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JP2004119299A - Fuel cell system - Google Patents

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Publication number
JP2004119299A
JP2004119299A JP2002284024A JP2002284024A JP2004119299A JP 2004119299 A JP2004119299 A JP 2004119299A JP 2002284024 A JP2002284024 A JP 2002284024A JP 2002284024 A JP2002284024 A JP 2002284024A JP 2004119299 A JP2004119299 A JP 2004119299A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
fuel
air
temperature
flow path
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2002284024A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hiroaki Takeuchi
竹内 弘明
Masahiro Kuroishi
黒石 正宏
Susumu Aikawa
相川 進
Takeshi Saito
斎藤 健
Toshiya Abe
阿部 俊哉
Kosaku Fujinaga
藤永 幸作
Kentaro Suzuki
鈴木 賢太郎
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.)
Toto Ltd
Original Assignee
Toto Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toto Ltd filed Critical Toto Ltd
Priority to JP2002284024A priority Critical patent/JP2004119299A/en
Publication of JP2004119299A publication Critical patent/JP2004119299A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system with an excellent start-up property capable of stably supplying heat at a start-up and treating exhaust gas. <P>SOLUTION: The fuel cell system is provided with a fuel cell element equipped with an anode and a cathode at either side of an electrolyte, an air flow channel supplying air to the cathode side of the fuel cell element, a fuel flow channel supplying fuel to the anode side of the fuel cell element, and a temperature-raising gas flow channel supplying gas for raising temperature of the fuel cell element. By setting an electric air heater in the air flow channel and a partial oxidation catalyst in a flow channel communicating with the fuel flow channel, unburned gas contained in the exhaust gas at raising of temperature can be decreased. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料と空気を電気化学的に反応させる燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は、電解質の両側にアノードおよびカソードを有し、アノードに燃料を、カソードに酸化剤を供給することにより電気化学的に燃料と酸化剤を反応させて電気エネルギーに変換する発電素子である。また、複数の素子を電気的に接続した燃料電池モジュールを形成することにより、発電出力の規模を大きくすることができる。
燃料電池の種類は、電解質の種類によって分類することが可能であり、(例えば、非特許文献1参照)、特に固体酸化物形燃料電池は作動温度が700℃を超える高温であるため、システム起動時において発電開始が可能となる温度までは、多くの熱を供給し昇温する必要がある。また、固体酸化物形燃料電池の昇温時には、電極材料の劣化を避けるため、空気側は酸化雰囲気に、燃料側は還元雰囲気に維持しておく必要がある。
