JP2005340075A - How to shut down the fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】 炭素の析出や触媒の酸化を有効に防止しながら迅速に改質器の温度を降温することが可能な燃料電池の稼動停止方法を提供する。
【解決手段】 改質触媒が収容され且つ燃料電池から排出されるガスによって加熱保持された改質器に、炭化水素ガスと水蒸気との混合ガスを通して水素含有の燃料ガスに改質し、該燃料ガスを空気が流されている燃料電池内に供給して発電させる燃料電池の稼動を停止させる方法であって、燃料電池内への空気の供給を継続して行いながら、前記炭化水素ガスの供給量を低減させ、低減された量の炭化水素ガスと前記水蒸気との混合ガスを前記改質器を通して燃料電池内に供給し、前記改質触媒の温度が、該触媒の酸化発生温度±150℃の範囲に降温したときに、前記混合ガスの供給を停止し、前記混合ガスの供給を停止した後に、空気または炭化水素ガスをパージガスとして前記改質器を通して前記燃料電池に流してパージする。
【選択図】 図5PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for shutting down a fuel cell capable of rapidly lowering the temperature of a reformer while effectively preventing carbon deposition and catalyst oxidation.
A reformer containing a reforming catalyst and heated and held by a gas discharged from a fuel cell is reformed into a hydrogen-containing fuel gas through a mixed gas of hydrocarbon gas and water vapor, and the fuel A method of stopping the operation of a fuel cell that generates power by supplying gas into a fuel cell in which air is flowing, and supplying the hydrocarbon gas while continuously supplying air into the fuel cell The amount of the mixed gas of the reduced amount of hydrocarbon gas and the water vapor is supplied into the fuel cell through the reformer, and the temperature of the reforming catalyst is changed to an oxidation generation temperature ± 150 ° C. of the catalyst. When the temperature falls to the range, the supply of the mixed gas is stopped, and after the supply of the mixed gas is stopped, air or hydrocarbon gas is purged as a purge gas through the reformer and purged.
[Selection] Figure 5
Description
本発明は、燃料電池の稼動停止方法に関するものであり、より詳細には、燃料電池の稼動に伴い燃料電池から排出されるガスによって加熱保持されている改質器に、原料ガス(炭化水素ガス)と水蒸気を流して水素リッチな燃料ガスに改質し、この燃料ガスを空気が供給されている燃料電池内に供給して発電を行う燃料電池の稼動を停止する方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for stopping operation of a fuel cell. More specifically, the present invention relates to a raw material gas (hydrocarbon gas) in a reformer that is heated and held by gas discharged from the fuel cell as the fuel cell is operated. ) And water vapor to reform the fuel gas rich in hydrogen, and the fuel gas is supplied into the fuel cell to which air is supplied to stop the operation of the fuel cell for generating power.
次世代エネルギーとして、近年、燃料電池(セル)のスタックをハウジング内に収容した燃料電池が種々提案されている。例えば固体電解質型燃料電池の構造体は、複数の燃料電池ユニット(セル)を積み重ねられたセルスタックが、適当な間隔で複数配列されてなる燃料電池本体をハウジング内に収容して構成され、約1000℃の温度で運転される。 In recent years, various fuel cells in which a stack of fuel cells (cells) is housed in a housing have been proposed as next-generation energy. For example, a structure of a solid oxide fuel cell has a structure in which a fuel cell main body in which a plurality of cell stacks in which a plurality of fuel cell units (cells) are stacked is arranged at an appropriate interval is accommodated in a housing. It is operated at a temperature of 1000 ° C.
発電のための燃料ガスとしては、水素が使用され、水素ガスと酸素含有ガス(通常、空気である)とを燃料電池本体内に供給し、酸素含有ガスをセル中の酸素極に接触させ、且つ水素をセル中の燃料極と接触させ、所定の電極反応を生じせしめることにより、発電が行われる。 As fuel gas for power generation, hydrogen is used, hydrogen gas and oxygen-containing gas (usually air) are supplied into the fuel cell body, and the oxygen-containing gas is brought into contact with the oxygen electrode in the cell. Electric power is generated by bringing hydrogen into contact with the fuel electrode in the cell to cause a predetermined electrode reaction.
燃料ガスとしての水素の供給方法としては、天然ガス等の炭化水素を水蒸気と反応させて水素を生成する水蒸気改質法が用いられるが、炭化水素と水素との改質反応は吸熱反応であるため、安定に燃料電池を発電させるためには、燃料電池を所定の作動温度以上に加熱保持すると共に、改質触媒が充填された改質器を、改質反応が安定して行われる温度に加熱保持する必要がある。 As a method for supplying hydrogen as a fuel gas, a steam reforming method in which a hydrocarbon such as natural gas reacts with steam to generate hydrogen is used, but the reforming reaction between the hydrocarbon and hydrogen is an endothermic reaction. Therefore, in order to stably generate power for the fuel cell, the fuel cell is heated and held at a predetermined operating temperature or higher, and the reformer filled with the reforming catalyst is brought to a temperature at which the reforming reaction is stably performed. It is necessary to keep it heated.
このために、セルスタックを収容している断熱性のハウジング内に改質器を配置し、発電に際して発生する熱や燃料電池から排出されるガスの燃焼熱を、燃料電池及び改質器の加熱に利用し、熱効率を高めることが行われている(例えば、特許文献1参照)。 For this purpose, a reformer is disposed in a heat-insulating housing that contains the cell stack, and heat generated during power generation or combustion heat of gas discharged from the fuel cell is heated by the fuel cell and reformer. It is used for improving thermal efficiency (see, for example, Patent Document 1).
ところで、燃料電池の稼動を停止するには、原料ガス(炭化水素ガス)を水素含有の燃料ガスに改質するための改質器の稼動を停止することが必要である。しかるに、燃料電池の作動温度は、かなり高温であり(通常、700℃以上)、稼動している燃料電池では、改質器もほぼ同等の高温に加熱保持されている。従って、燃料電池や改質器の温度を室温に戻すまでに時間がかかり、燃料電池の稼動停止には、かなりの時間を要してしまい、このような稼動停止時間(即ち、燃料電池や改質器の温度を室温に復帰させる時間)を短縮化することが求められている。 By the way, in order to stop the operation of the fuel cell, it is necessary to stop the operation of the reformer for reforming the raw material gas (hydrocarbon gas) into a hydrogen-containing fuel gas. However, the operating temperature of the fuel cell is considerably high (usually 700 ° C. or higher), and in the operating fuel cell, the reformer is also heated and held at substantially the same high temperature. Therefore, it takes time to bring the temperature of the fuel cell and the reformer back to room temperature, and it takes a considerable time to stop the operation of the fuel cell. It is required to shorten the time required for the temperature of the mass device to return to room temperature.
