発電時には、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガス(酸素) が、また燃料極層側に燃料ガス(CH4等を含有する都市ガス)を改質器によって改質した改質ガス (H2、CO、CO2、H2O等) が供給される。これらの空気極層および燃料極層は、反応用ガスが固体電解質層との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされている。 At the time of power generation, a reformer reforms an oxidizing gas (oxygen) on the air electrode layer side and a fuel gas (city gas containing CH 4 etc.) on the fuel electrode layer side as a reaction gas. Gas (H 2 , CO, CO 2 , H 2 O, etc.) is supplied. These air electrode layer and fuel electrode layer are both porous layers so that the reaction gas can reach the interface with the solid electrolyte layer.

これにより、発電セル内において、空気極層側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン(O2-)にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で改質ガスと反応して反応生成物(H2O、CO2等)を生じ、燃料極層に電子を放出する。尚、電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。 Thereby, in the power generation cell, oxygen supplied to the air electrode layer side passes through pores in the air electrode layer and reaches the vicinity of the interface with the solid electrolyte layer, and receives electrons from the air electrode layer in this portion. It is ionized to oxide ions (O 2− ). The oxide ions diffuse and move in the solid electrolyte layer toward the fuel electrode layer. The oxide ions that have reached the vicinity of the interface with the fuel electrode layer react with the reformed gas at this portion to generate a reaction product (H 2 O, CO 2, etc.) and discharge electrons to the fuel electrode layer. Electrons generated by the electrode reaction can be taken out as an electromotive force at an external load on another route.

ところで、この燃料電池は、発電時には、燃料電池スタックの周囲が高温雰囲気になっているため、上記改質器が周りの熱を吸収することによって十分に燃料ガスを改質することができるものの、起動時には、改質器によって吸熱反応である改質を行うことができないため、未改質の燃料ガスが燃料極層に供給されてしまう。このように未改質の燃料ガスが燃料極層に供給されても、発電に寄与しないだけでなく、水素ガスなどの還元性ガスが供給されないために燃料極層が外部雰囲気の空気中の酸素などによって酸化され、これによって、燃料極層は、膨張収縮して、固体電解質層から剥がれてしまうなどの問題がある。   By the way, this fuel cell has a high temperature atmosphere around the fuel cell stack during power generation, so that the reformer can sufficiently reform the fuel gas by absorbing the surrounding heat, At start-up, reforming, which is an endothermic reaction, cannot be performed by the reformer, so that unreformed fuel gas is supplied to the fuel electrode layer. Thus, even if unreformed fuel gas is supplied to the fuel electrode layer, not only does it contribute to power generation, but also a reducing gas such as hydrogen gas is not supplied, so the fuel electrode layer is oxygen in the air in the external atmosphere. As a result, there is a problem that the fuel electrode layer expands and contracts and peels off from the solid electrolyte layer.

このため、起動時には、上記燃料ガスに代えて、窒素ガスや水素ガスを各燃料電池スタックの発電セルに供給して、燃料極層を少なくとも非酸化雰囲気、好ましくは還元雰囲気に保ち、かつ水素ガスと上記酸素との反応によって、電極反応を生じさせるべく、燃料電池は、一般的に、その装置内に窒素ガスや水素ガスの貯蔵庫を備えており(特許文献1参照)、これに伴って、装置全体が必要以上に大型になってしまっている。   Therefore, at the time of start-up, instead of the fuel gas, nitrogen gas or hydrogen gas is supplied to the power generation cells of each fuel cell stack, the fuel electrode layer is kept at least in a non-oxidizing atmosphere, preferably a reducing atmosphere, and hydrogen gas In general, a fuel cell is provided with a storage of nitrogen gas or hydrogen gas in the apparatus in order to cause an electrode reaction by the reaction between oxygen and the oxygen (see Patent Document 1). The entire device has become larger than necessary.

特開平05−054901号公報Japanese Patent Laid-Open No. 05-054901

そこで、これらの貯蔵庫から窒素ガスや水素ガスを発電セルに供給せずとも、未改質の燃料ガスの供給による燃料極層の酸化を防止できる固体酸化物形燃料電池の運転方法を提供することを課題とする。   To provide a method for operating a solid oxide fuel cell that can prevent oxidation of the fuel electrode layer due to the supply of unreformed fuel gas without supplying nitrogen gas or hydrogen gas from these storages to the power generation cell. Is an issue.

すなわち、請求項1に記載の発明に係る固体酸化物形燃料電池の運転方法は、固体電解質層の一方の表面に燃料極層が配置されるととともに、他方の表面に酸化剤極層が配置された発電セルを、セパレータを介して積層した燃料電池スタックと、燃料ガスが水蒸気とともに導入されて、発電時に上記燃料電池スタックから放出された熱を吸収することによって改質ガスを生成する改質器と、この改質器が介装されて、上記改質ガスを上記燃料電池スタックに供給する燃料ガス供給ラインと、水が導入されて、発電時に上記燃料電池スタックから放出された熱を吸収することによって水蒸気を生成する水蒸気発生器と、この水蒸気発生器が介装されて、上記水蒸気を上記燃料ガス供給ラインにおける上記改質器の上流側に供給する水蒸気供給ラインと、上記改質器内の上記改質ガスを加熱可能な加熱手段とを有する固体酸化物形燃料電池の運転方法において、上記発電セルの温度Xが300℃以上であって上記改質器中の改質ガスの最高温度Yが550℃以下の場合には、上記発電セルの温度Xから上記改質ガスの最高温度Yを引いた差が100℃以内になるように上記加熱手段によって上記改質器内の上記改質ガスを加熱制御し、かつ上記燃料ガスとしてメタン89.6vol%、エタン5.6vol%、プロパン3.4vol%、ブタン1.4vol%を含有する都市ガスを0.0141NL/min以上、上記都市ガス中のカーボンに対して水を水蒸気(S)/カーボン(C)のモル比が12.0以上になるようにそれぞれ供給した場合の平衡組成に相当する水素量が上記発電セルの面積100cm2当たりに対して導入されるように上記燃料ガスおよび上記水を供給することを特徴としている。
ここで、NL/minとは、0℃、1atmの標準状態の1分当たりの流量を意味するものである。
In other words, the solid oxide fuel cell operating method according to the first aspect of the present invention includes a fuel electrode layer disposed on one surface of the solid electrolyte layer and an oxidant electrode layer disposed on the other surface. A fuel cell stack in which the generated power cells are stacked via a separator, and a reformer that generates reformed gas by absorbing the heat released from the fuel cell stack during power generation when the fuel gas is introduced together with water vapor And a reformer, a fuel gas supply line for supplying the reformed gas to the fuel cell stack, and water are introduced to absorb heat released from the fuel cell stack during power generation. A water vapor generator that generates water vapor, and a water vapor supply line that is provided with the water vapor generator and supplies the water vapor to the upstream side of the reformer in the fuel gas supply line. And a heating means capable of heating the reformed gas in the reformer, wherein the temperature X of the power generation cell is 300 ° C. or higher, and the reformer When the maximum temperature Y of the reformed gas is 550 ° C. or less, the heating means controls the temperature so that the difference obtained by subtracting the maximum temperature Y of the reformed gas from the temperature X of the power generation cell is within 100 ° C. The reformed gas in the reformer is controlled by heating, and the city gas containing 89.6 vol% methane, 5.6 vol% ethane, 3.4 vol% propane, and 1.4 vol% butane is used as the fuel gas. The hydrogen amount corresponding to the equilibrium composition when water is supplied so that the water vapor (S) / carbon (C) molar ratio is 12.0 or more with respect to carbon in the city gas is 0141 NL / min or more. Power generation above It is characterized by supplying the fuel gas and the water to be introduced to the area 100 cm 2 per Le.
Here, NL / min means a flow rate per minute in a standard state of 0 ° C. and 1 atm.

また、請求項2に記載の発明に係る固体酸化物形燃料電池の運転方法は、固体電解質層の一方の表面に燃料極層が配置されるととともに、他方の表面に酸化剤極層が配置された発電セルを、セパレータを介して積層した燃料電池スタックと、燃料ガスが水蒸気とともに導入されて、発電時に上記燃料電池スタックから放出された熱を吸収することによって改質ガスを生成する改質器と、この改質器が介装されて、上記改質ガスを上記燃料電池スタックに供給する燃料ガス供給ラインと、水が導入されて、発電時に上記燃料電池スタックから放出された熱を吸収することによって水蒸気を生成する水蒸気発生器と、この水蒸気発生器が介装されて、上記水蒸気を上記燃料ガス供給ラインにおける上記改質器の上流側に供給する水蒸気供給ラインと、上記改質器内の改質ガスを加熱可能な加熱手段とを有する固体酸化物形燃料電池の運転方法において、上記発電セルの温度Xが300℃以上であって上記改質器中の上記改質ガスの最高温度Yが550℃を超える温度の場合には、上記燃料ガスとしてメタン89.6vol%、エタン5.6vol%、プロパン3.4vol%、ブタン1.4vol%を含有する都市ガスを0.0141NL/min以上、かつ上記都市ガス中のカーボンに対して水を水蒸気(S)/カーボン(C)のモル比が12.0以上になるようにそれぞれ供給した場合の平衡組成に相当する水素量が上記発電セルの面積100cm2当たりに対して導入されるように上記燃料ガスおよび上記水を供給することを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a solid oxide fuel cell operating method in which a fuel electrode layer is disposed on one surface of a solid electrolyte layer and an oxidant electrode layer is disposed on the other surface. A fuel cell stack in which the generated power cells are stacked via a separator, and a reformer that generates reformed gas by absorbing the heat released from the fuel cell stack during power generation when the fuel gas is introduced together with water vapor And a reformer, a fuel gas supply line for supplying the reformed gas to the fuel cell stack, and water are introduced to absorb heat released from the fuel cell stack during power generation. A water vapor generator that generates water vapor and a water vapor supply line through which the water vapor generator is interposed to supply the water vapor to the upstream side of the reformer in the fuel gas supply line In the method of operating a solid oxide fuel cell having heating means capable of heating the reformed gas in the reformer, the temperature X of the power generation cell is 300 ° C. or higher, and the temperature in the reformer is When the maximum temperature Y of the reformed gas exceeds 550 ° C., city gas containing 89.6 vol% methane, 5.6 vol% ethane, 3.4 vol% propane, and 1.4 vol% butane as the above fuel gas Is equivalent to the equilibrium composition when water is supplied in such a manner that the molar ratio of water vapor (S) / carbon (C) is 12.0 or more with respect to carbon in the city gas, 0.0141 NL / min or more. The fuel gas and the water are supplied so that the amount of hydrogen to be introduced is introduced per 100 cm 2 area of the power generation cell.

