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JP2006019081A - Solid oxide fuel cell system and driving method of solid oxide fuel cell system - Google Patents

Solid oxide fuel cell system and driving method of solid oxide fuel cell system Download PDF

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JP2006019081A
JP2006019081A JP2004194167A JP2004194167A JP2006019081A JP 2006019081 A JP2006019081 A JP 2006019081A JP 2004194167 A JP2004194167 A JP 2004194167A JP 2004194167 A JP2004194167 A JP 2004194167A JP 2006019081 A JP2006019081 A JP 2006019081A
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JP
Japan
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oxide fuel
solid oxide
fuel cell
cell system
reformer
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Application number
JP2004194167A
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Japanese (ja)
Inventor
Naoki Shikazono
直毅 鹿園
Nobuhide Kasagi
伸英 笠木
Hiroyasu Kimura
泰康 木村
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University of Tokyo NUC
Original Assignee
University of Tokyo NUC
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Publication date
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Abstract

【課題】空気流量を増大させることなく、固体酸化物形燃料電池システムの温度分布の均一化を図り、過度の温度分布に起因した熱応力による固体酸化物形燃料電池の破壊や活性化過電圧及び電気抵抗の増大などの諸問題を解決する。
【解決手段】水素ガスと空気との反応を通じて発電を生ぜしめる複数の固体酸化物形燃料電池11を、空気の流れ方向FAに配置する。次いで、炭化水素燃料ガスを前記水素ガス及び一酸化炭素ガスに改質するための複数の改質器12を、空気の流れ方向FAに配置する。これによって、固体酸化物形燃料電池11間での前記空気の温度上昇を抑制し、固体酸化物形燃料電池11及び改質器12を含む固体酸化物形燃料電池システム10内の温度分布を一様化する。
【選択図】図1
To achieve uniform temperature distribution of a solid oxide fuel cell system without increasing the air flow rate, and to destroy or activate an overvoltage of the solid oxide fuel cell due to thermal stress caused by excessive temperature distribution. Solve various problems such as increased electrical resistance.
A plurality of solid oxide fuel cells 11 that generate power through a reaction between hydrogen gas and air are arranged in an air flow direction FA. Next, a plurality of reformers 12 for reforming the hydrocarbon fuel gas into the hydrogen gas and carbon monoxide gas are arranged in the air flow direction FA. Thus, the temperature rise of the air between the solid oxide fuel cells 11 is suppressed, and the temperature distribution in the solid oxide fuel cell system 10 including the solid oxide fuel cell 11 and the reformer 12 is made uniform. To embody.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池システム、及び固体酸化物形燃料電池システムの駆動方法に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell system and a driving method of the solid oxide fuel cell system.

固体酸化物燃料電池は1000℃程度の高温で作動するため、発電と同時に発生する高温排熱からさらに熱機関等を用いて動力を回収することが可能である。また、吸熱反応である炭化水素燃料ガスの水蒸気改質反応にその排熱を利用することができることから、極めて高効率なシステムを構築できる。   Since the solid oxide fuel cell operates at a high temperature of about 1000 ° C., it is possible to recover power from a high-temperature exhaust heat generated simultaneously with power generation using a heat engine or the like. In addition, since the exhaust heat can be used for the steam reforming reaction of hydrocarbon fuel gas, which is an endothermic reaction, an extremely efficient system can be constructed.

固体酸化物形燃料電池スタックは、酸素イオンを透過する固体電解質を空気側電極と燃料側電極で挟んだ電池部と、その両側を燃料及び空気が流れる流路部、発生した電気を集める集電部およびその流路に燃料、空気および排気ガスを供給・排出するマニホールド部から構成される。通常は、炭化水素燃料を改質する改質器、燃料空気供給部等を含めて固体酸化物形燃料電池システムが構成される。   A solid oxide fuel cell stack is a battery part in which a solid electrolyte that permeates oxygen ions is sandwiched between an air side electrode and a fuel side electrode, a flow path part through which fuel and air flow on both sides, and a current collector that collects generated electricity And a manifold section for supplying and discharging fuel, air and exhaust gas to and from the flow path. Usually, a solid oxide fuel cell system is configured including a reformer for reforming hydrocarbon fuel, a fuel air supply unit, and the like.

固体酸化物形燃料電池は高温作動のため、一般にはセラミック材料が用いられる。このため、電池内に過度の温度分布が発生すると、熱応力による破壊の発生や、活性化過電圧及び電気抵抗の増大などといった問題が発生する。通常の場合、酸化剤とともに冷却も兼ねる空気の流量を増大させて温度分布の均一化を図っている。   Since a solid oxide fuel cell operates at a high temperature, a ceramic material is generally used. For this reason, if excessive temperature distribution occurs in the battery, problems such as the occurrence of destruction due to thermal stress, increase in activation overvoltage and electrical resistance, and the like occur. Normally, the temperature distribution is made uniform by increasing the flow rate of air that also serves as cooling together with the oxidizing agent.

