JP2002124289A - Solid electrolyte fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は固体電解質型燃料電
池システムに係わるものであり、特に容器内に構成機器
を配置した固体電解質型燃料電池システムに関する。The present invention relates to a solid oxide fuel cell system, and more particularly to a solid oxide fuel cell system in which components are arranged in a container.
【０００２】[0002]
【従来の技術】固体電解質型燃料電池に使用される燃料
は水素及び一酸化炭素であるが、この水素及び一酸化炭
素からなる燃料ガスは通常は天然ガス等の炭化水素を水
蒸気と触媒の存在下で７００℃以上に加熱して、水素と
一酸化炭素とに分解したものが使用されている。この天
然ガス等を水素と一酸化炭素との燃料ガスに分解するこ
とを燃料改質と称している。2. Description of the Related Art The fuel used in a solid oxide fuel cell is hydrogen and carbon monoxide, and the fuel gas composed of hydrogen and carbon monoxide is usually a hydrocarbon such as natural gas or the like in the presence of steam and a catalyst. Heated to below 700 ° C. below to decompose into hydrogen and carbon monoxide is used. Decomposing this natural gas or the like into a fuel gas of hydrogen and carbon monoxide is called fuel reforming.
【０００３】固体電解質型燃料電池は燃料ガス中におけ
る一酸化炭素も燃料として使用できて、他の燃料電池の
ように燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を１０ｐｐｍ以下
に抑える必要がないから、燃料改質をより簡易に行い得
るという利点をも有している。固体電解質型燃料電池は
発電温度が７００〜１０００℃と高いから、燃料改質を
電池内部で行なうことができるが、燃料電池を断熱容器
等に収容した場合は、容器内に予備改質としての改質器
を別途に設置すれば、その高温を利用してより高度に燃
料改質を行なうことができる。In a solid oxide fuel cell, carbon monoxide in a fuel gas can be used as a fuel, and it is not necessary to suppress the concentration of carbon monoxide in a fuel gas to 10 ppm or less unlike other fuel cells. There is also an advantage that the reforming can be performed more easily. Since the solid oxide fuel cell has a high power generation temperature of 700 to 1000 ° C., fuel reforming can be performed inside the cell. However, when the fuel cell is housed in an insulated container or the like, pre-reformation is performed in the container. If a reformer is separately installed, fuel reforming can be performed at a higher level by using the high temperature.
【０００４】容器内にセルスタックや改質器を収容した
固体電解質型燃料電池システムとしては、例えば特開平
８−２８７９３７号公報に記載されたものがある。本号
公報に記載された固体電解質型燃料電池システムは容器
内の中間部にセルスタックを配置し、その上部に改質器
を配置して、燃料改質に必要な熱量はセルスタックから
の輻射熱とセルスタックから放出される排燃料の熱を使
用し、一方セルスタックから放出される高温の排空気は
前記排燃料とは逆にセルスタックの下部に導かれて供給
空気を加熱することに使用するとされている。また燃料
改質に必要な水蒸気は容器の外部から天然ガスとともに
供給するとされている。[0004] As a solid oxide fuel cell system in which a cell stack and a reformer are accommodated in a container, there is one described in, for example, JP-A-8-287937. In the solid oxide fuel cell system described in this publication, a cell stack is disposed at an intermediate portion in a container, and a reformer is disposed above the cell stack, and the amount of heat required for fuel reforming is radiant heat from the cell stack. And the heat of the exhaust fuel released from the cell stack is used, while the high-temperature exhaust air released from the cell stack is used to heat the supply air by being guided to the lower part of the cell stack in reverse to the exhaust fuel. It has been done. Further, it is stated that steam required for fuel reforming is supplied together with natural gas from outside the container.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかし前記した固体電