燃料電池を構成している電極や改質器内の触媒等の酸化を防止しつつ改質器や燃料電池を迅速に室温まで冷却する手段としては、改質器内や燃料電池内部に不活性ガスを流すことが考えられるが、このような手段は、不活性ガスの供給設備が必要となってしまい、コストの著しい増大を招いてしまう。また、家庭用に供される燃料電池では、不活性ガス源の問題もある。従って、不活性ガスを用いない手段が要求されており、例えば特許文献2には、固体高分子形燃料電池に付設した改質器の停止方法であって、その停止時に改質器改質部の改質触媒層を降温させるに際し、改質器内の改質ガスを水蒸気でパージした後、改質触媒層の温度が原料ガスの熱分解が起こらない温度以下で、且つ、水蒸気の凝縮温度以上に低下した後、原料ガスを導入して改質器内の水蒸気をパージすることを特徴とする固体高分子形燃料電池用改質器の停止方法が提案されている。
特許文献2の方法は、改質器の触媒層の温度が原料ガス(炭化水素ガス)の熱分解温度以下で水蒸気の凝縮温度以上となるまで、改質に使用する水蒸気を流すことにより、改質器の温度低下を促進させ、次いで水蒸気の凝縮温度以上で原料ガスにより水蒸気をパージすることにより、結露を防止するというものであり、改質反応に用いる水蒸気をそのまま利用するため、格別の設備が不要であり、経済的なメリットがある。しかしながら、この方法では、高温領域で水蒸気のみが触媒層に流されるため、Ni触媒などの卑金属触媒を改質触媒として用いている場合、水蒸気が酸素源となって触媒の酸化を生じてしまうという問題がある。また、この方法を用いて固体酸化物形燃料電池の稼動を停止させると、電極等の酸化を生じてしまうという問題もある。 The method of Patent Document 2 is modified by flowing steam used for reforming until the temperature of the catalyst layer of the reformer is equal to or lower than the thermal decomposition temperature of the raw material gas (hydrocarbon gas) and equal to or higher than the steam condensation temperature. It is intended to prevent dew condensation by accelerating the temperature drop of the mass vessel and then purging the water vapor with the raw material gas at a temperature equal to or higher than the condensation temperature of the water vapor. Is unnecessary and has an economic advantage. However, in this method, since only water vapor flows in the catalyst layer in a high temperature region, when a base metal catalyst such as a Ni catalyst is used as the reforming catalyst, the water vapor becomes an oxygen source and the catalyst is oxidized. There's a problem. In addition, when the operation of the solid oxide fuel cell is stopped using this method, there is a problem that oxidation of electrodes and the like occurs.
従って本発明の目的は、不活性ガスを用いずに、電極や触媒の酸化を有効に防止しながら迅速に改質器の温度を降温することが可能な燃料電池の稼動停止方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of shutting down a fuel cell that can quickly lower the temperature of a reformer while effectively preventing oxidation of electrodes and catalysts without using an inert gas. It is in.
本発明によれば、改質触媒が収容され且つ燃料電池から排出されるガスによって加熱保持された改質器に、炭化水素ガスと水蒸気との混合ガスを通して水素含有の燃料ガスに改質し、該燃料ガスを空気が流されている燃料電池内に供給して発電させる燃料電池の稼動を停止させる方法であって、
燃料電池内への空気の供給を継続して行いながら、前記炭化水素ガスの供給量を低減させ、低減された量の炭化水素ガスと前記水蒸気との混合ガスを前記改質器を通して燃料電池内に供給し、
前記改質触媒の温度が、該触媒の酸化発生温度±150℃の範囲に降温したときに、前記混合ガスの供給を停止し、
前記混合ガスの供給を停止した後に、空気または炭化水素ガスをパージガスとして前記改質器を通して前記燃料電池に流してパージすることを特徴とする燃料電池の稼動停止方法が提供される。
According to the present invention, the reformer containing the reforming catalyst and heated and held by the gas discharged from the fuel cell is reformed into a hydrogen-containing fuel gas through a mixed gas of hydrocarbon gas and steam, A method of stopping the operation of a fuel cell that generates power by supplying the fuel gas into a fuel cell in which air is flowing,
While continuously supplying air into the fuel cell, the supply amount of the hydrocarbon gas is reduced, and the mixed gas of the reduced amount of the hydrocarbon gas and the water vapor is supplied into the fuel cell through the reformer. To supply
When the temperature of the reforming catalyst falls in the range of the oxidation occurrence temperature of the catalyst ± 150 ° C., the supply of the mixed gas is stopped,
After stopping the supply of the mixed gas, a method of stopping the operation of the fuel cell is provided, wherein air or hydrocarbon gas is purged as a purge gas through the reformer through the fuel cell.
尚、本発明において、改質触媒の温度は、改質触媒層を通るガスの温度に等しく、通常、改質触媒層の出口側でのガス温度(一般に、入口側でのガス温度よりも高い)を測定して検知される。ただし、反応熱などの伝熱により入口側の温度の方が高温になることもあり、この場合には、入口側でのガス温度を改質触媒の温度(改質器温度)とする。即ち、本発明を実施するためには、改質器内の改質触媒の出口側及び入口側でのガス温度を常にモニターしておくことが必要である。以下、改質触媒の温度を改質器の温度と呼ぶことがある。 In the present invention, the temperature of the reforming catalyst is equal to the temperature of the gas passing through the reforming catalyst layer and is usually higher than the gas temperature on the outlet side of the reforming catalyst layer (generally, higher than the gas temperature on the inlet side). ) Is detected. However, the temperature on the inlet side may become higher due to heat transfer such as reaction heat. In this case, the gas temperature on the inlet side is set as the temperature of the reforming catalyst (reformer temperature). That is, in order to carry out the present invention, it is necessary to always monitor the gas temperature on the outlet side and the inlet side of the reforming catalyst in the reformer. Hereinafter, the temperature of the reforming catalyst may be referred to as the temperature of the reformer.
また、触媒の酸化発生温度は、その種類によって異なり、例えばXRDなどにより酸化物ピークの発生を確認することによって求めることができる。例えばNi触媒で350℃である。 Further, the oxidation generation temperature of the catalyst varies depending on the type, and can be determined by confirming the generation of an oxide peak by, for example, XRD. For example, it is 350 degreeC with Ni catalyst.
本発明においては、
(1)前記パージガスの供給を、前記混合ガスの供給停止に連続して開始すること、
(2)少なくとも前記改質触媒の温度がその酸化発生温度に降温するまでは、前記混合ガスを供給すること、
(3)前記混合ガスの供給停止後、水蒸気を前記改質器を通して前記燃料電池に流し、少なくとも前記改質触媒が水蒸気の凝縮温度よりも高い温度に保持されている段階で該水蒸気の供給を停止し、水蒸気の停止に連続して前記パージガスの供給を開始すること、
(4)前記混合ガスの供給停止を、前記改質触媒がその酸化発生温度よりも高い温度に保持されている段階で行うこと、
(5)前記水蒸気の供給を、前記改質触媒の温度が200乃至350℃に降温した時、或いは、100乃至200℃に降温した時点で停止すること、
(6)前記炭化水素ガスの低減された供給量が、稼動時の最大供給量の0.01乃至0.6倍であること、
(7)前記改質触媒としてニッケル触媒を使用すること、
ができる。
In the present invention,
(1) The supply of the purge gas is started continuously after the supply of the mixed gas is stopped.
(2) supplying the mixed gas at least until the temperature of the reforming catalyst is lowered to the oxidation generation temperature;
(3) After the supply of the mixed gas is stopped, the steam is supplied to the fuel cell through the reformer, and the steam is supplied at least in a stage where the reforming catalyst is maintained at a temperature higher than the condensation temperature of the steam. Stopping and starting the supply of the purge gas in succession to the stop of the steam,
(4) The supply of the mixed gas is stopped at a stage where the reforming catalyst is maintained at a temperature higher than its oxidation generation temperature.
(5) stopping the supply of the water vapor when the temperature of the reforming catalyst is lowered to 200 to 350 ° C. or when the temperature is lowered to 100 to 200 ° C .;
(6) The reduced supply amount of the hydrocarbon gas is 0.01 to 0.6 times the maximum supply amount during operation,
(7) using a nickel catalyst as the reforming catalyst,
Can do.