しかしながら、固体酸化物形燃料電池の基本部材はセラミックであるため、過度の温度分布が発生すると熱応力による破壊や、ホットスポットでの材料間の反応といった信頼性の問題が発生する。また、低温部では電極での活性化過電圧の増大や、電解質のイオン導電性が低下するため固体酸化物形燃料電池の効率低下の原因となる。さらに、通常は温度分布と同時に電流密度にも分布が発生し、理論起電力の大きな領域で過度のオーム損失が発生するため効率が低下するといった課題がある。   However, since the basic member of the solid oxide fuel cell is ceramic, reliability problems such as destruction due to thermal stress and reaction between materials at a hot spot occur when an excessive temperature distribution occurs. In addition, in the low temperature part, the activation overvoltage at the electrode increases, and the ionic conductivity of the electrolyte decreases, which causes the efficiency of the solid oxide fuel cell to decrease. In addition, there is a problem that the current density is distributed at the same time as the temperature distribution, and excessive ohmic loss occurs in a region where the theoretical electromotive force is large.

また、空気の流量を増大させて温度分布の均一化を図ろうとすると、空気流量の増大のために余計な送風動力が必要になること、排熱の温度が下がるためシステム全体での効率が下がること、そのために補器類や配管が大形、高価になるといった課題がある。   Also, if the air flow rate is increased to make the temperature distribution uniform, extra air blowing power is required to increase the air flow rate, and the exhaust system temperature decreases, so the efficiency of the entire system decreases. Therefore, there is a problem that auxiliary equipment and piping are large and expensive.

本発明は、空気流量を増大させることなく、固体酸化物形燃料電池システムの温度分布の均一化を図り、過度の温度分布に起因した熱応力による固体酸化物形燃料電池の破壊や活性化過電圧及び電気抵抗の増大などの諸問題を解決することを目的とする。   The present invention aims to make the temperature distribution of a solid oxide fuel cell system uniform without increasing the air flow rate, and destroy or activate overvoltage of the solid oxide fuel cell due to thermal stress caused by excessive temperature distribution. And it aims at solving various problems, such as an increase in electrical resistance.

上記目的を達成すべく、本発明は、
炭化水素燃料ガスを水素ガス及び一酸化炭素ガスに改質するための複数の改質器と、
前記水素ガスと空気との反応を通じて発電を生ぜしめる複数の固体酸化物形燃料電池とを具え、
前記複数の改質器と前記複数の固体酸化物形燃料電池とは、前記空気の流れ方向において配列されたことを特徴とする、固体酸化物形燃料電池システムに関する。
In order to achieve the above object, the present invention provides:
A plurality of reformers for reforming hydrocarbon fuel gas into hydrogen gas and carbon monoxide gas;
Comprising a plurality of solid oxide fuel cells that generate electricity through a reaction between the hydrogen gas and air,
The plurality of reformers and the plurality of solid oxide fuel cells are arranged in the air flow direction, and relate to a solid oxide fuel cell system.

また、本発明は、
水素ガスと空気との反応を通じて発電を生ぜしめる複数の固体酸化物形燃料電池を、前記空気の流れ方向に配置する工程と、
炭化水素燃料ガスを前記水素ガス及び一酸化炭素ガスに改質するための複数の改質器を、前記空気の流れ方向に配置する工程とを具え、
前記固体酸化物形燃料電池間での前記空気の温度上昇を抑制し、前記固体酸化物形燃料電池及び前記改質器を含む固体酸化物形燃料電池システム内の温度分布を一様化することを特徴とする、固体酸化物形燃料電池システムの駆動方法に関する。
The present invention also provides:
Disposing a plurality of solid oxide fuel cells that generate power through a reaction between hydrogen gas and air in the air flow direction;
Arranging a plurality of reformers for reforming hydrocarbon fuel gas into the hydrogen gas and carbon monoxide gas in the flow direction of the air,
The temperature rise of the air between the solid oxide fuel cells is suppressed, and the temperature distribution in the solid oxide fuel cell system including the solid oxide fuel cells and the reformer is made uniform. The present invention relates to a method for driving a solid oxide fuel cell system.

本発明によれば、単一の固体酸化物形燃料電池からではなく複数の固体酸化物形燃料電池から固体酸化物形燃料電池システムを構成し、前記複数の固体酸化物形燃料電池を発電に供給する空気の流れ方向において配列するように構成している。各固体酸化物形燃料電池は、従来の単一の固体酸化物形燃料電池と比較して十分に小型化されているので、物体内部の熱伝導が物体表面からの熱伝導よりも支配的になり、いわゆる内部熱抵抗と対流熱抵抗との比であるビオー数が小さくなる。この結果、前記複数の固体酸化物形燃料電池を配列させて固体酸化物形燃料電池システムを構成することにより、前記固体酸化物形燃料電池間での温度上昇幅が小さくなり、前記固体酸化物形燃料電池システムの温度分布を均一化させることができる。   According to the present invention, a solid oxide fuel cell system is configured from a plurality of solid oxide fuel cells instead of a single solid oxide fuel cell, and the plurality of solid oxide fuel cells are used for power generation. It arranges in the flow direction of the supplied air. Each solid oxide fuel cell is sufficiently small compared to a conventional single solid oxide fuel cell, so that the heat conduction inside the object is more dominant than the heat conduction from the object surface. Thus, the biot number, which is the ratio between the so-called internal thermal resistance and convective thermal resistance, becomes small. As a result, by arranging the plurality of solid oxide fuel cells to form a solid oxide fuel cell system, the temperature rise width between the solid oxide fuel cells is reduced, and the solid oxide fuel cell system is reduced. The temperature distribution of the fuel cell system can be made uniform.