また、請求項3に記載の発明は、請求項1または請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池の運転方法において、上記燃料ガス供給ラインには、上記改質器の下流側に起動用改質器が介装されるとともに、上記起動用改質器は、上記加熱手段である起動時に作動する起動用加熱手段に臨む位置に設置されていることを特徴としている。   The invention described in claim 3 is the operation method of the solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the fuel gas supply line is provided with an activation device downstream of the reformer. The reformer is interposed, and the start-up reformer is installed at a position facing the start-up heating means that operates at the start-up, which is the heating means.

また、請求項4に記載の発明は、請求項1ないし3のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池の運転方法において、上記燃料電池スタックは、上記改質器、上記水蒸気発生器および上記起動用改質器とともに内部缶体内に設置され、かつこの内部缶体の外周に断熱材が配設されており、上記内部缶体内には、上記燃料電池スタックが平面的に複数配置されるとともに、上下方向に向けて複数配置されることにより、これら上下方向に向けて配置された複数の燃料電池スタックによって構成される燃料電池スタック群を複数有しており、上記改質器は、これら燃料電池スタック群に挟まれた位置に配設されていることを特徴としている。   The invention described in claim 4 is the operation method of the solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the fuel cell stack includes the reformer, the steam generator, and the It is installed in the inner can body together with the starter reformer, and a heat insulating material is disposed on the outer periphery of the inner can body, and a plurality of the fuel cell stacks are arranged in a plane in the inner can body. A plurality of fuel cell stack groups constituted by a plurality of fuel cell stacks arranged in the vertical direction by being arranged in a plurality in the vertical direction. It is arranged at a position sandwiched between battery stack groups.

請求項1に記載の発明の固体酸化物形燃料電池の運転方法によれば、発電セルの温度Xが300℃以上かつ上記改質器中の上記改質ガスの最高温度Yが550℃以下の場合に、発電セルの温度Xから改質ガスの最高温度Yを引いた差が100℃以内になるように加熱手段によって改質器内の改質ガスを加熱制御することによって、改質器の温度が低いことによる吸熱を伴う改質反応速度の低下を防止して、300℃以上となっている発電セルにおける燃料極層が外部雰囲気中の酸素などによって酸化されることを防止できる。   According to the operation method of the solid oxide fuel cell of the first aspect of the invention, the temperature X of the power generation cell is 300 ° C. or higher and the maximum temperature Y of the reformed gas in the reformer is 550 ° C. or lower. In this case, the reformer gas in the reformer is controlled by heating so that the difference obtained by subtracting the maximum reformed gas temperature Y from the temperature X of the power generation cell is within 100 ° C. It is possible to prevent the reforming reaction rate from decreasing due to the low temperature, and to prevent the fuel electrode layer in the power generation cell having a temperature of 300 ° C. or higher from being oxidized by oxygen or the like in the external atmosphere.

これに加えて、燃料ガスとしてメタン89.6vol%、エタン5.6vol%、プロパン3.4vol%、ブタン1.4vol%を含有する都市ガスを0.0141NL/min以上、上記都市ガス中のカーボンに対して水を水蒸気(S)/カーボン(C)のモル比が12.0以上になるようにそれぞれ供給した場合の平衡組成に相当する水素量が発電セルの面積100cm2当たりに対して導入されるように上記燃料ガスおよび上記水を供給することによって、燃料ガスや水の不足による水素生成量の不足を防止して、300℃以上となっている発電セルにおける燃料極層が外部雰囲気中の酸素などによって酸化されることを防止できる。
従って、窒素ガスや水素ガスを供給せずとも、未改質の燃料ガスの供給による燃料極層の酸化を防止できる。
In addition to this, a city gas containing 89.6 vol% methane, 5.6 vol% ethane, 3.4 vol% propane, and 1.4 vol% butane as fuel gas is 0.0141 NL / min or more, and carbon in the city gas. The amount of hydrogen corresponding to the equilibrium composition when water is supplied so that the molar ratio of water vapor (S) / carbon (C) is 12.0 or more is introduced per 100 cm 2 area of the power generation cell. By supplying the fuel gas and the water as described above, the shortage of hydrogen generation due to the shortage of the fuel gas or water is prevented, and the fuel electrode layer in the power generation cell having a temperature of 300 ° C. or higher is in the external atmosphere. It can be prevented from being oxidized by oxygen.
Therefore, oxidation of the fuel electrode layer due to the supply of unreformed fuel gas can be prevented without supplying nitrogen gas or hydrogen gas.

他方、請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池の運転方法によれば、発電セルの温度Xが300℃以上かつ上記改質器中の上記改質ガスの最高温度Yが550℃を超える温度の場合には、改質器によって十分に改質を行うことができるため、都市ガスを0.0141NL/min以上、水を水蒸気(S)/カーボン(C)のモル比が12.0以上になるようにそれぞれ供給した場合の平衡組成に相当する水素量が発電セルの面積100cm2当たりに対して導入されるように上記燃料ガスおよび上記水を供給することによって、燃料ガスや水の不足による水素生成量の不足を防止して、窒素ガスや水素ガスを別途供給せずとも、300℃以上となっている発電セルにおける燃料極層が外部雰囲気中の酸素などによって酸化されることを防止できる。 On the other hand, according to the operation method of the solid oxide fuel cell according to claim 2, the temperature X of the power generation cell is 300 ° C. or more and the maximum temperature Y of the reformed gas in the reformer exceeds 550 ° C. In the case of temperature, since reforming can be sufficiently performed by the reformer, the molar ratio of city gas to 0.0141 NL / min or more and water to steam (S) / carbon (C) is 12.0 or more. When the fuel gas and the water are supplied so that the amount of hydrogen corresponding to the equilibrium composition is supplied per 100 cm 2 area of the power generation cell, Prevents the shortage of hydrogen production due to oxygen and prevents the fuel electrode layer in the power generation cell at 300 ° C or higher from being oxidized by oxygen in the external atmosphere without separately supplying nitrogen gas or hydrogen gas so That.

特に、請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池の運転方法によれば、起動用改質器を改質器の下流側に別途設け、この起動用改質器を起動用加熱手段に臨む位置に設置することによって、装置全体の温度が低い起動時の改質器中の改質ガスの最高温度Yが低い場合にも簡易に加熱することができる。   In particular, according to the operation method of the solid oxide fuel cell according to claim 3, the start-up reformer is separately provided on the downstream side of the reformer, and this start-up reformer faces the start-up heating means. By installing in the position, even when the maximum temperature Y of the reformed gas in the reformer at the start-up when the temperature of the entire apparatus is low, heating can be easily performed.

さらに、請求項4に記載の固体酸化物形燃料電池の運転方法によれば、燃料電池スタックが起動用改質器などとともに内部缶体内に設置され、かつ内部缶体の外周に断熱材が配設されていることから、起動時にも起動用加熱手段や発電セル内における電極反応により放出される熱などによって内部缶体内の温度が効率的に昇温して、酸素ガスや改質ガスも加熱でき、発電開始までの時間を短くすることができる。
また、上下方向に向けて配置された複数の燃料電池スタックにより構成される燃料電池スタック群を有し、これら燃料電池スタック群に挟まれた位置に改質器を配置したため、燃料電池スタックからの放熱によって効率的に改質器が加熱されることから、起動から発電開始までの時間を短縮して、起動用加熱手段の作動時間を短くすることにより、燃料電池の起動に必要以上のエネルギーが使用されてしまうことを防止できる。加えて、改質器における改質反応が吸熱反応であるため、内部缶体内で最も温度が高くなる燃料電池スタックに挟まれた位置に改質器を設置することにより、内部缶体内の温度分布の差を少なくすることができ、温度差によって熱ひずみが生じることによる固体電解質層の破損なども予防することができる。
Furthermore, according to the method of operating a solid oxide fuel cell according to claim 4, the fuel cell stack is installed in the inner can body together with the start-up reformer and the like, and a heat insulating material is arranged on the outer periphery of the inner can body. Therefore, even during startup, the temperature inside the internal can is efficiently raised by the heating means for startup and the heat released by the electrode reaction in the power generation cell, and the oxygen gas and reformed gas are also heated. It is possible to shorten the time until the start of power generation.
In addition, the fuel cell stack group includes a plurality of fuel cell stacks arranged in the vertical direction, and the reformer is disposed at a position sandwiched between the fuel cell stack groups. Since the reformer is efficiently heated by heat radiation, the time from startup to the start of power generation is shortened, and the operating time of the heating means for startup is shortened. It can be prevented from being used. In addition, since the reforming reaction in the reformer is an endothermic reaction, the temperature distribution in the inner can is obtained by installing the reformer at a position sandwiched between the fuel cell stacks where the temperature is highest in the inner can. It is possible to reduce the difference between the solid electrolyte layers and prevent the solid electrolyte layer from being damaged due to thermal distortion caused by the temperature difference.