本発明においては、不活性ガスの如き格別のガスを使用せず、燃料電池の発電に使用するガスのみを改質器の降温に利用する。従って、格別のガス源やガス供給設備は必要とせず、コスト的に極めて有利である。また、改質器の温度が高い降温初期段階で、低減された量の原料ガス(炭化水素ガス)と水蒸気とを供給するため、燃焼熱量の低減と水蒸気改質反応による吸熱とによって降温が促進され、さらには、水蒸気改質反応により発生する水素によって改質触媒の酸化が有効に抑制される。また、炭化水素ガスの熱分解によって炭素が析出したときには、炭化水素ガスに比して過剰に供給される水蒸気との反応により、析出炭素はCO及びCH4として除去される。さらに、水蒸気の凝縮温度よりも高い温度で炭化水素ガスまたは空気によって改質器内に残存するガスがパージされるため、水蒸気の凝縮による不都合も有効に解消できる。 In the present invention, no special gas such as an inert gas is used, and only the gas used for power generation of the fuel cell is used for cooling the reformer. Therefore, no special gas source or gas supply facility is required, which is extremely advantageous in terms of cost. In addition, since a reduced amount of raw material gas (hydrocarbon gas) and water vapor are supplied at the initial stage of temperature lowering when the temperature of the reformer is high, the temperature lowering is promoted by reducing the amount of combustion heat and absorbing heat from the steam reforming reaction Furthermore, oxidation of the reforming catalyst is effectively suppressed by hydrogen generated by the steam reforming reaction. Further, when carbon is precipitated by thermal decomposition of the hydrocarbon gas, the precipitated carbon is removed as CO and CH 4 by a reaction with water vapor supplied in excess as compared with the hydrocarbon gas. Furthermore, since the gas remaining in the reformer is purged by the hydrocarbon gas or air at a temperature higher than the condensation temperature of the steam, the disadvantages caused by the condensation of the steam can be effectively eliminated.
本発明を、以下、添付図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明において使用される燃料電池構造体におけるガスの流れを説明するための図であり、
図2は、本発明に好適に使用される燃料電池構造体の概略構造を示す図であり、
図3は、図2の燃料電池構造体における燃料電池本体のセルスタックの概略構造を示す図(図2のA−A断面図)であり、
図4は、図2の燃料電池構造体の稼動開始から稼動停止までの改質器の温度履歴を示す図であり、
図5乃至図7は、それぞれ、本発明の改質システムの稼動停止方法の一例のフローチャートを改質器の温度履歴と共に示す図である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on specific examples shown in the accompanying drawings.
FIG. 1 is a diagram for explaining a gas flow in a fuel cell structure used in the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a schematic structure of a fuel cell structure preferably used in the present invention.
FIG. 3 is a diagram (a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2) showing a schematic structure of a cell stack of the fuel cell main body in the fuel cell structure in FIG.
FIG. 4 is a diagram showing the temperature history of the reformer from the start of operation to the stop of operation of the fuel cell structure of FIG.
FIGS. 5 to 7 are flowcharts showing an example of a method for stopping the operation of the reforming system according to the present invention, together with the temperature history of the reformer.
図1及び図2を参照して、本発明に用いる燃料電池構造体は、燃料電池1と改質器2とが、所定の断熱性ハウジング(図示せず)内に設けられた構造を有しており、燃料電池1の上部には、燃焼域3が形成されており、この燃焼域3の上部に改質器2が配置されている。即ち、燃焼域3での燃焼熱によって改質器2が加熱される構造となっている。
1 and 2, the fuel cell structure used in the present invention has a structure in which a fuel cell 1 and a reformer 2 are provided in a predetermined heat insulating housing (not shown). A
即ち、都市ガスなどの炭化水素ガス(通常、CH4ガス)を、脱硫器5(図2において省略)を介して改質器2に供給し、水素リッチな燃料ガスに改質し、改質された燃料ガスを燃料電池1内に供給する。一方、燃料電池1内には、別経路で空気が供給され、これらのガスの供給によって発電が行われる。発電後のガスは、燃料電池1の上部に排出され、点火バーナーなどによる着火によって燃焼域3で拡散燃焼し、燃焼廃ガス(排気ガス)は、外部に放出される。
That is, a hydrocarbon gas such as city gas (usually CH 4 gas) is supplied to the reformer 2 via the desulfurizer 5 (not shown in FIG. 2), reformed into a hydrogen-rich fuel gas, and reformed. The fuel gas thus supplied is supplied into the fuel cell 1. On the other hand, air is supplied into the fuel cell 1 through another route, and power is generated by supplying these gases. The gas after power generation is discharged to the upper part of the fuel cell 1 and diffused and burned in the
図2に示されるように、燃料電池1は、複数のセルユニットを接続したセルスタック10が、適当な間隔で、複数配列した構造を有しており、セルスタックの各列の下部には、マニホールド11が設けられている。即ち、改質器2を通って得られた改質ガス(燃料ガス)は、マニホールド11を介して各セルスタック10のセルユニット内部に供給され、セルスタック10の上部から燃焼域3に放出されるようになっている。
As shown in FIG. 2, the fuel cell 1 has a structure in which a plurality of cell stacks 10 connected to a plurality of cell units are arranged at appropriate intervals. A manifold 11 is provided. That is, the reformed gas (fuel gas) obtained through the reformer 2 is supplied into the cell unit of each
一方、セルスタック10の間には、発電用ガス供給管13が上方から下方に延びており、この供給管13によって発電用の空気が供給される。即ち、発電用の空気は、供給管13の下端からセルスタック10のセル間に供給され、セルスタック10間の上部から燃焼域3に放出されるようになっており、燃焼域3では、十分な酸素の供給により、拡散燃焼による燃焼が行われるようになっている。
On the other hand, a power generation
セルスタック10の構造を示す図3を参照して説明すると、マニホールド11上に設けられているセルスタック10は、上下方向に細長く延びる板状でかつ柱状の直立セルユニット20が複数個接続されたものであり、複数のセルスタック10の間の空間に、発電用のガス供給管13が上方から下方に延びている。
Referring to FIG. 3 showing the structure of the
セルユニット20は、それぞれ、電極支持基板21の一方側の面に、燃料極層23、固体電解質層25及び酸素極層27がこの順に積層され、電極支持基板21の他方側の面に、燃料極層23と対面するように、インターコネクタ29が積層された構造を有している。尚、固体電解質層25は、燃料極層23を完全に覆うように設けられており、燃料極層23及び固体電解質層25は、電極支持板21の他方の面まで回りこんでおり、インターコネクタ29の両端に接合されている。また、電極支持板21の内部には、マニホールド11に連通している複数のガス孔21aが形成されており、マニホールド11内に供給された燃料ガス(改質ガス)は、このガス孔21aを通って、上部の燃焼域3に排出されるようになっている。即ち、セルユニット20内のガス孔21aに燃料ガス(改質ガス)を供給し、且つセルスタック10の間に、ガス供給管13から発電用の酸素含有ガスを供給することにより、発電が行われる構造となっている。
In each
また、隣接するセルユニット20は集電部材31によって接続されており、一方のセルユニット20のインターコネクタ31と他方のセルユニット20の酸素極層27が集電部材31で接続された構造となっている。図示されていないが、セルスタック10の両端に位置する集電部材31には、電力取出手段が接続された回路に接続されており、発電した電流が取り出されるようになっている。
上記のセルユニット20において、電極支持基板21は、燃料ガスを燃料極層23まで透過させるためにガス透過性であることが必要であり、さらに、インターコネクタ29を介して集電するために導電性であることが要求され、かかる要求を満足する多孔質の導電性セラミック(若しくはサーメット)から形成することができる。
In the
また、電極支持基板21は、燃料極層23や固体電解質層25との同時焼成により作製するために、Ni等の鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから構成されていることが好ましく、所要ガス透過性を備えるために開気孔率が30%以上、特に35乃至50%の範囲にあるのが好適であり、その導電率は300S/cm以上、特に440C/cm以上であるのが好ましい。
The
燃料極層23は、多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているZrO2(安定化ジルコニアを称されている)と、Ni及び/又はNiOとから形成することができる。
The
固体電解質層25は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと空気とのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、3〜15モル%の希土類元素が固溶したZrO2から形成される。 The solid electrolyte layer 25 has a function as an electrolyte for bridging electrons between the electrodes, and at the same time needs to have a gas barrier property in order to prevent leakage between fuel gas and air. In general, it is formed from ZrO 2 in which 3 to 15 mol% of a rare earth element is dissolved.
