JP2010238527A - Method for operating solid oxide fuel battery - Google Patents
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Abstract
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.
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
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
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
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
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.
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
A fuel electrode
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
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
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
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
One
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
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
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
On the other hand, two
The
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
These four
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
Thus, when the mixed gas is supplied from the
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
The start-up
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
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
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
On the other hand, the
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
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
On the other hand, the fuel gas supplied to the fuel
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
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
Therefore, when the temperature X of the
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
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
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
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
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
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
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)
C2H6+2H2O⇔5H2+2CO・・・・(2)
C3H8+3H2O⇔7H2+3CO・・・・(3)
n−C4H10+4H2O⇔9H2+4CO・・(4)
i−C4H10+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⇔
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)
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
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
Then, this air is distributed and supplied from the
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
Therefore, at the time of power generation when the temperature in the
Then, the air is divided into two in the
At that time, even if the fuel gas is not sufficiently heated in the start-up
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
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
Therefore, oxidation of the
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
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
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
16
Claims (4)
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.
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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