本発明に係る平板積層型の固体酸化物形燃料電池の平面図である。1 is a plan view of a flat plate type solid oxide fuel cell according to the present invention. 図1におけるII−II線矢視図である。It is the II-II arrow directional view in FIG. 図1におけるIII−III線矢視図である。It is the III-III arrow directional view in FIG. 本発明に係る平板積層型の固体酸化物形燃料電池における燃料ガス供給ラインの説明図である。It is explanatory drawing of the fuel gas supply line in the flat plate type solid oxide fuel cell which concerns on this invention. 燃料電池スタック10の一部説明図である。2 is a partial explanatory diagram of a fuel cell stack 10. FIG. セパレータ2の平面図である。3 is a plan view of a separator 2. FIG. 起動用空気加熱器51の説明図である。It is explanatory drawing of the air heater 51 for starting. 起動用改質器の出口温度と各ガスの流量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the exit temperature of the reformer for starting, and the flow volume of each gas.

以下、本発明に係る平板積層型の固体酸化物形燃料電池の運転方法について説明するに際して、まず、この固体酸化物形燃料電池の実施形態を図1〜図7を用いて説明する。   Hereinafter, in describing the operation method of a flat plate type solid oxide fuel cell according to the present invention, an embodiment of the solid oxide fuel cell will be described with reference to FIGS.

本実施形態に係る燃料電池は、図5に示すように、固体電解質層11の一方の面に燃料極層12が配置されるとともに、他方の面に空気極層(酸化剤極層)13が配置された発電セル16を、セパレータ2を介して複数積層した外観視略矩形柱状の燃料電池スタック10を有して構成されている。
また、発電セル16の燃料極層12とセパレータ2との間には、燃料極集電体14が配置されるとともに、空気極層13とセパレータ2との間には、空気極集電体15が配置されている。
In the fuel cell according to this embodiment, as shown in FIG. 5, the fuel electrode layer 12 is disposed on one surface of the solid electrolyte layer 11 and the air electrode layer (oxidant electrode layer) 13 is disposed on the other surface. The fuel cell stack 10 is configured to have a substantially rectangular columnar shape as viewed from the outside, in which a plurality of the power generation cells 16 arranged are stacked via the separator 2.
A fuel electrode current collector 14 is disposed between the fuel electrode layer 12 and the separator 2 of the power generation cell 16, and an air electrode current collector 15 is disposed between the air electrode layer 13 and the separator 2. Is arranged.

ここで、この固体電解質層11は、イットリアを添加した安定化ジルコニア(YSZ)あるいはランタンガレート材料(LaGaO3)等で円板状に構成され、燃料極層12はNi等の金属あるいはNi−YSZ等のサーメットで円状に形成され、空気極層13はLaMnO3、LaCoO3等で円状に形成されている。また、燃料極集電体14はNi等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で円形に構成され、空気極集電体15はAg等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で円形に構成されている。 Here, the solid electrolyte layer 11 is formed in a disk shape with a stabilized zirconia (YSZ) or lanthanum gallate material (LaGaO 3 ) to which yttria is added, and the fuel electrode layer 12 is made of a metal such as Ni or Ni—YSZ. The air electrode layer 13 is formed in a circular shape with LaMnO 3 , LaCoO 3 or the like. The fuel electrode current collector 14 is formed in a circular shape with a sponge-like porous sintered metal plate such as Ni, and the air electrode current collector 15 is formed in a circular shape with a sponge-like porous sintered metal plate such as Ag. Has been.

さらに、セパレータ2は、図6に示すように、厚さ数mmの略方形状のステンレス製の板材で構成されており、上述した発電セル16、各集電体14、15が積層される中央のセパレータ本体21と、このセパレータ本体21より面方向に延設されて、当セパレータ本体21の対向縁部を2箇所で支持する一対のセパレータアーム24、25とで構成されている。   Further, as shown in FIG. 6, the separator 2 is made of a substantially square plate made of stainless steel having a thickness of several millimeters, and is a center where the power generation cell 16 and the current collectors 14, 15 described above are stacked. The separator main body 21 and a pair of separator arms 24 and 25 that extend in the surface direction from the separator main body 21 and support opposing edges of the separator main body 21 at two locations.

そして、セパレータ本体21は、集電体14、15を介して発電セル16間を電気的に接続すると共に、発電セル16に対して反応用ガスを供給する機能を有し、その内部に燃料ガスをセパレータ2の縁部から導入してセパレータ2の燃料極集電体14に対向する面の中央部の吐出口2xから噴出させる燃料ガス通路22と、酸化剤ガス(空気)をセパレータ2の縁部から導入してセパレータ2の空気極集電体15に対向する面の中央部の吐出口2yから噴出させる酸化剤ガス通路23とを有する。   The separator body 21 has a function of electrically connecting the power generation cells 16 via the current collectors 14 and 15 and supplying a reaction gas to the power generation cells 16. Is introduced from the edge of the separator 2 and ejected from the discharge port 2x at the center of the surface of the separator 2 facing the anode current collector 14, and the oxidant gas (air) is fed to the edge of the separator 2. And an oxidant gas passage 23 ejected from the discharge port 2y in the center of the surface of the separator 2 that faces the air electrode current collector 15 of the separator 2.

また、各セパレータアーム24、25は、それぞれセパレータ本体21の外周辺に沿って僅かな隙間を持って対向角隅部に延設される細長帯状として積層方向に可撓性を持たせた構造とされると共に、これらセパレータアーム24、25の端部26、27に板厚方向に貫通する一対のガス孔28x、28yが設けてある。
一方のガス孔28xはセパレータ2の燃料ガス通路22に連通し、他方のガス孔28yはセパレータ2の酸化剤ガス通路23に連通し、各々のガス孔28x、28yからこれらのガス通路22、23を通して各発電セル16の各電極12、13面に燃料ガスや酸化剤ガスを供給するようになっている。
Each separator arm 24, 25 has a structure in which it is flexible in the laminating direction as an elongated band extending to the opposite corner with a slight gap along the outer periphery of the separator body 21. In addition, a pair of gas holes 28x and 28y penetrating in the plate thickness direction are provided in the end portions 26 and 27 of the separator arms 24 and 25, respectively.
One gas hole 28x communicates with the fuel gas passage 22 of the separator 2, and the other gas hole 28y communicates with the oxidant gas passage 23 of the separator 2. The gas passages 28x, 28y are connected to the gas passages 22, 23, respectively. The fuel gas and the oxidant gas are supplied to the surfaces of the electrodes 12 and 13 of the power generation cells 16 through the through holes.

そして、各セパレータ2の本体21間にそれぞれ発電セル16および集電体14、15を介在させるとともに、各セパレータ2のガス孔28x、28y間に各々絶縁性のマニホールドリング29を介在させることによって、ガス孔28xおよびマニホールドリング29によって構成された燃料ガスマニホールド48と、ガス孔28yおよびマニホールドリング29によって構成された空気マニホールド54とを有する外観視略矩形柱状の燃料電池スタック10が構成される。   Then, by interposing the power generation cell 16 and the current collectors 14 and 15 between the main bodies 21 of the separators 2 and interposing the insulating manifold rings 29 between the gas holes 28x and 28y of the separators 2 respectively, A fuel cell stack 10 having a substantially rectangular columnar shape in appearance is formed, which includes a fuel gas manifold 48 formed by the gas holes 28x and the manifold ring 29 and an air manifold 54 formed by the gas holes 28y and the manifold ring 29.

このようにして構成された燃料電池スタック10は、矩形筒状の側板3aと天板と底板とによって構成された内部缶体3内の中央部に、縦横方向に複数行(本実施形態においては2行)複数列(本実施形態においては2列)に並べて多数配置されるとともに、各燃料電池スタック10が外周面を側板3a面と平行に、かつ互いの間に隙間を空けて、架台33に載置された状態で配置される。これにより、平面的に多数(本実施形態においては4個)配置され、さらに、上下高さ方向にも複数(本実施形態においては4個)配置されることによって、内部缶体3内には、上下高さ方向に向けて配置された複数の燃料電池スタック10によって構成される燃料電池スタック群1a〜1dが配置されている。   The fuel cell stack 10 thus configured has a plurality of rows in the vertical and horizontal directions (in the present embodiment, in the central portion in the inner can body 3 constituted by the rectangular cylindrical side plate 3a, the top plate, and the bottom plate. 2 rows) A plurality of columns (two columns in this embodiment) are arranged side by side, and the fuel cell stacks 10 are arranged in parallel with the side plate 3a surface with a gap between them, and the gantry 33 It is arranged in a state where it is placed on. As a result, a large number (four in the present embodiment) are arranged in a plane, and a plurality (four in the present embodiment) are also arranged in the vertical height direction. The fuel cell stack groups 1a to 1d constituted by a plurality of fuel cell stacks 10 arranged in the vertical height direction are arranged.