【0003】
従来の技術においては、この熱の供給を空気側および燃料側に設置した燃焼器により行っており、また、空気側の燃焼器は空気比が1以上の酸化雰囲気を維持し、燃料側の燃焼器は空気比が1以下の還元性雰囲気を維持することにより昇温を行っている(例えば特許文献1参照)。
【0004】
従来の技術について図7を用いて説明する。
燃料電池素子1は、円筒形をした燃料電池素子の縦断面を示し、電解質を挟んで図の素子内側にカソード電極、素子外側にアノード電極が設置されており、カソード電極に空気などの酸化剤、アノード電極に水素、一酸化炭素などの燃料を流すことにより発電反応が生じる。
燃料電池素子1が昇温され発電可能な温度にある場合、空気は、空気流路2、空気分配器3、空気導入管4を通じて燃料電池素子1の内側であるカソード側に供給される。空気導入管4の先端より流出した空気は、燃料電池素子の下方が封止されているため上方へと折り返し、燃料電池素子1のカソード近傍を通り、発電反応に寄与した後、空気導入管4の上部の開口より排空気として排出される。一方、燃料ガスは、燃料流路5、燃料室6、燃料分散板7を通じて、燃料電池素子1の外側であるアノード側に供給され、発電室8において発電反応に寄与した後、発電室隔壁9を通じて排燃料として排出される。燃料電池素子1の作動温度が高く、排空気および排燃料の温度が高く、その混合ガスが自己燃焼を起こす温度以上の場合、燃焼室12では、排燃料中の未燃燃料と排空気が燃焼し、排ガスとして排出される。
一方、燃料電池素子が作動温度(例えば固体酸化物形燃料電池においては700℃以上)にいたるまでの昇温手段として、図7に示す従来技術では、第1燃焼器51を空気比1以上で燃焼させ、カソード側への熱の供給およびカソード側の酸化雰囲気の維持を行っている。また、第2燃焼器52は、空気比1以下で燃焼させ、アノード側への熱の供給およびアノード側の還元雰囲気の維持を行っている。
【0005】
【非特許文献1】
田川博章著「固体酸化物燃料電池と地球環境」アグネ承風社出版、1998年6月20日(第48−49頁)
【特許文献1】
特開2001−155754号公報(第6頁、図1)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献1記載の従来技術においては、昇温のための熱源を燃焼器としているため、システム起動時の昇温過程において、燃焼器の炎が立ち消えることが起こり、昇温が不完全になり発電可能温度まで達しない場合があるといった問題があった。
また前記特許文献1記載の従来技術においては、排ガスを処理する装置を備えていないため、燃料側の燃料器により生成したガスに含まれる未燃のガスをそのままシステム外に放出するといった問題があった。特に、燃焼器に供給する燃料として炭化水素などを用いた場合、水素のみならず一酸化炭素を排出するという問題があった。
【0007】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑み、起動時に熱供給が安定に行われ、排ガスの処理を行うことが可能となる、起動性にすぐれた燃料電池システムを提供することを課題とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
前記のような従来システムの問題点を解決するために、
第1の発明では電解質の両側にアノード及びカソードを備えた燃料電池素子と、
前記燃料電池素子のカソード側に空気を供給する空気流路と、
前記燃料電池素子のアノード側に燃料を供給する燃料流路と、
前記燃料流路に、燃料電池素子を昇温するためのガスを供給する昇温ガス流路と
を有する燃料電池システムであって、
前記空気流路に電気式空気ヒータを設置し、
前記燃料流路に連通する流路に、部分酸化触媒を設置した燃料電池システムを提供する。
本発明によれば、電気式空気ヒータを用いて燃料電池素子を昇温することにより、カソード側の酸化雰囲気を保持すると共に、供給熱量の調整が容易となり、昇温中、安定した熱供給を行うことが可能となる。また、部分酸化触媒を設置することにより、アノード側の還元雰囲気を保持すると共に、燃料電池素子の温度分布を小さくすることが可能となり、熱応力による素子の破損を防ぐことが可能となる。
ここで言う部分酸化触媒は、燃料を完全に燃焼するための理論空気量より少ない空気量で、酸化反応を起こさせるためのものである。燃料と空気が活性化された触媒に接触することにより、燃焼による発熱を起こす。また、理論空気量より少ない空気量で酸化させるため、燃料の一部が酸化されずに排出されることとなる。
触媒は燃料の種類により異なるが、例えば炭化水素系の燃料においては、ニッケル系の触媒などを使用することが可能である。
アノード側の加熱対象となるガスは可燃性のガスであるため、電気式ヒータでは直接的に接触して加熱することが困難であり、また、電気式ヒータで間接的に加熱する場合は装置が大きくなる。一方、部分酸化触媒は、部分酸化反応が発熱反応であり、高温ガスの供給および還元性ガスの生成が同時に可能であり、コンパクトなシステムとすることができる。
【0009】
また、第2の発明では、前記部分酸化触媒の昇温を、前記電気式空気ヒータにより昇温された空気を用いて行う燃料電池システムを提供する。
本発明によれば、昇温開始時に、部分酸化触媒が活性となり、部分酸化反応が進行する温度までの熱供給を電気式空気ヒータにより昇温された空気を用いて行うことが可能となる。
【0010】