したがって、空気流量を増大させることなく、固体酸化物形燃料電池システムの温度分布の均一化を図り、過度の温度分布に起因した熱応力による固体酸化物形燃料電池の破壊や活性化過電圧及び電気抵抗の増大などの諸問題を解決することができるようになる。   Therefore, the temperature distribution of the solid oxide fuel cell system is made uniform without increasing the air flow rate, and the solid oxide fuel cell is destroyed or activated overvoltage and electrical due to thermal stress caused by excessive temperature distribution. Various problems such as an increase in resistance can be solved.

また、前記改質器は、炭化水素燃料ガスを水素ガス及び一酸化炭素ガスに改質し、これら改質ガスを前記固体酸化物形燃料電池に供給するために設けているものである。   The reformer is provided for reforming hydrocarbon fuel gas into hydrogen gas and carbon monoxide gas and supplying the reformed gas to the solid oxide fuel cell.

なお、前記改質器は、その入り口部において吸熱反応である水蒸気改質反応が生じる。したがって、前記改質器及び前記固体酸化物形燃料電池を、交互に均一に配列させることによって、前記固体酸化物形燃料電池による発熱を前記改質器による吸熱で相殺することができるようになる。この結果、前記固体酸化物形燃料電池システムは、前記改質器及び前記固体酸化物形燃料電池からなる等温部を有することができる。   The reformer undergoes a steam reforming reaction, which is an endothermic reaction, at the inlet. Accordingly, by arranging the reformer and the solid oxide fuel cell alternately and uniformly, the heat generated by the solid oxide fuel cell can be offset by the endotherm generated by the reformer. . As a result, the solid oxide fuel cell system can have an isothermal portion including the reformer and the solid oxide fuel cell.

一方、発電に供する空気は冷却ガスとしても機能するので、前記空気が前記等温部に直接導入されると、前記等温部は前記空気による冷却によって、その温度を均一に保持することができなくなる。したがって、前記等温部の前方、すなわち、前記固体酸化物形燃料電池システムの入り口側で前記空気を十分に加熱し、前記等温部への影響を排除するように昇温部を設ける。前記固体酸化物形燃料電池からは、発電に伴った発熱が生じるので、前記昇温部は、例えば前記固体酸化物形燃料電池から構成することができる。しかしながら、その他の方法で前記昇温部を構成することもできる。   On the other hand, air used for power generation also functions as a cooling gas. Therefore, when the air is directly introduced into the isothermal part, the isothermal part cannot maintain the temperature uniformly by cooling with the air. Therefore, a temperature raising part is provided in front of the isothermal part, that is, at the entrance side of the solid oxide fuel cell system, so that the air is sufficiently heated to eliminate the influence on the isothermal part. Since the solid oxide fuel cell generates heat accompanying power generation, the temperature raising unit can be constituted by the solid oxide fuel cell, for example. However, the temperature raising unit can be configured by other methods.

なお、特に前記等温部においては、その温度分布の均一化を促進するために、前記固体酸化物形燃料電池と前記改質器とは、前記空気の流れ方向において、交互に配列することが好ましい。   In particular, in the isothermal part, in order to promote the uniformization of the temperature distribution, the solid oxide fuel cell and the reformer are preferably arranged alternately in the air flow direction. .

また、前記改質器の長さを、前記改質器の入り口部で生じる水蒸気改質反応領域の長さと実質的に等しくすることができる。この場合、前記改質器の全体が前記水蒸気改質反応の吸熱の作用を受け、十分に冷却されるようになるので、特に、前記等温部における前記固体酸化物形燃料電池の発熱を十分に相殺し、その温度分布をより均一に保持することができるようになる。しかしながら、実際の固体酸化物形燃料電池システムにおいては、全体の設計デザインを考慮して前記改質器の長さを決定する。   Further, the length of the reformer can be made substantially equal to the length of the steam reforming reaction region generated at the inlet of the reformer. In this case, since the entire reformer is subjected to the endothermic action of the steam reforming reaction and is sufficiently cooled, the heat generation of the solid oxide fuel cell in the isothermal portion is particularly sufficient. It cancels out and the temperature distribution can be kept more uniform. However, in the actual solid oxide fuel cell system, the length of the reformer is determined in consideration of the overall design design.

なお、「実質的に等しくする」とは、上述のような作用効果が得られる許容範囲内において、前記改質器の長さと前記水蒸気改質反応領域の長さが実質的に等しくなることを意味し、例えば、前記改質器の長さをL1とし、前記水蒸気改質反応領域の長さをL2とした場合において、80%≦L1/L2≦120%の関係が成立する場合を言う。   Note that “substantially equal” means that the length of the reformer and the length of the steam reforming reaction region are substantially equal within an allowable range in which the above-described effects can be obtained. For example, when the length of the reformer is L1 and the length of the steam reforming reaction region is L2, the relationship of 80% ≦ L1 / L2 ≦ 120% is satisfied.