そして、これらのスタック群1a〜1dの隙間には、横断面十字状の改質器45が配置されており、この改質器45は、最上段の燃料電池スタック10同士の間から最下段の燃料電池スタック10同士の間まで延在する高さを有している。
一方、内部缶体3の一方の対向側板3aに沿って、直方体状の筺体からなる2つの燃料熱交換器44a、44bが配設されており、これらの燃料熱交換器44a、44bは、それぞれ2つのスタック群1aおよび1b、または1cおよび1dに対向するように配設されている。そして、これらの燃料熱交換器44a、44bの導入側には、それぞれ内部缶体3の外部に燃料ガスの導入口を有する燃料配管39が接続されるとともに、燃料熱交換器44a、44bの排出側は、それぞれ改質器45に接続されている。
そして、改質器45は、その横断面中心から燃料熱交換器44a、44bに向けて延在する翼部45a、45bの各端部における天井面に、それぞれ燃料配管49が接続されており、これら燃料配管49の他端部がそれぞれ燃料熱交換器44a、44bの上部に接続されている。
A reformer 45 having a cross-shaped cross section is disposed in the gap between the stack groups 1a to 1d, and the reformer 45 is located between the uppermost fuel cell stacks 10 between the lowermost fuel cell stacks 10. The fuel cell stack 10 has a height that extends to between the fuel cell stacks 10.
On the other hand, two fuel heat exchangers 44a and 44b made of a rectangular parallelepiped casing are disposed along one opposing side plate 3a of the inner can body 3, and these fuel heat exchangers 44a and 44b are respectively The two stack groups 1a and 1b or 1c and 1d are arranged so as to face each other. The fuel heat exchangers 44a and 44b are connected to a fuel pipe 39 having a fuel gas inlet on the outside of the internal can body 3, and discharged from the fuel heat exchangers 44a and 44b. Each side is connected to a reformer 45.
The reformer 45 has a fuel pipe 49 connected to the ceiling surface at each end of the blades 45a and 45b extending from the center of the cross section toward the fuel heat exchangers 44a and 44b. The other ends of these fuel pipes 49 are connected to the upper portions of the fuel heat exchangers 44a and 44b, respectively.

また、内部缶体3は、外周が断熱材31によって覆われており、4枚の側板3aには、それぞれ幅方向中央部、かつ上下方向中央部に、缶体内に向けて放熱する起動用の赤外線バーナ(加熱手段)6a〜6dが背面側を断熱材31に埋設した状態で設置されている。
そして、これら4基の赤外線バーナ6a〜6dは、各々図7に示すように、細長箱形に形成されたSUS製の内箱61と、その前面開口部に取り付けられた多孔質セラミックス製板材の燃焼プレート66と、内箱61の背面部に形成されたガス導入口63に接続されたバーナ用燃焼ガスを供給する供給配管67とによって構成されている。この内箱61は、その背面部に一回り大きい同形状のSUS製の外箱62が重ねられるとともに、これら内箱61と外箱62は、それぞれの周縁部に設けたフランジ61m、62mが重なり合って一体的に固定されることにより、両者の間に空気流路69が形成されている。
Moreover, the outer periphery of the inner can body 3 is covered with a heat insulating material 31, and the four side plates 3 a are respectively activated for starting to dissipate heat toward the can body in the center portion in the width direction and the center portion in the vertical direction. Infrared burners (heating means) 6 a to 6 d are installed with the back side embedded in the heat insulating material 31.
These four infrared burners 6a to 6d are each made of an SUS inner box 61 formed in an elongated box shape and a porous ceramic plate attached to the front opening thereof, as shown in FIG. A combustion plate 66 and a supply pipe 67 for supplying combustion gas for burners connected to a gas inlet 63 formed on the back surface of the inner box 61 are configured. The inner box 61 has a SUS outer box 62 of the same shape that is slightly larger on the back surface thereof, and the inner box 61 and the outer box 62 are overlapped with flanges 61m and 62m provided at the respective peripheral edges. As a result, the air channel 69 is formed between the two.

加えて、外箱62の長手一端部における空気流路69の導入口には、内部缶体3外部に空気導入口を有する空気配管64が接続され、かつ空気流路69の他端部は、空気配管65を介して後述の空気熱交換器52a、52bの導入側に接続されている。
これによって、この供給配管67から混合ガスが供給されることにより、内箱61は混合ガスが充満した燃焼用の混合ガス室として機能するとともに、起動時に空気配管64から空気流路69に空気が供給されることにより、空気流路69の空気が加熱されることから、各赤外線バーナ6a〜6dと外箱62とによってそれぞれ起動用空気加熱器51a〜51dが構成される。また、各外箱62は、それぞれ赤外線バーナ6a〜6dの冷却機構としても機能する。
In addition, an air pipe 64 having an air introduction port outside the internal can body 3 is connected to the introduction port of the air flow channel 69 at one longitudinal end of the outer box 62, and the other end of the air flow channel 69 is It is connected to the introduction side of air heat exchangers 52a and 52b, which will be described later, via an air pipe 65.
Thus, when the mixed gas is supplied from the supply pipe 67, the inner box 61 functions as a mixed gas chamber for combustion filled with the mixed gas, and air is supplied from the air pipe 64 to the air flow path 69 at the time of activation. Since the air in the air flow path 69 is heated by being supplied, each of the infrared burners 6a to 6d and the outer box 62 constitute activation air heaters 51a to 51d, respectively. Each outer box 62 also functions as a cooling mechanism for the infrared burners 6a to 6d.

そして、この赤外線バーナ6a、6cの燃焼プレート66と、上記燃料熱交換器44a、44bとの間には、直方体状の筺体からなる起動用水蒸気発生器43a、43bが配設されており、この起動用水蒸気発生器43a、43bは、燃焼プレート66からの輻射熱を効率的に吸収すべく、側面視において燃焼プレート66と重なる位置、特に、本実施形態においては水蒸気発生器43a、43bの上下方向中央部に燃焼プレート66が位置するように配置されている。
そして、この起動用水蒸気発生器43a、43bは、それぞれ排出側が図示されない水蒸気配管を介して燃料配管39に接続されているとともに、それぞれ導入側に水蒸気バッファタンク42がその上流側に水蒸気発生器41を配して接続されている。
Between the combustion plates 66 of the infrared burners 6a and 6c and the fuel heat exchangers 44a and 44b, start-up steam generators 43a and 43b each having a rectangular parallelepiped enclosure are disposed. The start-up steam generators 43a and 43b overlap with the combustion plate 66 in a side view, particularly in the vertical direction of the steam generators 43a and 43b in this embodiment, so as to efficiently absorb the radiant heat from the combustion plate 66. The combustion plate 66 is disposed at the center.
The start-up steam generators 43a and 43b are connected to the fuel pipe 39 through a steam pipe (not shown) on the discharge side, respectively, and a steam buffer tank 42 on the introduction side and a steam generator 41 on the upstream side, respectively. Are connected.

他方、内部缶体3の他方の対向側板3aに沿って、直方体状の筺体からなる2つの空気熱交換器52a、52bが配設されており、これらの空気熱交換器52a、52bは、それぞれ2つの燃料電池スタック群1bおよび1c、または1dおよび1aに対向するように配設されている。そして、これらの空気熱交換器52a、52bの上部に接続された空気配管56の他端部は、それぞれ燃料電池スタック群1aおよび1b、または1cおよび1dに酸化剤ガスを供給する空気バッファタンク53a、53bに接続されている。従って、空気バッファタンク53a、53bの導入側には、各々空気熱交換器52a、52bが接続され、さらに、内部缶体3の外部に空気の導入口を有する空気配管59がそれぞれ接続されている。   On the other hand, two air heat exchangers 52a and 52b made of a rectangular parallelepiped casing are disposed along the other opposing side plate 3a of the inner can body 3, and these air heat exchangers 52a and 52b are respectively Two fuel cell stack groups 1b and 1c, or 1d and 1a are arranged so as to face each other. The other ends of the air pipes 56 connected to the upper portions of these air heat exchangers 52a and 52b are air buffer tanks 53a for supplying an oxidant gas to the fuel cell stack groups 1a and 1b or 1c and 1d, respectively. , 53b. Accordingly, air heat exchangers 52a and 52b are connected to the introduction side of the air buffer tanks 53a and 53b, respectively, and further, an air pipe 59 having an air inlet is connected to the outside of the internal can body 3. .

また、各空気熱交換器52a、52bと、赤外線バーナ6b、6dの燃焼プレート66との間には、それぞれ直方体状の筺体からなる起動用改質器46a、46bが配設されており、各起動用改質器46a、46bは、それぞれ燃焼プレート66からの輻射熱を効率的に吸収すべく、側面視において燃焼プレート66と重なる位置、特に、本実施形態においては起動用改質器46a、46bの上下方向中央部に燃焼プレート66が位置するように配置されている。そして、各起動用改質器46a、46bの下部には、各々改質器45の下部の排出口に接続された燃料配管(図示を略す)の他端部が接続されており、各起動用改質器46a、46bの上部の排出口に接続された燃料配管(図示を略す)の他端部は、それぞれ燃料電池スタック群1bおよび1c、または1dおよび1aに燃料ガスを供給する燃料バッファタンク47a、47bにそれぞれ接続されている。   Further, between the air heat exchangers 52a and 52b and the combustion plates 66 of the infrared burners 6b and 6d, start-up reformers 46a and 46b each having a rectangular parallelepiped enclosure are disposed, The start-up reformers 46a and 46b each overlap with the combustion plate 66 in a side view so as to efficiently absorb the radiant heat from the combustion plate 66, particularly in this embodiment, the start-up reformers 46a and 46b. The combustion plate 66 is disposed so as to be positioned at the center in the vertical direction. The lower ends of the start reformers 46a and 46b are connected to the other ends of fuel pipes (not shown) connected to the discharge ports at the lower portions of the reformers 45, respectively. A fuel buffer tank for supplying fuel gas to the fuel cell stack groups 1b and 1c or 1d and 1a, respectively, is connected to the other ends of the fuel pipes (not shown) connected to the upper discharge ports of the reformers 46a and 46b. 47a and 47b, respectively.