また、第3の発明では、部分酸化触媒の昇温を、電気ヒータにより行う燃料電池システムを提供する。
本発明によれば、昇温開始時に部分酸化触媒への熱供給をヒータを用いて行うことにより、部分酸化触媒が活性となり、部分酸化反応が進行させることが可能となる。
【0011】
また、第4の発明では、燃料電池素子から排出される排空気および排燃料からなる排ガスを空気流路に再循環する燃料電池システムを提供する。
本発明によれば、昇温中に燃料電池素子から排出される排ガスの持つ熱を再循環させ、昇温に必要な熱量を軽減すること、あるいは、昇温速度を早くすることが可能となる。
【0012】
また、第5の発明では、燃料電池素子から排出される排燃料を前記燃料流路に再循環する燃料電池システムを提供する。
本発明によれば、昇温中に燃料電池素子から排出される排燃料の持つ熱を再循環させ、昇温に必要な熱量を軽減すること、あるいは、昇温速度を早くすることが可能となる。また、排燃料を再循環させることによりシステム外に放出される未燃燃料の量を少なくすることが可能となる。
【0013】
また、第6の発明では、燃料電池素子から排出される排空気および排燃料からなる排ガスを燃焼させるための燃焼触媒を排ガス流路に設置した燃料電池システムを提供する。
ここで、排ガス流路とは、燃料電池素子から排出される排空気および排燃料が混合された状態となる流路全体を示しており、混合された排ガスが流れる配管のみならず空間をも含んでいる。
本発明によれば、昇温中に燃料電池素子から排出される排燃料をシステム外部に放出することがないように処理することが可能となる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図1は本発明の第1の発明に係る、燃料電池システムの一例である。
燃料電池素子1は、円筒形をした燃料電池素子の縦断面を示し、電解質を挟んで図の素子内側にカソード電極、素子外側にアノード電極が設置されており、カソード電極に空気などの酸化剤、アノード電極に水素、一酸化炭素などの燃料を流すことにより発電反応が生じる。
【0015】
燃料電池素子1が昇温され発電可能な温度にある場合、空気は、空気流路2、空気分配器3、空気導入管4を通じて燃料電池素子1の内側であるカソード側に供給される。空気導入管4の先端より流出した空気は、燃料電池素子の下方が封止されているため上方へと折り返し、燃料電池素子1のカソード近傍を通り、発電反応に寄与した後、空気導入管4の上部の開口より排空気として排出される。一方、燃料ガスは、燃料流路5、燃料室6、燃料分散板7を通じて、燃料電池素子1の外側であるアノード側に供給され、発電室8において発電反応に寄与した後、発電室隔壁9を通じて排燃料として排出される。発電のために供給される燃料としては、例えば都市ガスなどが挙げられ、その場合、燃料流路5の途中には、都市ガスから水素、一酸化炭素を生成する改質器などが設置されることもある。
燃料電池素子1の作動温度が高く、排空気および排燃料の温度が高く、その混合ガスが自己燃焼を起こす温度以上の場合、燃焼室12では、排燃料中の未燃燃料と排空気が燃焼し、排ガスとして排出される。
【0016】
一方、燃料電池素子が作動温度(例えば固体酸化物形燃料電池においては700℃以上)にいたるまでの昇温手段として、空気流路2に電気式空気ヒータ61を設置し、カソード側への熱の供給およびカソード側の酸化雰囲気の維持を行っている。また、部分酸化触媒62に燃料および空気を送り、部分酸化反応させ、それにより生ずる温度の高い還元性ガスを燃料流路5を通じてアノード側への熱の供給及びアノード側の還元雰囲気の維持を行っている。部分酸化触媒62への燃料ガスとして炭化水素を主成分とする都市ガスを供給した場合、生成されるガスは水素、一酸化炭素、窒素、水蒸気、二酸化炭素を含むガスとなり、また、部分酸化の発熱反応により数百℃の高温のガスとなる。燃料側を還元雰囲気に保つためには、部分酸化触媒62へ供給する燃料と空気の比を変化させることにより制御することが可能である。炭化水素を燃料とした場合、ニッケルを主成分とした触媒などの使用が可能である。
【0017】
なお、アノード側の加熱対象となるガスは可燃性のガスであるため、電気式ヒータでは直接的に接触して加熱することが困難であり、また、電気式ヒータで間接的に加熱する場合は装置が大きくなる。一方、部分酸化触媒は、部分酸化反応が発熱反応であり、高温ガスの供給および還元性ガスの生成が同時に可能であり、コンパクトなシステムとすることができる。
本発明によれば、電気式空気ヒータ61および部分酸化触媒62を用いて昇温を行うため、バーナーのような燃焼器を用いた場合よりも安定した昇温が可能であり、また制御性も良い燃料電池システムとすることが可能となる。
【0018】
図2は本発明の第2の発明に係る、燃料電池システムの一例である。
部分酸化触媒62は、部分酸化反応が生ずる温度まで昇温する必要がある。そのため、電気式空気ヒータ61により昇温された空気を部分酸化触媒62の熱源として昇温することにより、部分酸化反応を進行させることが可能となる。また部分酸化反応は発熱反応であるため、反応が進行し始めると、外部からの熱供給は不要となる。部分酸化触媒62への熱供給方法の例としては、部分酸化触媒62が熱伝導性の良い容器に設置されており、昇温された空気がその触媒の容器に熱を与える構造とすることにより実現される。この場合、部分酸化触媒62に熱を供給した後の空気に残った熱を有効に利用するために、空気流路2に再循環させても良い。