さらに、前記改質器と前記固体酸化物形燃料電池とは互いに略直角となるようにして配置することができる。この場合、前記改質器及び前記固体酸化物形燃料電池は、互いの垂直方向において、互いに任意の数だけ配置することができるようになるので、その数を適宜に制御して、固体酸化物形燃料電池システム全体の温度分布を均一にすることができ、例えば前記等温部を簡易に実現することができるようになる。   Furthermore, the reformer and the solid oxide fuel cell can be arranged so as to be substantially perpendicular to each other. In this case, the reformer and the solid oxide fuel cell can be arranged in any number in the vertical direction of each other. The temperature distribution of the entire fuel cell system can be made uniform, and for example, the isothermal portion can be easily realized.

以上説明したように、本発明によれば、空気流量を増大させることなく、固体酸化物形燃料電池システムの温度分布の均一化を図り、過度の温度分布に起因した熱応力による固体酸化物形燃料電池の破壊や活性化過電圧及び電気抵抗の増大などの諸問題を解決することができる。   As described above, according to the present invention, the temperature distribution of the solid oxide fuel cell system is made uniform without increasing the air flow rate, and the solid oxide form due to thermal stress caused by excessive temperature distribution is achieved. Various problems such as destruction of the fuel cell, activation overvoltage and increase in electric resistance can be solved.

以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、最良の形態に基づいて詳細に説明する。   The details of the present invention and other features and advantages will be described in detail below based on the best mode.

図1は、本発明の固体酸化物形燃料電池システムの好ましい一例を示す構成図である。図1に示す固体酸化物形燃料電池システム10は、複数の管状の固体酸化物形燃料電池11と、複数の管状の改質器12とを具えている。固体酸化物形燃料電池11は、それぞれが直立して空気の流れ方向FAにおいて配列されるとともに、改質器12は、それぞれが固体酸化物形燃料電池11と略直角になり、一定の間隔で鉛直方向に積層された状態で、空気の流れ方向FAの後方において配列されている。   FIG. 1 is a block diagram showing a preferred example of a solid oxide fuel cell system of the present invention. A solid oxide fuel cell system 10 shown in FIG. 1 includes a plurality of tubular solid oxide fuel cells 11 and a plurality of tubular reformers 12. Each of the solid oxide fuel cells 11 stands upright and is arranged in the air flow direction FA, and each of the reformers 12 is substantially perpendicular to the solid oxide fuel cell 11 at regular intervals. In a state of being stacked in the vertical direction, they are arranged behind the air flow direction FA.

改質器12には、炭化水素燃料ガスが、例えば水蒸気などとともに矢印FCで示す方向から導入され、水素ガス及び一酸化炭素ガスに改質される。得られた改質ガス(水素ガス及び一酸化炭素ガス)は、改質器12を出た後、矢印FMで示されるように固体酸化物形燃料電池11内に導入される。固体酸化物形燃料電池11は、酸素イオン及び水素イオンを透過する固体電解質111と、これを挟むようにして設けられた電極部112とを有している。   A hydrocarbon fuel gas is introduced into the reformer 12 along with, for example, water vapor from the direction indicated by the arrow FC, and reformed into hydrogen gas and carbon monoxide gas. The resulting reformed gas (hydrogen gas and carbon monoxide gas) exits the reformer 12 and is then introduced into the solid oxide fuel cell 11 as indicated by an arrow FM. The solid oxide fuel cell 11 includes a solid electrolyte 111 that transmits oxygen ions and hydrogen ions, and an electrode portion 112 that is provided so as to sandwich the solid electrolyte 111.

したがって、固体酸化物形燃料電池11では、内部に導入された前記水素ガス及び前記一酸化炭素ガスと、その外周部を流れる空気中の酸素との化学反応を通じて発電が生じる。したがって、図示しない焦電部から前記発電によって生じた電気を取り出すことにより、図1に示す固体酸化物形燃料電池システム10を電池システムとして実用に供することができるようになる。   Therefore, in the solid oxide fuel cell 11, power generation occurs through a chemical reaction between the hydrogen gas and the carbon monoxide gas introduced into the interior and oxygen in the air flowing through the outer peripheral portion thereof. Therefore, the solid oxide fuel cell system 10 shown in FIG. 1 can be put to practical use as a battery system by taking out the electricity generated by the power generation from a pyroelectric unit (not shown).

上述した発電反応においては、前記空気及び前記水素ガスによる反応の総てが発電に寄与するものではなく、相当程度の割合で発熱にも寄与する。しかしながら、図1に示す固体酸化物形燃料電池11は、従来の単一の固体酸化物形燃料電池と比較して十分に小型化されているので、物体内部の熱伝導が物体表面からの熱伝導よりも支配的になり、いわゆる内部熱抵抗と対流熱抵抗との比であるビオー数が小さくなる。この結果、固体酸化物形燃料電池11間での温度上昇幅が小さくなり、固体酸化物形燃料電池システム10の温度分布を均一化させることができる。   In the power generation reaction described above, not all of the reactions by the air and the hydrogen gas contribute to power generation, but also contribute to heat generation at a considerable rate. However, since the solid oxide fuel cell 11 shown in FIG. 1 is sufficiently downsized compared to a conventional single oxide fuel cell, the heat conduction inside the object is caused by heat from the object surface. It becomes more dominant than conduction, and the biot number, which is the ratio of so-called internal thermal resistance and convective thermal resistance, becomes small. As a result, the temperature rise width between the solid oxide fuel cells 11 is reduced, and the temperature distribution of the solid oxide fuel cell system 10 can be made uniform.