これにより、燃料ガスの導入口を有する燃料配管39と、燃料熱交換器44a、44b、改質器45、起動用改質器46a、46bおよび燃料バッファタンク47a、47bを上流側から下流側に向けて順に接続して、各燃料電池スタック10に燃料ガスを改質した改質ガスを供給する配管49などの燃料配管とによって燃料ガス供給ライン40が構成されている。また、上流側から下流側に向けて、水蒸気発生器41、水蒸気バッファタンク42および起動用水蒸気発生器43a、43bを順に接続して、燃料ガス供給ライン40に水蒸気を供給する水蒸気配管によって水蒸気供給ライン60が構成されている。
他方、空気の導入口を有する空気配管64と、起動用空気加熱器51a〜51d、空気熱交換器52a、52bおよび空気バッファタンク53a、53bを上流側から下流側に向けて順に接続して、空気を各燃料電池スタック10に供給する配管65、56などの空気配管とによって起動時空気供給ライン50が構成されている。また、空気の導入口を有する空気配管59と、空気バッファタンク53a、53bおよび燃料電池スタック10を接続する空気配管とによって運転時空気供給ライン55が構成されている。
As a result, the fuel pipe 39 having the fuel gas inlet, the fuel heat exchangers 44a and 44b, the reformer 45, the start-up reformers 46a and 46b, and the fuel buffer tanks 47a and 47b are moved from the upstream side to the downstream side. A fuel gas supply line 40 is configured by fuel pipes such as a pipe 49 that supplies the reformed gas obtained by reforming the fuel gas to each fuel cell stack 10 in order. Further, the steam generator 41, the steam buffer tank 42, and the startup steam generators 43a and 43b are connected in order from the upstream side to the downstream side, and the steam is supplied by the steam pipe for supplying the steam to the fuel gas supply line 40. Line 60 is configured.
On the other hand, the air pipe 64 having an air inlet, the activation air heaters 51a to 51d, the air heat exchangers 52a and 52b, and the air buffer tanks 53a and 53b are connected in order from the upstream side to the downstream side, The start-up air supply line 50 is constituted by air pipes such as pipes 65 and 56 that supply air to each fuel cell stack 10. In addition, an air supply line 55 during operation is configured by the air pipe 59 having an air inlet and the air pipe connecting the air buffer tanks 53 a and 53 b and the fuel cell stack 10.

次いで、本発明に係る上記固体酸化物形燃料電池の運転方法について説明する。
燃料電池を起動する際に、まず、供給配管67にバーナ燃料ガスを供給して、赤外線バーナ6a〜6dを点火する。これと並行して、燃料ガスを燃料配管39の導入口から燃料ガス供給ライン40に、純水を水蒸気供給ライン60に、外部空気を空気配管64の導入口から起動時空気供給ライン50にそれぞれ供給し、かつ水蒸気発生器41を作動させる。
Next, a method for operating the solid oxide fuel cell according to the present invention will be described.
When starting the fuel cell, first, the burner fuel gas is supplied to the supply pipe 67 to ignite the infrared burners 6a to 6d. In parallel with this, fuel gas is supplied from the inlet of the fuel pipe 39 to the fuel gas supply line 40, pure water is supplied to the water vapor supply line 60, and external air is supplied from the inlet of the air pipe 64 to the startup air supply line 50. Supply and actuate the steam generator 41.

すると、赤外線バーナ6a〜6dの燃焼プレート66からの放熱により、漸次燃焼電池スタック10が昇温するとともに、内部缶体3内の温度も上昇する。それと同時に、水蒸気発生器41の作動により水蒸気供給ライン60を通じて供給される水蒸気は、水蒸気バッファタンク42で加熱されつつ二分されて、起動用水蒸気発生器43a、43bに供給される。次いで、この起動用水蒸気発生器43a、43bにおいて赤外線バーナ6a、6cによって十分に加熱されて燃料ガス供給ライン40に供給されて、燃料配管39の排出側において燃料ガスと混合される。
一方、燃料ガス供給ライン40に供給された燃料ガスは、燃料配管39の導入側において二分された後に、それぞれ水蒸気供給ライン60から供給された水蒸気と混合されつつ燃料熱交換器44a、44bに供給されて、内部缶体3内の温度雰囲気によって間接的に加熱され、次いで燃料配管49を通じて翼部45aと45bとからそれぞれ改質器45に導入される。
Then, the heat from the combustion plate 66 of the infrared burners 6a to 6d gradually raises the temperature of the combustion battery stack 10, and the temperature in the inner can 3 also rises. At the same time, the water vapor supplied through the water vapor supply line 60 by the operation of the water vapor generator 41 is divided into two while being heated in the water vapor buffer tank 42 and supplied to the activation water vapor generators 43a and 43b. Next, the starting steam generators 43a and 43b are sufficiently heated by the infrared burners 6a and 6c, supplied to the fuel gas supply line 40, and mixed with the fuel gas on the discharge side of the fuel pipe 39.
On the other hand, the fuel gas supplied to the fuel gas supply line 40 is divided into two on the introduction side of the fuel pipe 39, and then supplied to the fuel heat exchangers 44a and 44b while being mixed with the water vapor supplied from the water vapor supply line 60, respectively. Then, it is indirectly heated by the temperature atmosphere in the inner can body 3 and then introduced into the reformer 45 through the fuel pipe 49 from the blade portions 45a and 45b.

これにより、燃料ガスは、改質器45において一部改質された状態で図示されない2本の燃料配管を通じて、それぞれ赤外線バーナ6b、6dによって直接的に輻射熱で加熱される起動用改質器46a、46bに供給され、次いで、起動用改質器46a、46bによって十分に改質されて改質ガスとなって燃料バッファタンク47a、47bに供給される。すると、この改質ガスは、燃料バッファタンク47a、47bから燃料電池スタック群1bおよび1c、または1dおよび1aの各燃料電池スタック10の燃料ガスマニホールド48に分散供給される。そして、燃料ガスマニホールド48からセパレータ2の燃料ガス通路22を通じて吐出口2xに至り、この吐出口2xから燃料極集電体14を拡散移動し、さらに、燃料極層12を固体電解質層11側に向けて移動する。   Thus, the fuel gas is directly reformed by radiant heat by the infrared burners 6b and 6d through two fuel pipes (not shown) in a state where the fuel gas is partially reformed in the reformer 45, respectively. , 46b, and then sufficiently reformed by the start-up reformers 46a, 46b to become reformed gas, which is then supplied to the fuel buffer tanks 47a, 47b. Then, the reformed gas is distributed and supplied from the fuel buffer tanks 47a and 47b to the fuel gas manifolds 48 of the fuel cell stack groups 1b and 1c or 1d and 1a. Then, the fuel gas manifold 48 reaches the discharge port 2x through the fuel gas passage 22 of the separator 2, the fuel electrode current collector 14 is diffused and moved from the discharge port 2x, and the fuel electrode layer 12 is moved to the solid electrolyte layer 11 side. Move towards.

その際、起動時に発電セル16の温度が300℃以上になると、燃料極層12が外部雰囲気の空気中の酸素などによって酸化される恐れがある。
そこで、発電セル16の温度Xが300℃以上であって、起動用改質器46a、46bの出口温度Yが550℃以下の場合には、発電セル16の温度Xから出口温度Yを引いた差が100℃以内になるように赤外線バーナ6b、6dによって起動用改質器46a、46b内の改質ガスを加熱制御し、かつ燃料ガスとしてメタン89.6vol%、エタン5.6vol%、プロパン3.4vol%、ブタン1.4vol%を含有する都市ガスを0.0141NL/min以上、上記都市ガス中のカーボンに対して水を水蒸気(S)/カーボン(C)のモル比が12.0以上になるようにそれぞれ供給した場合に相当する水素量が発電セル16の面積100cm2当たりに対して導入されるように燃料ガスおよび水を供給する。
At this time, if the temperature of the power generation cell 16 becomes 300 ° C. or higher at the time of startup, the fuel electrode layer 12 may be oxidized by oxygen in the air in the external atmosphere.
Therefore, when the temperature X of the power generation cell 16 is 300 ° C. or higher and the outlet temperature Y of the starter reformers 46a and 46b is 550 ° C. or lower, the outlet temperature Y is subtracted from the temperature X of the power generation cell 16. The reforming gas in the starter reformers 46a and 46b is heated and controlled by the infrared burners 6b and 6d so that the difference is within 100 ° C., and methane 89.6 vol%, ethane 5.6 vol%, propane as fuel gas The city gas containing 3.4 vol% and butane 1.4 vol% is 0.0141 NL / min or more, and the molar ratio of water vapor (S) / carbon (C) to carbon in the city gas is 12.0. The fuel gas and water are supplied so that the amount of hydrogen corresponding to the case where each is supplied as described above is introduced per 100 cm 2 of area of the power generation cell 16.

ここで、発電セル16の面積100cm2とは、固体電解質層11とその両面に配置された燃料極層12、空気極層13が全て揃って発電反応に寄与するため、固体電解質層11とその両面に配置された燃料極層12、空気極層13が全て重なる重なり面積100cm2を意味する。 Here, the area 100 cm 2 of the power generation cell 16 means that the solid electrolyte layer 11 and the fuel electrode layer 12 and the air electrode layer 13 arranged on both sides thereof all contribute to the power generation reaction. It means an overlapping area of 100 cm 2 where the fuel electrode layer 12 and the air electrode layer 13 arranged on both surfaces are all overlapped.

その後、起動用改質器46a、46bの出口温度Yが550℃を超えた場合にも、上述の都市ガスを0.0141NL/min以上、水を水蒸気(S)/カーボン(C)のモル比が12.0以上になるようにそれぞれ供給した場合に相当する水素量が発電セル16の面積100cm2当たりに対して導入されるように燃料ガスおよび水を供給する。 Thereafter, even when the outlet temperature Y of the starter reformers 46a and 46b exceeds 550 ° C., the above-mentioned city gas is 0.0141 NL / min or more, and water is water vapor (S) / carbon (C) molar ratio. There supplying fuel gas and water as the amount of hydrogen equivalent to a case of supplying each to be 12.0 or higher is introduced to the area 100 cm 2 per power generation cell 16.