なお、電気式空気ヒータ61により昇温された空気を部分酸化触媒62へ供給する空気として使用することによっても部分酸化触媒62の起動性を高めることが可能である。
【0019】
図3は本発明の第3の発明に係る、燃料電池システムの一例である。
部分酸化触媒62を昇温するために、電気式触媒起動ヒータ63を設置しており、電気式のヒータを用いて部分酸化触媒62の昇温の制御性を向上させることが可能となる。
【0020】
図4は本発明の第4の発明に係る、燃料電池システムの一例である。
図4の燃料電池システムにおいては、モジュール容器11から排出される排ガスを、空気流路2に戻す構成としている。本システムによれば、昇温過程において、排ガスの持つを熱を再循環させ、昇温に必要なエネルギーを低減することが可能となる。また、排ガスを再循環させる構成がないシステムと、電気式空気ヒータ61おび部分酸化触媒62によりモジュール容器11に投入される熱量が一定である条件で比較した場合、昇温速度を向上させることが可能であり、燃料電池システムの起動を早くすることが可能となる。
【0021】
図5は本発明の第5の発明に係る、燃料電池システムの一例である。
図5の燃料電池システムにおいては、発電室8と燃焼室12の間に隔壁64および発電室隔壁9を設置し、その2つの隔壁の間より排燃料を燃料流路5に再循環させる構成としている。本システムによれば、昇温過程において、排燃料の持つを熱を再循環させ、昇温に必要なエネルギーを低減することが可能となる。また、昇温過程において、燃焼室12に存在する排燃料と排空気の混合ガスが自己燃焼温度に達していない時は、排燃料中に含まれる未燃焼の燃料がシステムの系外に放出されることになる。図5における燃料ガスの一例として都市ガスを用いた場合、部分酸化触媒62により生成されるガスは、水素、一酸化炭素を含んでおり、これらのガスが排出されることとなる。本発明によれば、排燃料を再循環させているため、システムの系外に放出される水素、一酸化炭素を低減させることも可能となる。
【0022】
図6は本発明の第6の発明に係る、燃料電池システムの一例である。
図6の燃料電池システムにおいては、排ガス流路に燃焼触媒65を設置した構成としている。昇温過程において、燃料電池モジュールより放出される排ガス中の未燃焼の燃料を処理することが可能となる。
ここで、排ガス流路とは、燃料電池素子から排出される排空気および排燃料が混合された状態となる流路全体を示しており、混合された排ガスが流れる配管のみならず空間をも含んでいる。すなわち、図6の例では、配管のような流路の途中に燃焼触媒を設置した例を示しているが、実際に排燃料と排空気が混合されるのは、燃焼室12であり、この燃焼室内に燃焼触媒を設置しても良く、この燃焼室を含む排ガス流路の途中に燃焼触媒を設けることによって、昇温中の燃料電池システムからの未燃焼の燃料排出を抑制することが可能となる。
【0023】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池システムの起動時の昇温過程において、昇温の制御性をよくすることが可能となり、また、未燃焼の燃料のシステム系外への排出を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の発明に係る燃料電池システムの一例
【図2】本発明の第2の発明に係る燃料電池システムの一例
【図3】本発明の第3の発明に係る燃料電池システムの一例
【図4】本発明の第4の発明に係る燃料電池システムの一例
【図5】本発明の第5の発明に係る燃料電池システムの一例
【図6】本発明の第6の発明に係る燃料電池システムの一例
【図7】従来の燃料電池システムの一例
【符号の説明】
1:燃料電池素子
2:空気流路
3:空気分配器
4:空気導入管
5:燃料流路
6:燃料室
7:燃料分散板
8:発電室
9:発電室隔壁
10:断熱材
11:モジュール容器
12:燃焼室
51:第1燃焼器
52:第2燃焼器
61:電気式空気ヒータ
62:部分酸化触媒
63:電気式触媒起動ヒータ
64:隔壁
65:燃焼触媒
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system for electrochemically reacting fuel and air.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell is a power generation element that has an anode and a cathode on both sides of an electrolyte, and supplies fuel to the anode and an oxidant to the cathode to electrochemically react the fuel and the oxidant to convert it to electric energy. . Further, by forming a fuel cell module in which a plurality of elements are electrically connected, the scale of the power generation output can be increased.