したがって、空気流量を増大させることなく、固体酸化物形燃料電池システムの温度分布の均一化を図り、従来の、過度の温度分布に起因した熱応力による固体酸化物形燃料電池の破壊や活性化過電圧及び電気抵抗の増大などの諸問題を解決することができる。   Therefore, the temperature distribution of the solid oxide fuel cell system is made uniform without increasing the air flow rate, and the conventional solid oxide fuel cell is destroyed or activated by thermal stress caused by excessive temperature distribution. Various problems such as overvoltage and increase in electrical resistance can be solved.

なお、図1に示す固体酸化物形燃料電池システム10においては、各固体酸化物形燃料電池11の大きさは、円筒形の場合、直径50mm以下とすることができ、扁平管の場合、その扁平部分の直径を1mm〜50mmとすることができる。また、いずれの形状の場合においても、その長さは50mm以上とすることができる。   In the solid oxide fuel cell system 10 shown in FIG. 1, the size of each solid oxide fuel cell 11 can be 50 mm or less in diameter in the case of a cylindrical shape, The diameter of the flat portion can be 1 mm to 50 mm. In any case, the length can be 50 mm or more.

図1に示す固体酸化物形燃料電池システム10では、空気の流れ方向FAの上流側、すなわち、前記空気の入り口側において、固体酸化物形燃料電池11のみが配列されている。上述したように、固体酸化物形燃料電池11からは、発電とともに発熱が生じるので、かかる領域は前記空気を昇温する昇温部20を構成する。   In the solid oxide fuel cell system 10 shown in FIG. 1, only the solid oxide fuel cells 11 are arranged on the upstream side of the air flow direction FA, that is, on the inlet side of the air. As described above, since heat is generated from the solid oxide fuel cell 11 together with power generation, this region constitutes the temperature raising unit 20 that raises the temperature of the air.

一方、空気の流れ方向FAの下流側、すなわち、前記空気の出口側においては、固体酸化物形燃料電池11と改質器12とが互いに略直角で交互に配列されている。改質器12では、その入り口部において吸熱反応である水蒸気改質反応が生じるので、かかる領域では、固体酸化物形燃料電池11における発熱と、改質器12における吸熱とを釣合わせ、互いに相殺し合うようにすることができる。したがって、前記領域では温度変化がなくなり、等温部30を構成するようになる。   On the other hand, on the downstream side of the air flow direction FA, that is, on the air outlet side, the solid oxide fuel cells 11 and the reformers 12 are alternately arranged at substantially right angles. In the reformer 12, a steam reforming reaction that is an endothermic reaction occurs at the inlet portion thereof, and in this region, the heat generation in the solid oxide fuel cell 11 and the heat absorption in the reformer 12 are balanced to cancel each other. You can make them meet each other. Accordingly, the temperature does not change in the region, and the isothermal part 30 is configured.

図1に示す固体酸化物形燃料電池システム10が等温部30を有することにより、システム全体としての温度分布を極めて均一化することができるようになる。   Since the solid oxide fuel cell system 10 shown in FIG. 1 has the isothermal portion 30, the temperature distribution of the entire system can be made extremely uniform.

なお、発電に供する前記空気は冷却ガスとしても機能するので、前記空気が等温部30に直接導入されると、等温部30は前記空気による冷却によって、その温度を均一に保持することができなくなる。したがって、等温部30の前方、すなわち、固体酸化物形燃料電池システム10の入り口側で昇温部20を設けることにより、前記空気が等温部30に導入される以前に十分に昇温されるようになるので、等温部30の等温性を乱すような過度の冷却は生じなくなる。結果として、システム全体としての温度分布を極めて均一化することができる。   Since the air used for power generation also functions as a cooling gas, when the air is directly introduced into the isothermal part 30, the isothermal part 30 cannot maintain the temperature uniformly by cooling with the air. . Therefore, by providing the heating unit 20 in front of the isothermal unit 30, that is, at the entrance side of the solid oxide fuel cell system 10, the temperature of the air is sufficiently increased before being introduced into the isothermal unit 30. Therefore, excessive cooling that disturbs the isothermal property of the isothermal part 30 does not occur. As a result, the temperature distribution of the entire system can be made extremely uniform.

また、図1に示す固体酸化物形燃料電池システム10においては、等温部30において、固体酸化物形燃料電池11及び改質器12とを互いに交互に配列しているが、これにより、前述した固体酸化物形燃料電池11による発熱と、改質器12による吸熱とを効果的に相殺させることができ、等温部30内の温度分布をより均一化することができる。   Further, in the solid oxide fuel cell system 10 shown in FIG. 1, the solid oxide fuel cells 11 and the reformers 12 are alternately arranged in the isothermal section 30. Heat generation by the solid oxide fuel cell 11 and heat absorption by the reformer 12 can be effectively offset, and the temperature distribution in the isothermal section 30 can be made more uniform.