酸素極層27は、所謂ABO3型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックから形成することができる。酸素極層27はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が20%以上、特に30乃至50%の範囲にあることが好ましい。
The
インターコネクタ29は、導電性セラミックから形成することができるが、水素ガス(燃料ガス)及び酸素含有ガス(空気)と接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、このためにランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO3系酸化物)が好適に使用される。また、インターコネクト29は、電極支持基板21に形成されたガス孔21aを通る燃料ガス及び電極支持基板21の外側を流動する空気のリークを防止するために緻密質でなければならず、93%以上、特に95%以上の相対密度を有していることが望まれる。
The
集電部材31は、弾性を有する金属又は合金から形成された適宜の形状の部材或いは金属繊維又は合金繊維から成るフェルトに所要表面処理を加えた部材から構成することができる。
The current collecting
即ち、上記のようなセルユニット20が所定の作動温度(700〜1000℃程度)に加熱された状態で、供給管13から発電用の酸素含有ガス(空気)を流し、ガス孔21aに燃料ガス(水素)を流すと、酸素極層27において、
1/2O2+2e−→O2−(固体電解質)
の電極反応が生じ、燃料極層23において、
O2−(固体電解質)+H2→H2O+2e−
の電極反応が生じ、この結果、発電することとなる。
That is, in a state where the
1 / 2O 2 + 2e − → O 2− (solid electrolyte)
The electrode reaction occurs, and in the
O 2− (solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e −
As a result, electric power is generated.
尚、セルユニット20の構造は、上述した例に限定されるものではなく、例えば、電極支持板21を燃料極とすることもできるし、燃料極層23と酸素極層27との位置関係を逆にし、ガス孔21aに発電用の酸素含有ガス(空気)を供給し、セルスタック10間に燃料ガス(改質ガス)を供給するような構造とすることも可能である。
The structure of the
ところで、上記のような燃料電池構造体を用いて発電を行うためには、既に述べたように、燃料源として、都市ガスに代表される炭化水素ガスを原燃料として使用し、この原燃料ガスを、改質器2を通しての改質反応により水素リッチな燃料ガスに改質して燃料電池本体1に供給する。この改質反応は、改質器に供給するガスの種類に応じて、部分酸化改質反応、自己熱改質反応及び水蒸気改質反応に区分される。即ち、炭化水素ガスと酸素含有ガス(即ち空気)とを改質器2に供給すれば部分酸化反応による改質反応となり、炭化水素ガスと酸素含有ガスと水蒸気とを改質器2に供給すれば自己熱改質反応となり、炭化水素ガスと酸素含有ガスとを改質器2に供給すれば水蒸気改質反応となる。このような改質反応を生じさせるためには、改質触媒の種類に応じて、改質反応開始温度以上に改質器2(改質触媒)を加熱する必要がある。特に水蒸気改質反応は、吸熱反応であるため、これを継続させるためには、温度低下を生じないように加熱し続ける必要がある。また、セル20を作動温度に加熱する必要もある。従って、このような加熱を、格別の加熱源を用いることなく行うために、燃料電池本体1の上部に燃焼域3を設け、改質器2と燃料電離本体1との間に燃焼域3を配置することにより、燃焼域3での燃焼を利用する。また、この改質器2には、改質用の水蒸気が原料ガス(炭化水素ガス)と共に供給されるが、この水蒸気を、別個の加熱源を用いて生成させて改質器2に供給することもできるが、改質器2に水蒸気を生成させる気化室を設け、上記の燃焼域3での燃焼熱により水蒸気を生成させて改質器2に水蒸気を供給することもでき、熱効率を高め、エネルギーコストを削減することができる。このような構造の改質器2は図2に示されている。
By the way, in order to generate power using the fuel cell structure as described above, as described above, a hydrocarbon gas typified by city gas is used as a raw fuel as a fuel source. Is reformed into a hydrogen-rich fuel gas by a reforming reaction through the reformer 2 and supplied to the fuel cell body 1. This reforming reaction is classified into a partial oxidation reforming reaction, an autothermal reforming reaction, and a steam reforming reaction according to the type of gas supplied to the reformer. That is, if a hydrocarbon gas and an oxygen-containing gas (that is, air) are supplied to the reformer 2, a reforming reaction is performed by a partial oxidation reaction, and the hydrocarbon gas, the oxygen-containing gas, and water vapor are supplied to the reformer 2. If a hydrocarbon gas and an oxygen-containing gas are supplied to the reformer 2, a steam reforming reaction is obtained. In order to cause such a reforming reaction, it is necessary to heat the reformer 2 (reforming catalyst) above the reforming reaction start temperature according to the type of the reforming catalyst. In particular, since the steam reforming reaction is an endothermic reaction, in order to continue this, it is necessary to continue heating so as not to cause a temperature drop. It is also necessary to heat the
このような改質器2は、図2に示すように、間に燃焼域3を挟んで、燃料電池本体1(セルスタック10)の上部の全体に位置するように配置される。即ち、改質器2の全体が燃焼域3での燃焼によって加熱されるようにする。
As shown in FIG. 2, such a reformer 2 is disposed so as to be positioned over the entire upper portion of the fuel cell main body 1 (cell stack 10) with the
この改質器2は、断面がリング状の筒状体であり(勿論、断面が矩形状であってもよい)、上部に触媒収容室40と、下部に気化室41とを有しており、触媒収容室40の一方の端部(ガス供給側)には、入口室(ガス混合室)43が形成され、他方の端部(ガス排出側)には、出口室44が形成されている。入口室43には、改質すべき原燃料ガスを供給するガス供給管45が接続され、出口室44には、触媒収容室40で改質されたガスを排出する排気管47が接続され、この排気管47は、燃料電池本体1のマニホールド11に連通している。
The reformer 2 is a cylindrical body having a ring-shaped cross section (of course, the cross section may be rectangular), and has a
触媒収容室40内には、改質触媒49が収容されており、触媒収容室40は、収容されている改質触媒49が漏れないようにメッシュなどの仕切壁50によって入口室43及び出口室44と区画されている。また、入口室43と気化室41のガス供給側部分とは、水蒸気が流通するようにやはりメッシュなどの仕切壁51によって区画されている。
A reforming
また、気化室41のガス排出側部分には、送水管53が接続されており、気化室41内に水が供給されるようになっている。即ち、送水管53から水を供給すると、前述した燃焼域3からの燃焼熱による加熱によって気化室41で水が気化し、生成した水蒸気が入口室43を通って触媒収容室40内に供給されることとなる。このような構造を有する改質器2では、水の気化熱により、触媒収容室40や収容室40内の触媒入口温度(入口室43の温度)の過度の昇温が抑制され、炭素の析出防止に極めて好適である。
A
また、触媒収容室40の大きさは、特に制限されるものではないが、特に家庭用に燃料電池構造体を使用する場合を考慮すると、コンパクトであり且つ改質器を通すガスと触媒との間に改質を十分に行い得る接触時間を確保するなどの観点から、その長さLと開口径Dとの比L/Dを5乃至15程度となるように設定するのがよい。
In addition, the size of the
尚、触媒収容室40内に収容される改質触媒49としては、それ自体、公知のものが使用され、例えばNi触媒(酸化発生温度:350℃)等の卑金属触媒や、Ru,Ptなどの貴金属触媒が使用される。Ni触媒等の卑金属触媒は酸化活性が低く、改質反応開始温度は酸化発生温度に等しく350℃程度と高く、一方、貴金属触媒は、通常、酸化活性が高く、炭化水素ガスを通したときの改質反応開始温度が250〜300℃程度である。
In addition, as the reforming
また、気化室41は、水の気化を容易に行い、入口室43を介して触媒収容室内40にスムーズに水蒸気を供給するような構造であれば、どのような構造を有していてもよく、例えば、熱容量の高い耐熱性セラミック粒子などを気化室41内に充填しておくこともできる。
The
上記のような構造の改質器2においては、触媒収容室40の前後にある入口室43及び出口室44を区画している仕切壁50に熱電対などの温度センサ(図示せず)を設け、触媒収容室40に充填された改質触媒49に導入されるガス温度或いは改質触媒49から排出されるガスの温度をモニターしながら、以下の運転が行われるようになっている。
In the reformer 2 having the above-described structure, a temperature sensor (not shown) such as a thermocouple is provided on the
(燃料電池の稼動)
上述した燃料電池構造体を稼動して発電を行うには、燃料電池1に発電用の空気を供給しながら、改質器2を用いて原料ガス(炭化水素ガス)を改質して燃料電池1に供給する改質システムを稼動させる。この稼動に際しての改質器2の温度履歴は、図4に示されるようなものとなる。また、燃料電池1(セルユニット20)の温度履歴もほぼ同様である。
(Operation of fuel cell)