これは、起動用改質器46a、46bの出口温度が改質器45、起動用改質器46a、46bにおける改質ガスの最高温度であって、その改質ガスの最高温度が550℃以上となると、図8に示すように水素が最高流量で一定に保たれる。このため、燃料ガスおよび水の供給量のみ調整すれば足りる。   This is because the outlet temperature of the starting reformers 46a and 46b is the highest temperature of the reformed gas in the reformer 45 and the starting reformers 46a and 46b, and the highest temperature of the reformed gas is 550 ° C. or higher. Then, as shown in FIG. 8, hydrogen is kept constant at the maximum flow rate. For this reason, it is sufficient to adjust only the supply amounts of fuel gas and water.

逆に、表1の試験No.6において改質器の出口温度が250℃で一定である場合には、起動時に発電セルの温度から改質器の出口温度を差し引いた温度差が100℃以内にないため、燃料極層12が酸化してしまっている。   On the contrary, the test Nos. 6, when the outlet temperature of the reformer is constant at 250 ° C., the temperature difference obtained by subtracting the outlet temperature of the reformer from the temperature of the power generation cell at the time of startup is not within 100 ° C. It has been oxidized.

なお、図8に示す起動用改質器46a、46bの出口温度に対する流量は、上述の実施形態の固体酸化物形燃料電池を用いて計測したものである。また、表1の試験は、固体電解質層11、燃料極層12、空気極層13がすべて直径120mmの単セルからなる同一構成の燃料電池を用いて、発電セル温度、改質器出口温度、都市ガス流量、純水流量、S/Cのみが変動するように89.6vol%、エタン5.6vol%、プロパン3.4vol%、ブタン1.4vol%を含有する都市ガスや純水を供給して行ったものである。発電セル温度は、セパレータに固着させた熱電対により計測したものであり、表1における燃料極層12の状態とは、燃料極層12が酸化している場合には×、一部酸化している場合には△、酸化していない場合に○として示すとともに、都市ガス流量および純水流量は単セル100cm2に換算して示した。 In addition, the flow rate with respect to the outlet temperature of the starter reformers 46a and 46b shown in FIG. 8 is measured using the solid oxide fuel cell of the above-described embodiment. Moreover, the test of Table 1 uses the fuel cell of the same structure which the solid electrolyte layer 11, the fuel electrode layer 12, and the air electrode layer 13 consist of a single cell with a diameter of 120 mm. Supply city gas and pure water containing 89.6 vol%, ethane 5.6 vol%, propane 3.4 vol%, butane 1.4 vol% so that only the city gas flow rate, pure water flow rate, and S / C change. It was done. The temperature of the power generation cell is measured by a thermocouple fixed to the separator, and the state of the fuel electrode layer 12 in Table 1 is x when the fuel electrode layer 12 is oxidized and is partially oxidized. When it is, Δ is shown, and when it is not oxidized, it is shown as ○, and the city gas flow rate and the pure water flow rate are shown in terms of single cell 100 cm 2 .

Figure 2010238527
Figure 2010238527

表1に示すように、試験No.1〜3において都市ガス流量が0.0141NL/min未満である場合に燃料極層12が酸化してしまっており、試験No.7〜8において水を水蒸気(S)/カーボン(C)のモル比が12.0未満となるように供給している場合にも燃料極層12が一部あるいは全体的に酸化してしまっていることが判る。
このようにして、メタン89.6vol%、エタン5.6vol%、プロパン3.4vol%、ブタン1.4vol%を含有する都市ガスを0.0141NL/min以上、水を水蒸気(S)/カーボン(C)のモル比が12.0以上になるようにそれぞれ供給した場合の平衡組成に相当する水素量が発電セル100cm2 当たりに対して導入されるように燃料ガスおよび水を供給することによって、燃料ガスや水の不足による水素生成量の不足を防止して、外部雰囲気中の酸素などによる燃料極層12の酸化が防止される。
As shown in Table 1, test no. 1-3, when the city gas flow rate is less than 0.0141 NL / min, the fuel electrode layer 12 has been oxidized. 7 to 8, even when water is supplied so that the molar ratio of water vapor (S) / carbon (C) is less than 12.0, the fuel electrode layer 12 is partially or wholly oxidized. I know that.
Thus, 0.0141 NL / min or more of city gas containing 89.6 vol% of methane, 5.6 vol% of ethane, 3.4 vol% of propane, and 1.4 vol% of butane, and water is steam (S) / carbon ( By supplying the fuel gas and water so that the hydrogen amount corresponding to the equilibrium composition when each is supplied so that the molar ratio of C) is 12.0 or more is introduced per 100 cm 2 of the power generation cell, The shortage of hydrogen generation due to the shortage of fuel gas or water is prevented, and the oxidation of the fuel electrode layer 12 due to oxygen or the like in the external atmosphere is prevented.

ここで、メタン89.6vol%、エタン5.6vol%、プロパン3.4vol%、ブタン1.4vol%を含有する都市ガスを0.0141NL/min以上、水を水蒸気(S)/カーボン(C)のモル比が12.0以上になるようにそれぞれ供給した場合の平衡組成に相当する水素量については、改質反応の各反応によって生成する各物質のギブスの自由エネルギーの和が最少になるようにして平衡定数求めて算出する。   Here, 0.0141 NL / min or more of city gas containing 89.6 vol% of methane, 5.6 vol% of ethane, 3.4 vol% of propane, and 1.4 vol% of butane and water as water vapor (S) / carbon (C) As for the amount of hydrogen corresponding to the equilibrium composition when the molar ratio of each is supplied so as to be 12.0 or more, the sum of the Gibbs free energy of each substance generated by each reaction of the reforming reaction is minimized. The equilibrium constant is determined and calculated.

例えば、上述の組成の都市ガスの場合には、以下の(1)〜(5)式の水蒸気改質反応とともに、(6)式のシフト反応も同時に生じる。
CH4+H2O⇔3H2+CO・・・・・・・(1)
26+2H2O⇔5H2+2CO・・・・(2)
38+3H2O⇔7H2+3CO・・・・(3)
n−C410+4H2O⇔9H2+4CO・・(4)
i−C410+4H2O⇔9H2+4CO・・(5)
CO+H2O⇔CO2+H2・・・・・・(6)
For example, in the case of city gas having the above composition, a shift reaction of the formula (6) occurs simultaneously with the steam reforming reactions of the following formulas (1) to (5).
CH 4 + H 2 O 3H 2 + CO (1)
C 2 H 6 + 2H 2 O⇔5H 2 + 2CO (2)
C 3 H 8 + 3H 2 O⇔7H 2 + 3CO (3)
n-C 4 H 10 + 4H 2 O⇔9H 2 + 4CO ·· (4)
i-C 4 H 10 + 4H 2 O 9H 2 + 4CO (5)
CO + H 2 O⇔CO 2 + H 2 (6)

そして、(1)式のメタンの水蒸気改質反応の平衡定数K(1)は、Rを気体定数、Tを絶対温度、ΔG(1)を水蒸気改質反応の自由エネルギー変化とすると以下の(7)式の通りである。
K(1)=exp(−ΔG(1)/RT)・・・・・・(7)
また、
ΔG(1)=3×ΔGf T(H2)+1×ΔGf T(CO)−(1×ΔGf T(CH4)+1×ΔGf T(H2O))・・・・・・・・・・・・・・(8)
ΔGf T=ΔHf T−T×ST・・・・・・・・・・・(9)
The equilibrium constant K (1) of the steam reforming reaction of methane in the formula (1) is as follows when R is a gas constant, T is an absolute temperature, and ΔG (1) is a change in free energy of the steam reforming reaction: 7) It is as a formula.
K (1) = exp (−ΔG (1) / RT) (7)
Also,
ΔG (1) = 3 × ΔG f T (H 2 ) + 1 × ΔG f T (CO) − (1 × ΔG f T (CH 4 ) + 1 × ΔG f T (H 2 O)) (8)
ΔG f T = ΔH f T −T × S T (9)

Figure 2010238527
Figure 2010238527

Figure 2010238527
Figure 2010238527

なお、ΔGf Tは温度T、1atmでの各物質固有のギブスの自由エネルギーであり、ΔHf Tは温度T、1atmでの各物質固有のエンタルピー、ΔHf 0は温度25℃、1atmでの各物質固有のエンタルピー、すなわち標準生成エンタルピーを意味する。また、ΔSTは温度T、1atmでの各物質固有のエントロピー、ΔS0は温度25℃、1atmでの各物質固有のエントロピーを意味する。 ΔG f T is Gibbs free energy specific to each substance at temperature T, 1 atm, ΔH f T is enthalpy specific to each substance at temperature T, 1 atm, ΔH f 0 is temperature 25 ° C., 1 atm. It means the enthalpy specific to each substance, that is, the standard production enthalpy. Further, [Delta] S T is the temperature T, the substance-specific entropy at 1 atm, [Delta] S 0 is a temperature 25 ° C., meaning each substance-specific entropy at 1 atm.