The types of fuel cells can be classified according to the type of electrolyte (see, for example, Non-Patent Document 1). Particularly, the solid oxide fuel cell has a high operating temperature exceeding 700 ° C. In some cases, it is necessary to supply a large amount of heat and raise the temperature to a temperature at which power generation can be started. Further, when the temperature of the solid oxide fuel cell is raised, it is necessary to keep the air side in an oxidizing atmosphere and the fuel side in a reducing atmosphere in order to avoid deterioration of the electrode material.
[0003]
In the prior art, this heat is supplied by a combustor provided on the air side and the fuel side, and the combustor on the air side maintains an oxidizing atmosphere having an air ratio of 1 or more, and the combustion on the fuel side. The vessel raises the temperature by maintaining a reducing atmosphere having an air ratio of 1 or less (for example, see Patent Document 1).
[0004]
A conventional technique will be described with reference to FIG.
The fuel cell element 1 shows a longitudinal section of a cylindrical fuel cell element. A cathode electrode is provided inside the element and an anode electrode is provided outside the element with an electrolyte interposed therebetween. An oxidant such as air is provided on the cathode electrode. When a fuel such as hydrogen or carbon monoxide flows through the anode electrode, a power generation reaction occurs.
When the temperature of the fuel cell element 1 is raised to a temperature at which power can be generated, air is supplied to the cathode side, which is inside the fuel cell element 1, through the air flow path 2, the air distributor 3, and the air introduction pipe 4. The air that has flowed out from the tip of the air introduction pipe 4 turns upward because the lower part of the fuel cell element is sealed, passes through the vicinity of the cathode of the fuel cell element 1, and contributes to the power generation reaction. It is exhausted as exhaust air from the upper opening. On the other hand, the fuel gas is supplied to the anode side outside the fuel cell element 1 through the fuel flow path 5, the fuel chamber 6, and the fuel distribution plate 7, and contributes to the power generation reaction in the power generation chamber 8; Is discharged as exhaust fuel. When the operating temperature of the fuel cell element 1 is high, the temperature of the exhaust air and the exhaust fuel is high, and the temperature of the mixed gas is higher than the temperature at which self-combustion occurs, the unburned fuel and the exhaust air in the exhaust fuel are burned in the combustion chamber 12. And is discharged as exhaust gas.
On the other hand, in the prior art shown in FIG. 7, the first combustor 51 has an air ratio of 1 or more as a means for raising the temperature of the fuel cell element to an operating temperature (for example, 700 ° C. or more in a solid oxide fuel cell). The combustion is performed to supply heat to the cathode side and maintain an oxidizing atmosphere on the cathode side. The second combustor 52 burns at an air ratio of 1 or less to supply heat to the anode side and maintain a reducing atmosphere on the anode side.
[0005]
[Non-patent document 1]
Hiroaki Tagawa, "Solid Oxide Fuel Cell and Global Environment", published by Agune Shofusha, June 20, 1998 (pp. 48-49)
[Patent Document 1]
JP 2001-155754 A (page 6, FIG. 1)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional technique described in Patent Document 1, since the heat source for raising the temperature is a combustor, the flame of the combustor extinguishes during the temperature rising process at the time of starting the system, and the temperature rise does not occur. There has been a problem that the temperature may become complete and the temperature may not reach the power generation possible temperature.
Further, in the prior art described in Patent Document 1, since there is no device for treating exhaust gas, there is a problem that unburned gas contained in the gas generated by the fuel device on the fuel side is directly discharged out of the system. Was. In particular, when hydrocarbons or the like are used as fuel to be supplied to the combustor, there is a problem that not only hydrogen but also carbon monoxide is emitted.
[0007]
The present invention has been made in view of the above-described problems of the related art, and has an object to provide a fuel cell system with excellent start-up performance, in which heat supply is performed stably at the time of start-up and exhaust gas can be processed. And
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the problems of the conventional system as described above,
In the first invention, a fuel cell element having an anode and a cathode on both sides of an electrolyte;
An air flow path for supplying air to the cathode side of the fuel cell element,
A fuel flow path for supplying fuel to the anode side of the fuel cell element,
A fuel cell system having a fuel gas flow path and a temperature-raising gas flow path for supplying a gas for raising the temperature of a fuel cell element,
Installing an electric air heater in the air flow path,
Provided is a fuel cell system in which a partial oxidation catalyst is provided in a flow path communicating with the fuel flow path.
According to the present invention, by raising the temperature of the fuel cell element using the electric air heater, the oxidizing atmosphere on the cathode side can be maintained, and the amount of heat supplied can be easily adjusted. It is possible to do. Further, by providing the partial oxidation catalyst, the reducing atmosphere on the anode side can be maintained, the temperature distribution of the fuel cell element can be reduced, and damage to the element due to thermal stress can be prevented.