In order to generate electricity by operating the fuel cell structure described above, a fuel cell is produced by reforming a raw material gas (hydrocarbon gas) using a reformer 2 while supplying air for power generation to the fuel cell 1. The reforming system supplied to 1 is operated. The temperature history of the reformer 2 during this operation is as shown in FIG. The temperature history of the fuel cell 1 (cell unit 20) is substantially the same.
図4を参照して、燃料電池構造体1の稼動に際しては、炭化水素ガスと水蒸気との混合ガスを、改質器2を通して燃料電池1に供給すると同時に、別経路で発電用の空気を燃料電池1に供給して起動を開始させる。この起動時では、改質器2内の改質触媒49が所定の反応開始温度まで到達していないため、改質は行われておらず、炭化水素ガスと水蒸気との混合ガスは、そのまま、燃料電池1に供給される。尚、この場合、水蒸気の代わりに空気(O2)を炭化水素ガスと共に供給して起動させることもできる。また、水蒸気を供給する場合には、別個の熱源により水蒸気を生成させることが必要であるが、空気(以下、水蒸気の代わりに供給される空気を起動用空気と呼ぶことがある)を用いる場合には、このような別個の熱源は必要でない。
Referring to FIG. 4, when the fuel cell structure 1 is operated, a mixed gas of hydrocarbon gas and water vapor is supplied to the fuel cell 1 through the reformer 2 and at the same time, power generation air is fueled by another path. The battery 1 is supplied to start activation. At the start-up, since the reforming
燃料電池内に供給された上記の混合ガス及び別経路で供給される発電用の空気は、先で説明したように、燃料電池1(セルスタック10)の上部の燃焼域3に排出され、この燃焼域3で着火することにより燃焼し、その燃焼熱によって改質器2及び燃料電池1の温度が上昇する。
As described above, the mixed gas supplied into the fuel cell and the air for power generation supplied through another path are discharged to the
改質器2の温度(改質触媒49の温度)が昇温して所定の改質反応開始温度に到達すると、炭化水素ガスの改質が行われ、水素リッチな燃料ガスが生成し、この水素ガスを含む燃料ガスが燃料電池1に供給される。 When the temperature of the reformer 2 (temperature of the reforming catalyst 49) rises and reaches a predetermined reforming reaction start temperature, the reforming of the hydrocarbon gas is performed, and a hydrogen-rich fuel gas is generated. A fuel gas containing hydrogen gas is supplied to the fuel cell 1.
上記の改質反応は、炭化水素ガスとしてCH4ガスを用いた場合を例に取ると、炭化水素ガスと共に水蒸気を供給した場合には、下記式:
CH4+H2O → 3H2+CO (吸熱反応)
で表され、空気(酸素)を供給した場合には、下記式:
CH4+1/2O2 → 2H2+CO (発熱反応)
で表される。即ち、水蒸気を供給した場合には、水素の生成効率が高いものの、吸熱反応であるため、安定して改質反応を行うまでには時間がかかる(即ち、起動時間が長い)。一方、空気を供給して起動させる場合には、改質反応が発熱反応であるため、比較的短時間で安定して改質反応が生じる温度まで到達するが、反面、部分酸化反応と呼ばれる不完全燃焼であり、炭素が析出し易いという欠点がある。このため、起動時には炭化水素ガスと共に空気を供給し、安定して改質反応が行われる温度に到達した場合には、空気を水蒸気に切り替えて改質が行われる。尚、改質反応開始温度は、改質触媒49の酸化活性によって異なり、先に述べたように、Ni触媒などの卑金属触媒を用いた場合で約350℃程度であり、貴金属触媒を用いた場合で250〜300℃程度である。従って、空気から酸素に切り替えるタイミングとしては、改質器2の前記出口室44でモニターされるガス温が、改質反応開始温度よりも50℃程度高くなったときが好適である。
In the above reforming reaction, for example, when CH 4 gas is used as the hydrocarbon gas, when steam is supplied together with the hydrocarbon gas, the following formula:
CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO (endothermic reaction)
When air (oxygen) is supplied, the following formula:
CH 4 + 1 / 2O 2 → 2H 2 + CO (exothermic reaction)
It is represented by That is, when steam is supplied, although the hydrogen generation efficiency is high, it is an endothermic reaction, so it takes time to perform the reforming reaction stably (that is, the startup time is long). On the other hand, when starting by supplying air, since the reforming reaction is an exothermic reaction, the temperature reaches a temperature at which the reforming reaction occurs stably in a relatively short time. There is a drawback that it is complete combustion and carbon is likely to precipitate. For this reason, at the time of start-up, air is supplied together with the hydrocarbon gas, and when the temperature reaches a temperature at which the reforming reaction is stably performed, the reforming is performed by switching the air to steam. The reforming reaction start temperature varies depending on the oxidation activity of the reforming
また、水蒸気の代わりに空気を供給する場合、起動用空気と炭化水素ガスとは、酸素(O2)と炭化水素(C)との混合モル比(O2/C)が0.5乃至1.0の範囲となるように調整されていることが好ましい。例えば、起動用空気の供給量が上記範囲よりも少ない場合には、改質触媒49の温度が改質反応開始温度以上になったとき、改質触媒49上で炭化水素と反応する酸素量が不足するため、炭化水素の熱分解を生じてしまい、炭素(煤)の発生を生じてしまうおそれがある。また、空気の供給量が上記範囲よりも多い場合には、改質触媒49の温度が改質反応開始温度以上になったとき、完全燃焼が生じてしまい、改質器2の温度が一気に上昇し、改質器2の破損等を生じてしまうおそれがある。また、完全燃焼であるため、改質器2の内部から配管内で燃焼してしまう逆火の危険性があるからである。
When air is supplied instead of water vapor, the start-up air and the hydrocarbon gas have a mixed molar ratio (O 2 / C) of oxygen (O 2 ) to hydrocarbon (C) of 0.5 to 1. It is preferably adjusted so as to be in the range of 0.0. For example, when the supply amount of starting air is less than the above range, when the temperature of the reforming
また、起動時に空気を炭化水素ガスと共に供給し、その後、空気を水蒸気に切り替える場合には、特に図2に示されている構造の改質器2を用いることが好適である。即ち、水蒸気に切り替えるときには、この構造の改質器2では、気化室41が十分に加熱されており、送水管53からの水の供給により、気化室41で水蒸気が生成するため、格別の熱源を用いる必要がないからである。
In addition, when air is supplied together with the hydrocarbon gas at the start-up, and then the air is switched to steam, it is particularly preferable to use the reformer 2 having the structure shown in FIG. That is, when switching to steam, in the reformer 2 of this structure, the
上記のようにして炭化水素ガスと水蒸気との混合ガスが改質器2内の改質触媒49に供給され、燃料電池1(セルユニット20)の温度が所定の発電温度(700〜1000℃)に到達すると、この状態で、前述した電極反応が生じて発電が開始される。即ち、発電を安定に継続して行っている安定稼動の状態では、燃焼域3での燃焼により、改質器2の温度は500℃以上の温度に保持されている。
As described above, a mixed gas of hydrocarbon gas and water vapor is supplied to the reforming
尚、上記のような安定稼動時において、水蒸気と炭化水素ガスとの混合モル比(H2O/C)が1.5乃至4.0の範囲となるように調整されていることが好ましい。 In the stable operation as described above, the mixing molar ratio (H 2 O / C) of water vapor and hydrocarbon gas is preferably adjusted to be in the range of 1.5 to 4.0.