従って、(7)式に(8)〜(11)式を代入して、平衡定数を求める。同様に(2)〜(6)式の改質反応の平衡定数K(2)〜(6)についても同様に算出可能である。具体的にはFastStageやMALTなどの汎用平衡計算ソフトによって平衡定数と平衡組成を算出可能である。
その結果、H2の生成量を算出できることから、燃料ガスの成分が変わった場合にもメタン89.6vol%、エタン5.6vol%、プロパン3.4vol%、ブタン1.4vol%を含有する都市ガスを0.0141NL/min以上、水を水蒸気(S)/カーボン(C)のモル比が12.0以上になるようにそれぞれ供給した場合の平衡組成に相当する水素量に相当するか否か算出可能である。
Therefore, the equilibrium constant is obtained by substituting the equations (8) to (11) into the equation (7). Similarly, the equilibrium constants K (2) to (6) of the reforming reaction expressed by the equations (2) to (6) can be calculated in the same manner. Specifically, the equilibrium constant and the equilibrium composition can be calculated by general-purpose equilibrium calculation software such as FastStage and MALT.
As a result, the amount of H 2 produced can be calculated, so that even if the fuel gas component changes, the city contains 89.6 vol% methane, 5.6 vol% ethane, 3.4 vol% propane, and 1.4 vol% butane. Whether or not it corresponds to the amount of hydrogen corresponding to the equilibrium composition when the gas is supplied at 0.0141 NL / min or higher and the water vapor (S) / carbon (C) molar ratio is 12.0 or higher. It can be calculated.

他方、上記起動時空気供給ライン50に供給された空気は、空気配管64から各起動用空気加熱器51a〜51dに供給されて、赤外線バーナ6a〜6dを冷却しつつ直接的に加熱された後に合流して、2基の空気熱交換器52a、52bによって間接的に加熱され、その後、空気バッファタンク53a、53bに供給される。
すると、この空気は、空気バッファタンク53a、53bから燃料電池スタック群1aおよび1b、または1cおよび1dの各燃料電池スタック10の空気マニホールド54に分散供給される。そして、空気マニホールド54からセパレータ2の酸化剤ガス通路23を通じて吐出口2yに至り、この吐出口2yから空気極集電体15を拡散移動し、さらに、空気極層13において空気中の酸素が電子を受け取って酸化物イオンとなる。この酸化物イオンは、燃料極層12に向かって固体電解質層11内を拡散移動し、これによって、燃料極層12との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で改質ガスと反応して水蒸気などの反応生成物を生じ、燃料極層12に電子を放出する。
On the other hand, after the air supplied to the startup air supply line 50 is supplied from the air pipe 64 to the startup air heaters 51a to 51d and directly heated while cooling the infrared burners 6a to 6d. The two are combined and heated indirectly by the two air heat exchangers 52a and 52b, and then supplied to the air buffer tanks 53a and 53b.
Then, this air is distributed and supplied from the air buffer tanks 53a and 53b to the air manifolds 54 of the fuel cell stack groups 1a and 1b or 1c and 1d. Then, the air manifold 54 reaches the discharge port 2y through the oxidant gas passage 23 of the separator 2 and diffuses and moves the air electrode current collector 15 from the discharge port 2y. Further, oxygen in the air is converted into electrons in the air electrode layer 13. Receiving oxide ions. The oxide ions diffuse and move in the solid electrolyte layer 11 toward the fuel electrode layer 12, whereby the oxide ions that have reached the vicinity of the interface with the fuel electrode layer 12 react with the reformed gas in this portion. As a result, a reaction product such as water vapor is generated, and electrons are emitted to the fuel electrode layer 12.

このような電極反応は、起動時では空気温度や改質ガス温度が低いことに加えて、燃料電池スタック10の温度も低いために進行が遅くなるものの、内部缶体3内の温度が高くなるに連れて速くなる。
そこで、内部缶体3内の温度が高くなった発電時には、上記空気の供給を起動時空気供給ライン50から運転時空気供給ライン55に、すなわち、空気配管64から空気配管59に切り換えるとともに、赤外線バーナ6a〜6dの作動を停止する。
すると、上記空気は、空気配管59において二分されて、2基の空気バッファタンク53a、53bに供給される。次いで、起動時と同様に、空気バッファタンク53a、53bから燃料電池スタック群1aおよび1b、または1cおよび1dの各燃料電池スタック10の空気マニホールド54に分散供給されて、改質器45によって十分に改質された改質ガスと固体電解質層11の燃料極層12との界面近傍で反応する。
その際、燃料ガスは、赤外線バーナ6a〜6dの作動停止によって起動用水蒸気発生器43a、43bや起動用改質器46a、46bにおいて充分に加熱されなくても、改質器45や水蒸気バッファタンク42において充分に加熱されることから、改質ガスとなって上述のように酸化物イオンと反応する。
Such an electrode reaction progresses slowly because the temperature of the fuel cell stack 10 is low in addition to the low air temperature and reformed gas temperature at the time of startup, but the temperature in the internal can 3 increases. To get faster.
Therefore, at the time of power generation when the temperature in the internal can body 3 becomes high, the air supply is switched from the startup air supply line 50 to the operating air supply line 55, that is, from the air pipe 64 to the air pipe 59, and to the infrared ray. The operation of the burners 6a to 6d is stopped.
Then, the air is divided into two in the air pipe 59 and supplied to the two air buffer tanks 53a and 53b. Next, as in the start-up, the air buffer tanks 53a, 53b are distributed and supplied to the air manifolds 54 of the fuel cell stack groups 1a and 1b, or 1c and 1d, and the reformer 45 It reacts in the vicinity of the interface between the reformed reformed gas and the fuel electrode layer 12 of the solid electrolyte layer 11.
At that time, even if the fuel gas is not sufficiently heated in the start-up steam generators 43a, 43b and the start-up reformers 46a, 46b by stopping the operation of the infrared burners 6a-6d, the reformer 45 and the steam buffer tank Since it is sufficiently heated at 42, it becomes a reformed gas and reacts with oxide ions as described above.

本実施形態の固体酸化物形燃料電池の運転方法によれば、発電セル16の温度Xが300℃以上かつ起動用改質器46a、46b中の改質ガスの最高温度Yが550℃以下の場合に、発電セル16の温度Xから改質ガスの最高温度Yを引いた差が100℃以内になるように加熱手段によって改質器内の改質ガスを加熱制御することによって、改質器45、46a、46bの温度が低いことによる改質反応速度の低下を防止して、300℃以上となっている発電セル16における燃料極層12の外部雰囲気中の酸素などによる酸化を防止できる。   According to the operation method of the solid oxide fuel cell of this embodiment, the temperature X of the power generation cell 16 is 300 ° C. or higher, and the maximum temperature Y of the reformed gas in the starter reformers 46a and 46b is 550 ° C. or lower. In this case, the reformer in the reformer is heated and controlled by the heating means so that the difference obtained by subtracting the maximum temperature Y of the reformed gas from the temperature X of the power generation cell 16 is within 100 ° C. The reduction of the reforming reaction rate due to the low temperatures of 45, 46a, and 46b can be prevented, and oxidation due to oxygen or the like in the external atmosphere of the fuel electrode layer 12 in the power generation cell 16 at 300 ° C. or higher can be prevented.

これに加えて、発電セル16の温度Xが300℃以上の場合に、起動用改質器46a、46b中の改質ガスの最高温度Y如何に拘わらず、燃料ガスとしてメタン89.6vol%、エタン5.6vol%、プロパン3.4vol%、ブタン1.4vol%を含有する都市ガスを0.0141NL/min以上、上記都市ガス中のカーボンに対して水を水蒸気(S)/カーボン(C)のモル比が12.0以上になるようにそれぞれ供給した場合の平衡組成に相当する水素量が発電セル100cm2当たりに対して導入されるように上記燃料ガスおよび上記水を供給することによって、燃料ガスや水の不足による水素生成量の不足を防止して、300℃以上となっている発電セル16における燃料極層12が外部雰囲気中の酸素などによって酸化されることを防止できる。
従って、窒素ガスや水素ガスを供給せずとも、未改質の燃料ガスの供給による燃料極層12の酸化を防止できる。
In addition to this, when the temperature X of the power generation cell 16 is 300 ° C. or higher, 89.6 vol% of methane as the fuel gas, regardless of the maximum temperature Y of the reformed gas in the starter reformers 46a and 46b, 0.0141 NL / min or more of city gas containing 5.6 vol% of ethane, 3.4 vol% of propane, and 1.4 vol% of butane, and water is water vapor (S) / carbon (C) with respect to carbon in the city gas. By supplying the fuel gas and the water so that the amount of hydrogen corresponding to the equilibrium composition when the molar ratio of each is supplied to 12.0 or more is introduced per 100 cm 2 of the power generation cell, The shortage of hydrogen generation due to the shortage of fuel gas and water is prevented, and the fuel electrode layer 12 in the power generation cell 16 at 300 ° C. or higher is oxidized by oxygen or the like in the external atmosphere. It is possible to prevent that.
Therefore, oxidation of the fuel electrode layer 12 due to the supply of unreformed fuel gas can be prevented without supplying nitrogen gas or hydrogen gas.

さらに、本実施形態の固体酸化物形燃料電池の運転方法によれば、燃料ガス供給ライン40に起動用改質器46a、46bを介装し、水蒸気供給ライン60に起動用水蒸気発生器43a、43bを介装し、かつこれらを赤外線バーナ6a〜6dに臨む位置に設置したため、装置全体の温度が低い起動時にもバーナ6a〜6dを用いて起動用改質器46a、46bと起動用水蒸気発生器43a、43bとを加熱することができる。このため、起動時の燃料ガスなどの加熱を速やかに行うことができる。   Furthermore, according to the operation method of the solid oxide fuel cell of the present embodiment, the starter reformers 46a and 46b are interposed in the fuel gas supply line 40, and the starter steam generator 43a and the steam supply line 60 are provided. 43b and these are installed at positions facing the infrared burners 6a to 6d, so that the start-up reformers 46a and 46b and the start-up steam are generated using the burners 6a to 6d even when the temperature of the entire apparatus is low. The vessels 43a and 43b can be heated. For this reason, heating of fuel gas etc. at the time of starting can be performed rapidly.