さらに、図1に示す固体酸化物形燃料電池システム10においては、改質器12を固体酸化物形燃料電池11と略直角となるように配置しているので、改質器12及び固体酸化物形燃料電池11は、垂直方向において、互いに任意の数だけ配置することができるようになる。したがって、それらの数を適宜に制御することにより、固体酸化物形燃料電池システム全体の温度分布を均一にすることができ、例えば等温部30を簡易に実現することができるようになる。   Further, in the solid oxide fuel cell system 10 shown in FIG. 1, the reformer 12 is arranged so as to be substantially perpendicular to the solid oxide fuel cell 11, so that the reformer 12 and the solid oxide are disposed. The fuel cells 11 can be arranged in an arbitrary number in the vertical direction. Therefore, by appropriately controlling the number thereof, the temperature distribution of the entire solid oxide fuel cell system can be made uniform, and for example, the isothermal section 30 can be easily realized.

また、改質器12の長さを、改質器12の前記入り口部で生じる水蒸気改質反応領域の長さと実質的に等しくすることができる。この場合、改質器12の全体が前記水蒸気改質反応の吸熱の作用を受け、十分に冷却されるようになるので、特に、等温部30における固体酸化物形燃料電池11の発熱を十分に相殺し、その温度分布をより均一に保持することができるようになる。なお、「実質的に等しくする」とは段落〔0017〕で定義されるような内容である。   Further, the length of the reformer 12 can be made substantially equal to the length of the steam reforming reaction region generated at the inlet portion of the reformer 12. In this case, since the entire reformer 12 is subjected to the endothermic action of the steam reforming reaction and is sufficiently cooled, in particular, the heat generated by the solid oxide fuel cell 11 in the isothermal portion 30 is sufficiently increased. It cancels out and the temperature distribution can be kept more uniform. Note that “substantially equal” is as defined in paragraph [0017].

図2は、図1に示す固体酸化物形燃料電池システムの、実際の電池スタックの概略構成図である。図2に示す電池スタック40は、複数のマニホールド板15が積層されて構成されている。上方のマニホールド板15には固体酸化物形燃料電池11が組み込まれ、前述した昇温部20を構成している。下方のマニホールド板15には、交互に固体酸化物形燃料電池11及び改質器12が組み込まれ、前述した等温部30を構成している。   FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an actual cell stack of the solid oxide fuel cell system shown in FIG. The battery stack 40 shown in FIG. 2 is configured by stacking a plurality of manifold plates 15. A solid oxide fuel cell 11 is incorporated in the upper manifold plate 15 to constitute the above-described temperature raising unit 20. In the lower manifold plate 15, the solid oxide fuel cell 11 and the reformer 12 are alternately incorporated to constitute the isothermal portion 30 described above.

昇温部20及び等温部30のいずれにおいても、隣接するマニホールド板15に設けた固体酸化物形燃料電池11間同士、又は固体酸化物形燃料電池11及び改質器12間は、マニホールド板15に設けた開口部によって連結されている。   In both the temperature raising unit 20 and the isothermal unit 30, the manifold plate 15 is provided between the solid oxide fuel cells 11 provided on the adjacent manifold plates 15 or between the solid oxide fuel cells 11 and the reformer 12. It is connected by the opening provided in.

例えば、等温部30において、ある一つのマニホールド板15には、開口部15A〜15Cが設けられ、これと隣接するマニホールド板15には、開口部15D〜15Fが設けられている。矢印FCで示すように、炭化水素燃料ガスは、開口部15Aを通じて改質器12内に導入され、得られた改質ガスは開口部15Bに向けて放出される。前記改質ガスは、下方のマニホールド板15に設けられた、開口部15Bと連結した開口部15D及びこれと連結された開口部15Eを介して固体酸化物形燃料電池11内に導入される。   For example, in the isothermal part 30, one manifold plate 15 is provided with openings 15A to 15C, and the manifold plate 15 adjacent thereto is provided with openings 15D to 15F. As indicated by the arrow FC, the hydrocarbon fuel gas is introduced into the reformer 12 through the opening 15A, and the obtained reformed gas is discharged toward the opening 15B. The reformed gas is introduced into the solid oxide fuel cell 11 through an opening 15D connected to the opening 15B and an opening 15E connected to the opening 15B provided in the lower manifold plate 15.

なお、発電に供する空気は、矢印FAで示すように、例えばマニホールド板15における開口部15C及び15Fなどが、電池スタック40を通じて連結してなる貫通孔を通じて供給される。   Note that air to be used for power generation is supplied through a through-hole formed by connecting openings 15C and 15F of the manifold plate 15 through the battery stack 40, for example, as indicated by an arrow FA.

また、固体酸化物形燃料電池11の発電反応で生じた電気は、固体酸化物形燃料電池11の長さ方向における両端部に設けた焦電部16を通じて外部に取り出す。   Electricity generated by the power generation reaction of the solid oxide fuel cell 11 is taken out through pyroelectric portions 16 provided at both ends in the length direction of the solid oxide fuel cell 11.