(稼動停止)
安定稼動している燃料電池構造体において、燃料電池1が接続されている回路を遮断すると、電流の流れがストップして発電を停止せしめ、改質器2へのガス供給の停止及び改質触媒49の室温への降温を行ない)、図5に示すようにして、本発明ではその稼動が停止される。尚、図5のフローチャートは、改質触媒として酸化発生温度が350℃のNi触媒を使用した場合を例にとって示したものである。
(Operation stopped)
In a fuel cell structure that is operating stably, when the circuit to which the fuel cell 1 is connected is interrupted, the flow of current stops and power generation is stopped, the supply of gas to the reformer 2 is stopped, and the reforming catalyst. 49, the operation is stopped in the present invention, as shown in FIG. The flowchart in FIG. 5 shows an example in which a Ni catalyst having an oxidation generation temperature of 350 ° C. is used as the reforming catalyst.
即ち、図5を参照して、燃料電池構造体の稼動時には、燃料電池1は、作動温度(通常、700℃以上)に加熱保持されており、燃料電池1から排出されるガスの燃焼熱によって改質器2は加熱保持されている。この改質器は、燃料電池と共に断熱性のハウジング内に収容され且つ上記ガスの燃焼域に隣接して配置されているため、このような稼動時には、500℃以上の高温に加熱保持され、安定に改質反応が行われるようになっている。本発明において、上記のような改質器2を用いての稼動を停止するには、先ず燃料電池1の発電を停止するが、この発電停止に伴い、発電反応による反応熱やジュール熱の発生がなくなるため、燃料電池1や改質器2の降温が始まる。また、この際、燃料電池1への空気の供給は、継続して行われる。即ち、発電のために燃料電池1に供給される空気は、発電停止に伴い、冷却用ガスとして機能することとなり、燃料電池1が室温程度に降温するまで、空気の燃料電池1への供給が続けられる。 That is, referring to FIG. 5, when the fuel cell structure is in operation, the fuel cell 1 is heated and held at the operating temperature (usually 700 ° C. or higher), and the combustion heat of the gas discharged from the fuel cell 1 The reformer 2 is heated and held. Since this reformer is housed in a heat insulating housing together with the fuel cell and is disposed adjacent to the gas combustion zone, it is heated and maintained at a high temperature of 500 ° C. or higher during such operation. A reforming reaction is carried out. In the present invention, in order to stop the operation using the reformer 2 as described above, first, the power generation of the fuel cell 1 is stopped. Along with this power generation stop, generation of reaction heat and Joule heat due to power generation reaction. Therefore, the temperature drop of the fuel cell 1 and the reformer 2 starts. At this time, the supply of air to the fuel cell 1 is continued. That is, the air supplied to the fuel cell 1 for power generation functions as a cooling gas when the power generation is stopped, and the supply of air to the fuel cell 1 is continued until the temperature of the fuel cell 1 drops to about room temperature. You can continue.
尚、以下の説明において、改質器2の温度とは、既に述べたが、改質触媒49の温度に相当するものであり、通常、出口室44で測定される改質触媒出口側のガス温度であり、この出口側の温度よりも入口側の温度が高い場合には、入口室43で測定される改質触媒入口側のガス温度である。
In the following description, the temperature of the reformer 2 has already been described, but corresponds to the temperature of the reforming
本発明において、発電停止による降温開始に伴い、改質器2に供給していた原料ガス(炭化水素ガス)の供給量を低減させ、低減した量の原料ガスと水蒸気とを、未だ高温に保持されている改質器2を通して燃料電池1内に供給する。即ち、この段階では、水素の自然発火温度(約550℃)以上であるため、燃料電池から排出されるガスの燃焼は停止していないが、原料ガスの低減により燃焼熱量が低減すると同時に、吸熱反応である水蒸気改質反応が引き続いているため、改質器2及び燃料電池1の降温が促進される。また、炭化水素ガスが過剰量の水蒸気と共存しているため、炭化水素の熱分解による炭素の析出が有効に抑制され、さらには、改質反応により発生する水素により、改質触媒49の酸化或いはセルユニット20の電極等を構成している金属成分(例えばNi)の酸化を有効に防止することができる。
In the present invention, the supply amount of the raw material gas (hydrocarbon gas) supplied to the reformer 2 is reduced along with the start of temperature drop due to the stop of power generation, and the reduced amount of raw material gas and water vapor are still kept at a high temperature. The fuel is supplied into the fuel cell 1 through the reformer 2. That is, at this stage, since the temperature is higher than the spontaneous ignition temperature of hydrogen (about 550 ° C.), the combustion of the gas discharged from the fuel cell is not stopped. Since the steam reforming reaction, which is a reaction, continues, the temperature drop of the reformer 2 and the fuel cell 1 is promoted. Further, since the hydrocarbon gas coexists with an excessive amount of water vapor, the carbon deposition due to the thermal decomposition of the hydrocarbon is effectively suppressed, and further, the oxidation of the reforming
かかる段階において、炭化水素ガスの低減量は、通常、安定稼動時の炭化水素ガス最大供給量の0.01乃至0.6倍、特に0.05乃至0.3倍となるように設定するのが好ましい。この範囲で炭化水素ガスを低減させることにより、水蒸気改質反応を適度に発生させ、効果的に改質器2の降温を促進させると同時に、水蒸気不足による炭素析出を最も確実に防止することができる。また、改質反応により生じた水素流により、改質触媒の再酸化や燃料電池1内の電極に用いられているNiなどの金属成分の酸化を効果的に防止することができる。 In such a stage, the amount of reduction of hydrocarbon gas is usually set to be 0.01 to 0.6 times, particularly 0.05 to 0.3 times the maximum amount of hydrocarbon gas during stable operation. Is preferred. By reducing the hydrocarbon gas within this range, it is possible to generate a steam reforming reaction moderately, effectively promote the temperature drop of the reformer 2, and at the same time most reliably prevent carbon deposition due to steam shortage. it can. In addition, the hydrogen flow generated by the reforming reaction can effectively prevent reoxidation of the reforming catalyst and oxidation of metal components such as Ni used for the electrodes in the fuel cell 1.