さらに、この起動用改質器46a、46bを改質器45の下流側に設置しているため、内部缶体3内の温度変化にあわせて、瞬時に起動用改質器46a、46bに対する赤外線バーナ6b、6dによる加熱温度の調整を行うことができ、同様に、瞬時に起動用水蒸気発生器43a、43bに対する赤外線バーナ6a、6cによる加熱温度の調整を行うことができ、各燃料電池スタタック10に供給される改質ガスを必要以上に加熱せずに、必要最低限のエネルギーを使用して燃料電池を起動させることができる。   Furthermore, since the start-up reformers 46a and 46b are installed on the downstream side of the reformer 45, the infrared rays for the start-up reformers 46a and 46b are instantaneously adjusted in accordance with the temperature change in the internal can body 3. The heating temperature can be adjusted by the burners 6b and 6d. Similarly, the heating temperature by the infrared burners 6a and 6c for the activation steam generators 43a and 43b can be instantaneously adjusted. The fuel cell can be started using the minimum energy without heating the reformed gas supplied to the battery more than necessary.

固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層とが配置された発電セルを備える固体酸化物形燃料電池の運転方法として利用することができる。   The present invention can be used as a method for operating a solid oxide fuel cell including a power generation cell in which a fuel electrode layer and an air electrode layer are disposed on both surfaces of a solid electrolyte layer.

1a〜1d 燃料電池スタック群
10 燃料電池スタック
11 固体電解質層
12 燃料極層
13 空気極層(酸化剤極層)
16 発電セル
41 水蒸気発生器
43a、43b 起動用水蒸気発生器
45 改質器
46a、46b 起動用改質器
40 燃料ガス供給ライン
48 燃料ガスマニホールド
60 水蒸気供給ライン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a-1d Fuel cell stack group 10 Fuel cell stack 11 Solid electrolyte layer 12 Fuel electrode layer 13 Air electrode layer (oxidant electrode layer)
16 Power generation cell 41 Steam generator 43a, 43b Startup steam generator 45 Reformer 46a, 46b Startup reformer 40 Fuel gas supply line 48 Fuel gas manifold 60 Steam supply line

Claims (4)

固体電解質層の一方の表面に燃料極層が配置されるととともに、他方の表面に酸化剤極層が配置された発電セルを、セパレータを介して積層した燃料電池スタックと、
燃料ガスが水蒸気とともに導入されて、発電時に上記燃料電池スタックから放出された熱を吸収することによって改質ガスを生成する改質器と、
この改質器が介装されて、上記改質ガスを上記燃料電池スタックに供給する燃料ガス供給ラインと、
水が導入されて、発電時に上記燃料電池スタックから放出された熱を吸収することによって水蒸気を生成する水蒸気発生器と、
この水蒸気発生器が介装されて、上記水蒸気を上記燃料ガス供給ラインにおける上記改質器の上流側に供給する水蒸気供給ラインと、
上記改質器内の上記改質ガスを加熱可能な加熱手段とを有する固体酸化物形燃料電池の運転方法において、
上記発電セルの温度Xが300℃以上であって、上記改質器中の改質ガスの最高温度Yが550℃以下の場合には、
上記発電セルの温度Xから上記改質ガスの最高温度Yを引いた差が100℃以内になるように上記加熱手段によって上記改質器内の上記改質ガスを加熱制御し、かつ
上記燃料ガスとしてメタン89.6vol%、エタン5.6vol%、プロパン3.4vol%、ブタン1.4vol%を含有する都市ガスを0.0141NL/min以上、上記都市ガス中のカーボンに対して水を水蒸気(S)/カーボン(C)のモル比が12.0以上になるようにそれぞれ供給した場合の平衡組成に相当する水素量が上記発電セルの面積100cm2当たりに対して導入されるように上記燃料ガスおよび上記水を供給することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の運転方法。
A fuel cell stack in which a fuel electrode layer is disposed on one surface of a solid electrolyte layer, and a power generation cell in which an oxidant electrode layer is disposed on the other surface is stacked via a separator;
A reformer that generates reformed gas by introducing fuel gas together with water vapor and absorbing heat released from the fuel cell stack during power generation; and
A fuel gas supply line through which the reformer is interposed to supply the reformed gas to the fuel cell stack;
A water vapor generator that generates water vapor by absorbing heat released from the fuel cell stack when power is introduced; and
A steam supply line through which the steam generator is interposed to supply the steam to the upstream side of the reformer in the fuel gas supply line;
In a method for operating a solid oxide fuel cell having heating means capable of heating the reformed gas in the reformer,
When the temperature X of the power generation cell is 300 ° C. or higher and the maximum temperature Y of the reformed gas in the reformer is 550 ° C. or lower,
The heating gas is used to control the reformed gas in the reformer so that the difference obtained by subtracting the reformed gas maximum temperature Y from the temperature X of the power generation cell is within 100 ° C., and the fuel gas As a city gas containing methane 89.6 vol%, ethane 5.6 vol%, propane 3.4 vol%, butane 1.4 vol%, 0.0141 NL / min or more, and water with water vapor ( The fuel is so introduced that an amount of hydrogen corresponding to the equilibrium composition when the molar ratio of S) / carbon (C) is supplied to 12.0 or more is introduced per 100 cm 2 area of the power generation cell. A method for operating a solid oxide fuel cell, characterized by supplying gas and water.
固体電解質層の一方の表面に燃料極層が配置されるととともに、他方の表面に酸化剤極層が配置された発電セルを、セパレータを介して積層した燃料電池スタックと、
燃料ガスが水蒸気とともに導入されて、発電時に上記燃料電池スタックから放出された熱を吸収することによって改質ガスを生成する改質器と、
この改質器が介装されて、上記改質ガスを上記燃料電池スタックに供給する燃料ガス供給ラインと、
水が導入されて、発電時に上記燃料電池スタックから放出された熱を吸収することによって水蒸気を生成する水蒸気発生器と、
この水蒸気発生器が介装されて、上記水蒸気を上記燃料ガス供給ラインにおける上記改質器の上流側に供給する水蒸気供給ラインと、
上記改質器内の改質ガスを加熱可能な加熱手段とを有する固体酸化物形燃料電池の運転方法において、
上記発電セルの温度Xが300℃以上であって上記改質器中の上記改質ガスの最高温度Yが550℃を超える温度の場合には、
上記燃料ガスとしてメタン89.6vol%、エタン5.6vol%、プロパン3.4vol%、ブタン1.4vol%を含有する都市ガスを0.0141NL/min以上、上記都市ガス中のカーボンに対して水を水蒸気(S)/カーボン(C)のモル比が12.0以上になるようにそれぞれ供給した場合の平衡組成に相当する水素量が上記発電セルの面積100cm2当たりに対して導入されるように上記燃料ガスおよび上記水を供給することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の運転方法。
A fuel cell stack in which a fuel electrode layer is disposed on one surface of a solid electrolyte layer, and a power generation cell in which an oxidant electrode layer is disposed on the other surface is stacked via a separator;
A reformer that generates reformed gas by introducing fuel gas together with water vapor and absorbing heat released from the fuel cell stack during power generation; and
A fuel gas supply line through which the reformer is interposed to supply the reformed gas to the fuel cell stack;
A water vapor generator that generates water vapor by absorbing heat released from the fuel cell stack when power is introduced; and
A steam supply line through which the steam generator is interposed to supply the steam to the upstream side of the reformer in the fuel gas supply line;
In a method for operating a solid oxide fuel cell having heating means capable of heating the reformed gas in the reformer,
When the temperature X of the power generation cell is 300 ° C. or higher and the maximum temperature Y of the reformed gas in the reformer exceeds 550 ° C.,
A city gas containing 89.6 vol% methane, 5.6 vol% ethane, 3.4 vol% propane, and 1.4 vol% butane as the fuel gas is 0.0141 NL / min or more, and water relative to the carbon in the city gas. Is introduced with respect to an area of 100 cm 2 of the power generation cell, when hydrogen is supplied so that the molar ratio of water vapor (S) / carbon (C) is 12.0 or more. A method for operating a solid oxide fuel cell, wherein the fuel gas and the water are supplied to the fuel cell.
上記燃料ガス供給ラインには、上記改質器の下流側に起動用改質器が介装されるとともに、上記起動用改質器は、上記加熱手段である起動時に作動する起動用加熱手段に臨む位置に設置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の固体酸化物形燃料電池の運転方法。   The fuel gas supply line is provided with a start-up reformer downstream of the reformer, and the start-up reformer serves as a start-up heating means that operates at start-up, which is the heating means. The solid oxide fuel cell operating method according to claim 1, wherein the solid oxide fuel cell operating method is installed at a position facing it. 上記燃料電池スタックは、上記改質器、上記水蒸気発生器および上記起動用改質器とともに内部缶体内に設置され、かつこの内部缶体の外周に断熱材が配設されており、
上記内部缶体内には、上記燃料電池スタックが平面的に複数配置されるとともに、上下方向に向けて複数配置されることにより、これら上下方向に向けて配置された複数の燃料電池スタックによって構成される燃料電池スタック群を複数有しており、
上記改質器は、これら燃料電池スタック群に挟まれた位置に配設されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池の運転方法。
The fuel cell stack is installed in an inner can body together with the reformer, the steam generator and the starter reformer, and a heat insulating material is disposed on the outer periphery of the inner can body,
A plurality of the fuel cell stacks are arranged in a plane in the inner can body, and a plurality of fuel cell stacks are arranged in the vertical direction, thereby being constituted by a plurality of fuel cell stacks arranged in the vertical direction. Multiple fuel cell stack groups
4. The method for operating a solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the reformer is disposed at a position sandwiched between the fuel cell stack groups.
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