以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。   As described above, the present invention has been described in detail based on the embodiments of the present invention with specific examples. However, the present invention is not limited to the above contents, and all modifications and changes are made without departing from the scope of the present invention. It can be changed.

本発明の固体酸化物形燃料電池システムの好ましい一例を示す構成図である。It is a block diagram which shows a preferable example of the solid oxide fuel cell system of this invention. 図1に示す固体酸化物形燃料電池システムの、実際の電池スタックの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the actual battery stack of the solid oxide fuel cell system shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10 固体酸化物形燃料電池システム
11 固体酸化物形燃料電池
12 改質器
15 マニホールド板
16 焦電部
20 昇温部
30 等温部
FA 空気の流れ方向
FC 炭化水素燃料ガスの流れ方向
FM 改質ガス(水素ガス及び一酸化炭素ガス)の流れ方向
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Solid oxide fuel cell system 11 Solid oxide fuel cell 12 Reformer 15 Manifold plate 16 Pyroelectric part 20 Temperature rising part 30 Isothermal part FA Air flow direction FC Hydrocarbon fuel gas flow direction FM Reformed gas Flow direction of hydrogen gas and carbon monoxide gas

Claims (18)

炭化水素燃料ガスを水素ガス及び一酸化炭素ガスに改質するための複数の改質器と、
前記水素ガスと空気との反応を通じて発電を生ぜしめる複数の固体酸化物形燃料電池とを具え、
前記複数の改質器と前記複数の固体酸化物形燃料電池とは、前記空気の流れ方向において配列されたことを特徴とする、固体酸化物形燃料電池システム。
A plurality of reformers for reforming hydrocarbon fuel gas into hydrogen gas and carbon monoxide gas;
Comprising a plurality of solid oxide fuel cells that generate electricity through a reaction between the hydrogen gas and air,
The solid oxide fuel cell system, wherein the plurality of reformers and the plurality of solid oxide fuel cells are arranged in a flow direction of the air.
前記固体酸化物形燃料電池と前記改質器とから構成される等温部を有することを特徴とする、請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池システム。   2. The solid oxide fuel cell system according to claim 1, further comprising an isothermal portion including the solid oxide fuel cell and the reformer. 前記空気の入り口側において、前記固体酸化物形燃料電池から構成される昇温部を有することを特徴とする、請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池システム。   3. The solid oxide fuel cell system according to claim 2, further comprising a temperature raising unit configured of the solid oxide fuel cell on the air inlet side. 4. 前記等温部において、前記固体酸化物形燃料電池と前記改質器とは、前記空気の流れ方向において交互に配列されたことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一に記載の固体酸化物形燃料電池システム。   4. The solid according to claim 1, wherein the solid oxide fuel cell and the reformer are alternately arranged in the air flow direction in the isothermal portion. Oxide fuel cell system. 前記改質器の長さを、前記改質器の入り口部で生じる水蒸気改質反応領域の長さと実質的に等しくすることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一に記載の固体酸化物形燃料電池システム。   5. The solid according to claim 1, wherein a length of the reformer is substantially equal to a length of a steam reforming reaction region generated at an inlet of the reformer. Oxide fuel cell system. 前記改質器と前記固体酸化物形燃料電池とは互いに略直角となるようにして配置したことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一に記載の固体酸化物形燃料電池システム。   The solid oxide fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein the reformer and the solid oxide fuel cell are arranged so as to be substantially perpendicular to each other. 前記改質器は管状の改質器であって、前記炭化水素燃料ガスが前記改質器内を流れることによって、前記炭化水素燃料ガスが前記水素ガス及び前記一酸化炭素ガスに転換せしめるように構成されたことを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一に記載の固体酸化物形燃料電池システム。   The reformer is a tubular reformer, and the hydrocarbon fuel gas is converted into the hydrogen gas and the carbon monoxide gas by flowing the hydrocarbon fuel gas through the reformer. The solid oxide fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein the solid oxide fuel cell system is configured. 前記固体酸化物形燃料電池は管状の固体酸化物形燃料電池であって、前記水素ガス及び前記一酸化炭素ガスが前記固体酸化物形燃料電池内を流れ、前記空気が前記固体酸化物形燃料電池の外周部を流れることにより、前記固体酸化物形燃料電池において、前記水素ガス及び前記一酸化炭素ガスと前記空気との反応を通じて発電を生ぜしめることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一に記載の固体酸化物形燃料電池システム。   The solid oxide fuel cell is a tubular solid oxide fuel cell, wherein the hydrogen gas and the carbon monoxide gas flow in the solid oxide fuel cell, and the air is the solid oxide fuel cell. 8. The power generation of the solid oxide fuel cell by flowing through the outer periphery of the battery through a reaction between the hydrogen gas, the carbon monoxide gas, and the air. The solid oxide fuel cell system according to any one of the above. 前記複数の改質器及び前記複数の固体酸化物形燃料電池は、それぞれマニホールド板に固定され、前記マニホールド板に形成された開口部を通じて互いに連結されたことを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一に記載の固体酸化物形燃料電池システム。   The plurality of reformers and the plurality of solid oxide fuel cells are respectively fixed to a manifold plate and connected to each other through an opening formed in the manifold plate. The solid oxide fuel cell system according to any one of the above. 水素ガスと空気との反応を通じて発電を生ぜしめる複数の固体酸化物形燃料電池を、前記空気の流れ方向に配置する工程と、