上記のようにして降温が続き、改質器2の温度が改質触媒の酸化発生温度(図5において、Ni触媒の酸化発生温度である350℃を示した)付近、具体的には酸化発生温度±150℃の温度領域に達したときには、炭化水素ガスと水蒸気との混合ガスの改質器2への供給を停止する。即ち、この温度領域は、水素の自然発火温度領域を下回っており、混合ガスの供給停止により、燃料電池から排出されるガスの燃焼を速やかに停止することができ、改質器2や燃料電池1の降温をさらに促進させることができることとなる。 The temperature continues to decrease as described above, and the temperature of the reformer 2 is near the oxidation generation temperature of the reforming catalyst (shown in FIG. 5 which is 350 ° C., which is the oxidation generation temperature of the Ni catalyst). When the temperature reaches the temperature range of ± 150 ° C., the supply of the mixed gas of hydrocarbon gas and steam to the reformer 2 is stopped. That is, this temperature range is lower than the spontaneous ignition temperature range of hydrogen, and by stopping the supply of the mixed gas, combustion of the gas discharged from the fuel cell can be stopped quickly, and the reformer 2 and the fuel cell can be stopped. The temperature drop of 1 can be further promoted.
上記のようにして混合ガスの供給を停止した後、パージガスを改質器2に供給し、燃料電池1に流すことにより、改質器2内や燃料電池1内或いは配管内に存在する水蒸気を排出することにより、水蒸気を酸素源とする改質触媒等の再酸化や引き続いての降温による水蒸気の凝縮を防止することができる。 After the supply of the mixed gas is stopped as described above, the purge gas is supplied to the reformer 2 and flows to the fuel cell 1, whereby the water vapor present in the reformer 2, the fuel cell 1, or the piping is removed. By discharging, it is possible to prevent re-oxidation of a reforming catalyst or the like using steam as an oxygen source, and subsequent condensation of steam due to a temperature drop.
本発明において、かかるパージガスとしては、不活性ガスを使用せず、原料ガス(炭化水素ガス)或いは空気を用いる。即ち、不活性ガスを用いる時には、発電のためのガス供給機構とは別個にガス供給機構を設けることが必要であり、また不活性ガス供給源を設置しておかなければならず、コストの増大或いは設備の複雑化をもたらす。しかるに、原料ガスや空気は、発電のために使用されるため、格別の供給機構は必要とせず、コストの増大等を有効に回避することができる。例えば、一般的には、原料ガスをパージガスとして使用するが、前述した起動のために空気を用いるときには、空気供給管が改質器に接続されているので、空気をパージガスとして使用することができる。特に空気をパージガスとして使用する場合には、原料ガスの無駄な消費を回避し、ランニングコストを低減させることができる上で有利である。 In the present invention, as the purge gas, an inert gas is not used, but a raw material gas (hydrocarbon gas) or air is used. That is, when an inert gas is used, it is necessary to provide a gas supply mechanism separately from the gas supply mechanism for power generation, and an inert gas supply source must be installed, which increases costs. Or, the equipment becomes complicated. However, since the source gas and air are used for power generation, no special supply mechanism is required, and an increase in cost or the like can be effectively avoided. For example, in general, the raw material gas is used as the purge gas, but when air is used for the above-described activation, the air can be used as the purge gas because the air supply pipe is connected to the reformer. . In particular, when air is used as the purge gas, it is advantageous in that wasteful consumption of the raw material gas can be avoided and the running cost can be reduced.
混合ガスの供給停止後のパージガスの供給開始は、改質器2の温度が水蒸気の凝縮温度(通常、100℃)よりも高い温度で行えばよいが、一般的には、混合ガスの供給停止に引き続いて、タイムラグをおくことなく、連続してパージガスの供給を行うことが好ましい。即ち、改質器2に連続してガスを流し続けておくことが、その降温を促進させる上で有利となるからである。また、混合ガスの供給を、少なくとも改質触媒の酸化発生温度まで続け、混合ガスの供給停止に続いてパージガスの供給を開始することが、改質触媒の再酸化を防止する上で好ましい。特にパージガスとして空気を用いる場合には、パージガスである空気の供給を酸化発生温度以下で開始することが、改質触媒の再酸化を防止する上で最も好適である。 The supply of the purge gas after the supply of the mixed gas is stopped may be performed at a temperature where the temperature of the reformer 2 is higher than the condensation temperature of steam (usually 100 ° C.), but in general, the supply of the mixed gas is stopped. Subsequent to this, it is preferable to continuously supply the purge gas without leaving a time lag. That is, it is advantageous to continue the flow of gas through the reformer 2 in order to promote the temperature drop. Further, it is preferable to continue the supply of the mixed gas up to at least the oxidation generation temperature of the reforming catalyst and start the supply of the purge gas following the stop of the supply of the mixed gas in order to prevent reoxidation of the reforming catalyst. In particular, when air is used as the purge gas, it is most preferable to start supplying the purge gas at an oxidation generation temperature or lower in order to prevent reoxidation of the reforming catalyst.
パージガスの供給は、改質器2や燃料電池1或いは配管の内部に存在する水蒸気を全て排出する程度に行われれば十分であるが、やはり改質器2や燃料電池1の降温を促進させる上で、改質器2の温度が100℃以下、特に室温付近に降温するまで行うことが望ましい。 It is sufficient that the purge gas is supplied to such an extent that the water vapor existing in the reformer 2, the fuel cell 1, or the piping is exhausted. Thus, it is desirable that the reformer 2 be heated until the temperature of the reformer 2 falls to 100 ° C. or lower, particularly near room temperature.
上記のようにして改質器2及び燃料電池1の降温が行われ、燃料電池1の温度が室温付近まで低下し、別経路での燃料電池1内への空気の供給を停止することにより、本発明による稼動停止操作は終了する。 As described above, the temperature of the reformer 2 and the fuel cell 1 is lowered, the temperature of the fuel cell 1 is lowered to near room temperature, and the supply of air into the fuel cell 1 in another path is stopped, The operation stop operation according to the present invention ends.
上述した図5の例は、混合ガスの供給停止に続いてパージガスを供給するものであるが、本発明においては、混合ガスの供給停止後に、一旦水蒸気を供給した後に(即ち、炭化水素ガスの供給のみを停止し、水蒸気の供給を続行する)、パージガスを供給することもできる。即ち、前述した混合ガス供給段階或いは安定稼動時で炭素の析出が生じていたとしても、この析出炭素を、水蒸気の供給による下記反応(スチーミング):
C+H2O→CO+H2
によって取り除くことができるからである。
In the example of FIG. 5 described above, the purge gas is supplied after the supply of the mixed gas is stopped. However, in the present invention, after the supply of the mixed gas is stopped, the steam is once supplied (that is, the hydrocarbon gas is supplied). Only the supply is stopped and the supply of water vapor is continued), and the purge gas can be supplied. That is, even if carbon deposition occurs in the mixed gas supply stage or stable operation described above, the deposited carbon is converted into the following reaction (steaming) by supplying water vapor:
C + H 2 O → CO + H 2
It is because it can be removed by.