The partial oxidation catalyst referred to here is for causing an oxidation reaction with an air amount smaller than the theoretical air amount for completely burning the fuel. When the fuel and air come into contact with the activated catalyst, heat is generated by combustion. Further, since the fuel is oxidized with an air amount smaller than the theoretical air amount, a part of the fuel is discharged without being oxidized.
The catalyst varies depending on the type of fuel. For example, in the case of a hydrocarbon fuel, a nickel catalyst or the like can be used.
Since the gas to be heated on the anode side is a flammable gas, it is difficult to directly contact and heat with an electric heater. growing. On the other hand, the partial oxidation catalyst has an exothermic partial oxidation reaction, can supply a high-temperature gas and generate a reducing gas at the same time, and can be a compact system.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system in which the temperature of the partial oxidation catalyst is raised using the air heated by the electric air heater.
According to the present invention, at the start of the temperature increase, the partial oxidation catalyst becomes active, and heat can be supplied to a temperature at which the partial oxidation reaction proceeds using the air heated by the electric air heater.
[0010]
In a third aspect, the present invention provides a fuel cell system in which the temperature of the partial oxidation catalyst is raised by an electric heater.
According to the present invention, by supplying heat to the partial oxidation catalyst using the heater at the start of the temperature rise, the partial oxidation catalyst becomes active, and the partial oxidation reaction can proceed.
[0011]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system for recirculating exhaust gas including exhaust air and exhaust fuel discharged from a fuel cell element to an air passage.
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to recirculate the heat which the exhaust gas discharged from a fuel cell element has during a temperature rise, to reduce the amount of heat required for the temperature rise, or to increase the temperature rise rate. .
[0012]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system for recirculating exhaust fuel discharged from a fuel cell element to the fuel passage.
According to the present invention, it is possible to recirculate the heat of the exhaust fuel discharged from the fuel cell element during the temperature increase, to reduce the amount of heat required for the temperature increase, or to increase the temperature increase rate. Become. Also, by recirculating the exhaust fuel, it is possible to reduce the amount of unburned fuel released outside the system.
[0013]
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system in which a combustion catalyst for burning exhaust gas including exhaust air and exhaust fuel discharged from a fuel cell element is provided in an exhaust gas passage.
Here, the exhaust gas flow path indicates the entire flow path in which the exhaust air and the exhaust fuel discharged from the fuel cell element are mixed, and includes not only a pipe through which the mixed exhaust gas flows but also a space. In.
According to the present invention, it is possible to perform processing so that the exhaust fuel discharged from the fuel cell element during the temperature rise is not released to the outside of the system.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is an example of a fuel cell system according to the first invention of the present invention.
The fuel cell element 1 shows a longitudinal section of a cylindrical fuel cell element. A cathode electrode is provided inside the element and an anode electrode is provided outside the element with an electrolyte interposed therebetween. An oxidant such as air is provided on the cathode electrode. When a fuel such as hydrogen or carbon monoxide flows through the anode electrode, a power generation reaction occurs.
[0015]
When the temperature of the fuel cell element 1 is raised to a temperature at which power can be generated, air is supplied to the cathode side, which is inside the fuel cell element 1, through the air flow path 2, the air distributor 3, and the air introduction pipe 4. The air that has flowed out from the tip of the air introduction pipe 4 turns upward because the lower part of the fuel cell element is sealed, passes through the vicinity of the cathode of the fuel cell element 1, and contributes to the power generation reaction. It is exhausted as exhaust air from the upper opening. On the other hand, the fuel gas is supplied to the anode side outside the fuel cell element 1 through the fuel flow path 5, the fuel chamber 6, and the fuel distribution plate 7, and contributes to the power generation reaction in the power generation chamber 8; Is discharged as exhaust fuel. The fuel supplied for power generation includes, for example, city gas. In this case, a reformer that generates hydrogen and carbon monoxide from the city gas is installed in the fuel flow path 5. Sometimes.
When the operating temperature of the fuel cell element 1 is high, the temperature of the exhaust air and the exhaust fuel is high, and the temperature of the mixed gas is higher than the temperature at which self-combustion occurs, the unburned fuel and the exhaust air in the exhaust fuel are burned in the combustion chamber 12. And is discharged as exhaust gas.