炭化水素燃料ガスを前記水素ガス及び一酸化炭素ガスに改質するための複数の改質器を、前記空気の流れ方向に配置する工程とを具え、
前記固体酸化物形燃料電池間での前記空気の温度上昇を抑制し、前記固体酸化物形燃料電池及び前記改質器を含む固体酸化物形燃料電池システム内の温度分布を一様化することを特徴とする、固体酸化物形燃料電池システムの駆動方法。
Disposing a plurality of solid oxide fuel cells that generate power through a reaction between hydrogen gas and air in the air flow direction; and
Arranging a plurality of reformers for reforming hydrocarbon fuel gas into the hydrogen gas and carbon monoxide gas in the flow direction of the air,
The temperature rise of the air between the solid oxide fuel cells is suppressed, and the temperature distribution in the solid oxide fuel cell system including the solid oxide fuel cells and the reformer is made uniform. A method for driving a solid oxide fuel cell system.
前記固体酸化物形燃料電池システムの前記温度分布の一様化に起因した、前記固体酸化物形燃料電池と前記改質器とから構成される等温部を形成することを特徴とする、請求項10に記載の固体酸化物形燃料電池システムの駆動方法。   The isothermal part composed of the solid oxide fuel cell and the reformer due to the uniform temperature distribution of the solid oxide fuel cell system is formed. The method for driving a solid oxide fuel cell system according to claim 10. 前記空気の入り口側において、前記固体酸化物形燃料電池から構成される昇温部を形成することを特徴とする、請求項11に記載の固体酸化物形燃料電池システム。   12. The solid oxide fuel cell system according to claim 11, wherein a temperature raising portion constituted by the solid oxide fuel cell is formed on an inlet side of the air. 13. 前記等温部において、前記固体酸化物形燃料電池と前記改質器とは、前記空気の流れ方向において交互に配列することを特徴とする、請求項10〜12のいずれか一に記載の固体酸化物形燃料電池システムの駆動方法。   13. The solid oxidation according to claim 10, wherein in the isothermal portion, the solid oxide fuel cell and the reformer are alternately arranged in the air flow direction. Driving method for physical fuel cell system. 前記改質器の長さを、前記改質器の入り口部で生じる水蒸気改質反応領域の長さと実質的に等しくすることを特徴とする、請求項10〜13のいずれか一に記載の固体酸化物形燃料電池システムの駆動方法。   14. The solid according to claim 10, wherein a length of the reformer is substantially equal to a length of a steam reforming reaction region generated at an inlet of the reformer. Driving method of oxide fuel cell system. 前記改質器と前記固体酸化物形燃料電池とは互いに略直角となるようにして配置することを特徴とする、請求項10〜14のいずれか一に記載の固体酸化物形燃料電池システムの駆動方法。   The solid oxide fuel cell system according to any one of claims 10 to 14, wherein the reformer and the solid oxide fuel cell are disposed so as to be substantially perpendicular to each other. Driving method. 前記改質器は管状の改質器であって、前記炭化水素燃料ガスが前記改質器内を流れることによって、前記炭化水素燃料ガスが前記水素ガス及び前記一酸化炭素ガスに転換せしめるように構成することを特徴とする、請求項10〜15のいずれか一に記載の固体酸化物形燃料電池システムの駆動方法。   The reformer is a tubular reformer, and the hydrocarbon fuel gas is converted into the hydrogen gas and the carbon monoxide gas by flowing the hydrocarbon fuel gas through the reformer. The driving method of the solid oxide fuel cell system according to any one of claims 10 to 15, wherein the driving method is configured. 前記固体酸化物形燃料電池は管状の固体酸化物形燃料電池であって、前記水素ガス及び前記一酸化炭素ガスが前記固体酸化物形燃料電池内を流れ、前記空気が前記固体酸化物形燃料電池の外周部を流れることにより、前記固体酸化物形燃料電池において、前記水素ガス及び前記一酸化炭素ガスと前記空気との反応を通じて発電を生ぜしめることを特徴とする、請求項10〜16のいずれか一に記載の固体酸化物形燃料電池システムの駆動方法。   The solid oxide fuel cell is a tubular solid oxide fuel cell, wherein the hydrogen gas and the carbon monoxide gas flow in the solid oxide fuel cell, and the air is the solid oxide fuel cell. The fuel cell according to any one of claims 10 to 16, wherein in the solid oxide fuel cell, electric power is generated through a reaction between the hydrogen gas, the carbon monoxide gas, and the air by flowing in the outer periphery of the battery. The driving method of the solid oxide fuel cell system according to any one of the above. 前記複数の改質器及び前記複数の固体酸化物形燃料電池は、それぞれマニホールド板に固定し、前記マニホールド板に形成された開口部を通じて互いに連結することを特徴とする、請求項10〜17のいずれか一に記載の固体酸化物形燃料電池システムの駆動方法。   The plurality of reformers and the plurality of solid oxide fuel cells are fixed to a manifold plate and connected to each other through an opening formed in the manifold plate. The driving method of the solid oxide fuel cell system according to any one of the above.
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