このように、パージガスの供給に先立って水蒸気(スチーム)を供給する態様のフローチャートを図6及び図7に示した。 Thus, the flowchart of the aspect which supplies water vapor | steam (steam) prior to supply of purge gas was shown in FIG.6 and FIG.7.
図6及び図7の例では、減量された炭化水素ガスと水蒸気との混合ガスの供給停止温度Xを、改質触媒の酸化発生温度よりも高い温度、好ましくは酸化発生温度〜酸化発生温度+150℃の範囲に設定し、この混合ガスの供給停止に引き続いて、水蒸気を連続的に供給することが好ましい。即ち、酸化発生温度〜酸化発生温度+150℃の温度領域では、上記のスチーミング反応による析出炭素の除去を効果的に行うことができると同時に、この温度領域ならば触媒の酸化速度が遅く、水蒸気を酸素源とする改質触媒の再酸化を無視できる程度のレベルに抑制することが可能となるからである。 In the example of FIGS. 6 and 7, the supply stop temperature X of the mixed gas of the reduced hydrocarbon gas and steam is set to a temperature higher than the oxidation generation temperature of the reforming catalyst, preferably from the oxidation generation temperature to the oxidation generation temperature + 150. It is preferable to set the temperature in the range of ° C. and continuously supply water vapor following the supply of the mixed gas. That is, in the temperature range from the oxidation generation temperature to the oxidation generation temperature + 150 ° C., it is possible to effectively remove the precipitated carbon by the above steaming reaction, and at this temperature range, the oxidation rate of the catalyst is slow, This is because it is possible to suppress the reoxidation of the reforming catalyst using NO as an oxygen source to a level that can be ignored.
また、水蒸気の供給は、少なくともその凝縮温度よりも高い温度で停止すべきであるが、具体的な停止温度Yは、水蒸気生成手段によって異なる。即ち、前述した図2に示されているような燃料電池構造体内の燃焼熱を利用して水蒸気を発生させるときには、図6に示されているように、少なくとも改質触媒の酸化発生温度までは水蒸気の供給を行い、その供給停止温度Yは、比較的高い領域、例えば200乃至350℃の範囲とすることが、安定に水蒸気を供給する上で好ましい。また、燃料電池構造体とは全く別個に熱源を設けて水蒸気を生成する場合には、水蒸気を安定に供給できるため、図7に示されているように、その供給停止温度を比較的低い領域、例えば100乃至2004年5月28日℃の範囲に設定することが好ましい。この範囲での供給停止ならば、改質器2の温度が水蒸気の凝縮温度(通常100℃である)に降温するまでの間に、パージガスにより水蒸気を完全に排除することが可能となるからである。 In addition, the supply of water vapor should be stopped at a temperature higher than at least the condensation temperature, but the specific stop temperature Y varies depending on the water vapor generating means. That is, when steam is generated using the combustion heat in the fuel cell structure as shown in FIG. 2 as described above, as shown in FIG. 6, at least up to the oxidation generation temperature of the reforming catalyst. It is preferable to supply the water vapor and to set the supply stop temperature Y to a relatively high region, for example, 200 to 350 ° C., in order to stably supply the water vapor. In addition, when water vapor is generated by providing a heat source completely separate from the fuel cell structure, water vapor can be stably supplied. Therefore, as shown in FIG. For example, it is preferable to set the temperature in the range of 100 to May 28, 2004. If the supply is stopped in this range, the steam can be completely removed by the purge gas until the temperature of the reformer 2 is lowered to the steam condensing temperature (usually 100 ° C.). is there.
尚、本発明においては、パージガスとして原料ガス(炭化水素ガス)を用いる場合には、上述した図5乃至図7の何れの態様においても、改質触媒49の酸化発生温度以下であって且つ炭化水素の熱分解温度(通常、300〜400℃程度)以下でパージを開始することが、炭素の析出を確実に防止する上で好ましい。改質触媒の種類によっては、酸化発生温度以下であっても炭化水素の熱分解温度以上のときがあり、この場合には、該熱分解温度以下でパージガスである原料ガスの供給を開始するのがよい。
In the present invention, when a source gas (hydrocarbon gas) is used as the purge gas, in any of the above-described embodiments shown in FIGS. 5 to 7, the temperature is lower than the oxidation generation temperature of the reforming
本発明においては、上記のようにして改質器を降温させることにより、水蒸気の凝縮を発生させることなく、より早く室温まで改質器を降温させ、炭素の析出や改質触媒の酸化も有効に回避することができ、しかも燃料電池1に関しても同様にして、炭素の析出や電池構成金属等の酸化を有効に回避することができる。特に、改質触媒としてNi触媒を用いた場合には、燃料電池に対しても、全く同様に酸化防止効果を得ることができる。即ち、燃料電池1には、この電極支持体や燃料極材料としてNiが使用されており、Ni触媒と同様の酸化挙動を示すからである。 In the present invention, by reducing the temperature of the reformer as described above, the temperature of the reformer is lowered to room temperature more quickly without causing condensation of water vapor, and carbon deposition and oxidation of the reforming catalyst are also effective. In addition, the fuel cell 1 can be effectively avoided in the same manner from the precipitation of carbon and the oxidation of the metal constituting the cell. In particular, when a Ni catalyst is used as the reforming catalyst, the same antioxidant effect can be obtained for the fuel cell. That is, the fuel cell 1 uses Ni as the electrode support and fuel electrode material, and exhibits the same oxidation behavior as the Ni catalyst.
1:燃料電池
2:改質器
3:燃焼域
40:触媒収容室
41:気化室
43:入口室
44:出口室
49:改質触媒
53:送水管
1: Fuel cell 2: Reformer 3: Combustion zone 40: Catalyst storage chamber 41: Vaporization chamber 43: Inlet chamber 44: Outlet chamber 49: Reforming catalyst 53: Water pipe
Claims (9)
燃料電池内への空気の供給を継続して行いながら、前記炭化水素ガスの供給量を低減させ、低減された量の炭化水素ガスと前記水蒸気との混合ガスを前記改質器を通して燃料電池内に供給し、
前記改質触媒の温度が、該触媒の酸化発生温度±150℃の範囲に降温したときに、前記混合ガスの供給を停止し、
前記混合ガスの供給を停止した後に、空気または炭化水素ガスをパージガスとして前記改質器を通して前記燃料電池に流してパージすることを特徴とする燃料電池の稼動停止方法。 A reformer containing the reforming catalyst and heated and held by the gas discharged from the fuel cell is reformed into a hydrogen-containing fuel gas through a mixed gas of hydrocarbon gas and water vapor. A method of stopping the operation of a fuel cell that is supplied into a flowing fuel cell to generate power,
While continuously supplying air into the fuel cell, the supply amount of the hydrocarbon gas is reduced, and the mixed gas of the reduced amount of the hydrocarbon gas and the water vapor is supplied into the fuel cell through the reformer. To supply
When the temperature of the reforming catalyst falls in the range of the oxidation occurrence temperature of the catalyst ± 150 ° C., the supply of the mixed gas is stopped,
A method of stopping the operation of a fuel cell, wherein after the supply of the mixed gas is stopped, air or hydrocarbon gas is purged as a purge gas through the reformer through the reformer.
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