[0016]
On the other hand, an electric air heater 61 is installed in the air flow path 2 as a means for raising the temperature of the fuel cell element to an operating temperature (for example, 700 ° C. or higher in a solid oxide fuel cell), and heat to the cathode side is provided. And an oxidizing atmosphere on the cathode side is maintained. Further, fuel and air are sent to the partial oxidation catalyst 62 to cause a partial oxidation reaction, and the resulting high-temperature reducing gas is supplied to the anode side through the fuel flow path 5 to maintain heat and maintain a reducing atmosphere on the anode side. ing. When a city gas containing hydrocarbons as a main component is supplied as a fuel gas to the partial oxidation catalyst 62, the generated gas is a gas containing hydrogen, carbon monoxide, nitrogen, water vapor, and carbon dioxide. The exothermic reaction produces a high-temperature gas of several hundred degrees Celsius. In order to maintain the fuel side in the reducing atmosphere, it is possible to control the fuel by changing the ratio of fuel and air supplied to the partial oxidation catalyst 62. When a hydrocarbon is used as a fuel, a catalyst containing nickel as a main component can be used.
[0017]
Since the gas to be heated on the anode side is a flammable gas, it is difficult to directly contact and heat with an electric heater, and when heating indirectly with an electric heater, The device becomes larger. On the other hand, the partial oxidation catalyst has an exothermic partial oxidation reaction, can supply a high-temperature gas and generate a reducing gas at the same time, and can be a compact system.
According to the present invention, since the temperature is raised using the electric air heater 61 and the partial oxidation catalyst 62, the temperature can be raised more stably than when a combustor such as a burner is used, and the controllability is also improved. A good fuel cell system can be provided.
[0018]
FIG. 2 is an example of a fuel cell system according to the second invention of the present invention.
The partial oxidation catalyst 62 needs to be heated to a temperature at which a partial oxidation reaction occurs. Therefore, by raising the temperature of the air heated by the electric air heater 61 as a heat source of the partial oxidation catalyst 62, the partial oxidation reaction can proceed. In addition, since the partial oxidation reaction is an exothermic reaction, when the reaction starts to proceed, external heat supply is not required. As an example of a method of supplying heat to the partial oxidation catalyst 62, the partial oxidation catalyst 62 is provided in a container having good heat conductivity, and the structure in which the heated air gives heat to the container of the catalyst is adopted. Is achieved. In this case, in order to effectively use the heat remaining in the air after supplying the heat to the partial oxidation catalyst 62, the heat may be recirculated to the air flow path 2.
The start-up of the partial oxidation catalyst 62 can be enhanced by using the air heated by the electric air heater 61 as the air to be supplied to the partial oxidation catalyst 62.
[0019]
FIG. 3 is an example of a fuel cell system according to the third invention of the present invention.
In order to raise the temperature of the partial oxidation catalyst 62, an electric catalyst activation heater 63 is provided, and it is possible to improve the controllability of raising the temperature of the partial oxidation catalyst 62 by using the electric heater.
[0020]
FIG. 4 is an example of a fuel cell system according to a fourth invention of the present invention.
In the fuel cell system of FIG. 4, the exhaust gas discharged from the module container 11 is returned to the air flow path 2. According to this system, in the heating process, the heat of the exhaust gas can be recirculated, and the energy required for heating can be reduced. In addition, when comparing the system having no configuration for recirculating exhaust gas with the condition that the amount of heat supplied to the module container 11 by the electric air heater 61 and the partial oxidation catalyst 62 is constant, it is possible to improve the rate of temperature rise. It is possible, and the start-up of the fuel cell system can be accelerated.
[0021]
FIG. 5 is an example of a fuel cell system according to a fifth aspect of the present invention.
In the fuel cell system of FIG. 5, a partition 64 and a power generation chamber partition 9 are provided between the power generation chamber 8 and the combustion chamber 12, and exhaust fuel is recirculated to the fuel flow path 5 from between the two partition walls. I have. According to this system, in the heating process, the heat of the exhaust fuel is recirculated, and the energy required for heating can be reduced. In the heating process, when the mixed gas of the exhaust fuel and the exhaust air present in the combustion chamber 12 has not reached the self-combustion temperature, the unburned fuel contained in the exhaust fuel is discharged out of the system of the system. Will be. When city gas is used as an example of the fuel gas in FIG. 5, the gas generated by the partial oxidation catalyst 62 contains hydrogen and carbon monoxide, and these gases are discharged. According to the present invention, since the exhaust fuel is recirculated, it is also possible to reduce hydrogen and carbon monoxide released outside the system of the system.
[0022]
FIG. 6 is an example of a fuel cell system according to a sixth aspect of the present invention.
The fuel cell system of FIG. 6 has a configuration in which a combustion catalyst 65 is provided in an exhaust gas passage. In the heating process, unburned fuel in exhaust gas discharged from the fuel cell module can be processed.
Here, the exhaust gas flow path indicates the entire flow path in which the exhaust air and the exhaust fuel discharged from the fuel cell element are mixed, and includes not only a pipe through which the mixed exhaust gas flows but also a space. In. That is, the example of FIG. 6 shows an example in which the combustion catalyst is installed in the middle of a flow path such as a pipe. However, it is the combustion chamber 12 where the exhaust fuel and the exhaust air are actually mixed. A combustion catalyst may be installed in the combustion chamber. By providing the combustion catalyst in the exhaust gas flow path including the combustion chamber, it is possible to suppress the discharge of unburned fuel from the fuel cell system during temperature rise. It becomes.
[0023]
【The invention's effect】
As described above, according to the fuel cell system of the present invention, it is possible to improve the controllability of the temperature rise during the temperature rise process at the time of starting the fuel cell system, and to improve the system of the unburned fuel. It is possible to reduce discharge to the outside of the system.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an example of a fuel cell system according to a first invention of the present invention. FIG. 2 is an example of a fuel cell system according to a second invention of the present invention. FIG. 3 is a fuel according to a third invention of the present invention. FIG. 4 shows an example of a fuel cell system according to a fourth invention of the present invention. FIG. 5 shows an example of a fuel cell system according to a fifth invention of the present invention. FIG. 7 shows an example of a fuel cell system according to the present invention.
1: fuel cell element 2: air flow path 3: air distributor 4: air introduction pipe 5: fuel flow path 6: fuel chamber 7: fuel distribution plate 8: power generation chamber 9: power generation chamber partition 10: heat insulating material 11: module Vessel 12: combustion chamber 51: first combustor 52: second combustor 61: electric air heater 62: partial oxidation catalyst 63: electric catalyst activation heater 64: partition 65: combustion catalyst

Claims (6)

電解質の両側にアノード及びカソードを備えた燃料電池素子と、
前記燃料電池素子のカソード側に空気を供給する空気流路と、
前記燃料電池素子のアノード側に燃料を供給する燃料流路と、
前記燃料流路に、燃料電池素子を昇温するためのガスを供給する昇温ガス流路と
を有する燃料電池システムであって、
前記空気流路に電気式空気ヒータを設置し、
前記燃料流路に連通する流路に、部分酸化触媒を設置したことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell element having an anode and a cathode on both sides of the electrolyte,
An air flow path for supplying air to the cathode side of the fuel cell element,
A fuel flow path for supplying fuel to the anode side of the fuel cell element,
A fuel cell system having a fuel gas flow path and a temperature-raising gas flow path for supplying a gas for raising the temperature of a fuel cell element,
Installing an electric air heater in the air flow path,
A fuel cell system, wherein a partial oxidation catalyst is provided in a flow path communicating with the fuel flow path.
前記部分酸化触媒の昇温を、前記電気式空気ヒータにより昇温された空気を用いて行うことを特徴とする、前記請求項1記載の燃料電池システム。2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the temperature of the partial oxidation catalyst is raised using air heated by the electric air heater. 3. 前記部分酸化触媒の昇温を、電気ヒータにより行うことを特徴とする、前記請求項1記載の燃料電池システム。2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the temperature of the partial oxidation catalyst is increased by an electric heater. 前記燃料電池素子から排出される排空気および排燃料からなる排ガスを前記空気流路に再循環することを特徴とする、請求項1〜3記載の燃料電池システム4. The fuel cell system according to claim 1, wherein exhaust gas including exhaust air and exhaust fuel discharged from the fuel cell element is recirculated to the air flow path. 前記燃料電池素子から排出される排燃料を前記燃料流路に再循環することを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池システムThe fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein exhaust fuel discharged from the fuel cell element is recirculated to the fuel flow path. 前記燃料電池素子から排出される排空気および排燃料からなる排ガスを燃焼させるための燃焼触媒を、排ガス流路に設置したことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。The combustion catalyst for burning exhaust gas composed of exhaust air and exhaust fuel discharged from the fuel cell element is provided in an exhaust gas flow path, according to any one of claims 1 to 5, characterized in that: Fuel cell system.
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