解質型燃料電池システムにおいては、以下のような課題
がある。 １）セルスタックから放出される高温の排空気はセルス
タックの下部に導入されて供給空気を加熱するようにな
っているが、これがため別途の管系と導入のための動力
が必要となること、 ２）燃料改質に必要な水蒸気を外部で生成して、これを
容器内に配置された改質器に導入するものであるが、そ
のために水蒸気を生成する機器は容器の外部配置とな
り、大きな設置面積を必要とすること、 ３）水蒸気の生成に、燃料電池から排出される排燃料と
排空気の燃焼を利用したとしても、それらを別途容器外
に引き回す管系が必要となり燃料電池システムの構成が
煩雑になること、である。本発明は前記した課題を解決
して、設置スペースが小さくて、エンルギー効率が良
く、構成の簡易な固体電解質型燃料電池システムを提供
することを目的とする。However, the above-mentioned solid oxide fuel cell system has the following problems. 1) The high-temperature exhaust air released from the cell stack is introduced into the lower part of the cell stack to heat the supply air, which requires a separate pipe system and power for introduction. 2) The steam required for fuel reforming is generated externally and introduced into a reformer disposed in the vessel. For this purpose, the equipment for generating steam is disposed outside the vessel. A large installation area is required. 3) Even if the combustion of exhaust fuel and exhaust air discharged from the fuel cell is used to generate water vapor, a pipe system for separately routing them to the outside of the container is required, and the fuel cell system is required. Is complicated. An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and to provide a solid oxide fuel cell system having a small installation space, high energy efficiency, and a simple configuration.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、少なく
ともセルスタック、バーナ及び改質器を有する固体電解
質型燃料電池システムであって、一体型の容器或いは圧
力容器内にセルスタック、バーナ及び改質器をその順に
容器の下から上に向けて配置し、セルスタックで放出さ
れる熱を上部に配置した機器へ作用させたことを特徴と
する固体電解質型燃料電池システムであり、また、少な
くともセルスタック、バーナ、改質器及び脱硫器を有す
る固体電解質型燃料電池システムであって、一体型の容
器或いは圧力容器内にセルスタック、バーナ、改質器及
び脱硫器をその順に容器の下から上に向けて配置し、セ
ルスタックで放出される熱を上部に配置した機器へ作用
させたことを特徴とする固体電解質型燃料電池システム
である。The gist of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell system having at least a cell stack, a burner and a reformer, wherein the cell stack, the burner and the A solid oxide fuel cell system, in which the reformer is arranged in order from the bottom of the container to the top, and the heat released from the cell stack is applied to the equipment arranged at the top, A solid oxide fuel cell system having at least a cell stack, a burner, a reformer, and a desulfurizer, wherein a cell stack, a burner, a reformer, and a desulfurizer are arranged below a vessel in an integrated container or pressure vessel in that order. The solid oxide fuel cell system is characterized in that the heat is released from the cell stack and applied to the equipment arranged at the top.
【０００７】また本発明は、少なくともセルスタック、
バーナ及び改質器を有する固体電解質型燃料電池システ
ムであって、一体型の容器或いは圧力容器内に複数段の
隔壁を設けて複数個の空間部を形成し、前記各々の空間
部にセルスタック、バーナ及び改質器の少なくとも１つ
が配置されると共に、前記セルスタック、バーナ及び改
質器をその順に容器の下から上に向けて配置し、セルス
タックで放出される熱を上部に配置した機器へ作用させ
たことを特徴とする固体電解質型燃料電池システムであ
り、また、少なくともセルスタック、バーナ、改質器及
び脱硫器を有する固体電解質型燃料電池システムであっ
て、一体型の容器或いは圧力容器内に複数段の隔壁が設
けられて複数個の空間部を形成し、前記各々の空間部に
セルスタック、バーナ、改質器及び脱硫器の少なくとも
１つが配置されると共に、前記セルスタック、バーナ、
改質器及び脱硫器をその順に容器の下から上に向けて配
置し、セルスタックで放出される熱を上部に配置した機
器へ作用させたことを特徴とする固体電解質型燃料電池
システムである。The present invention also provides at least a cell stack,
A solid oxide fuel cell system having a burner and a reformer, wherein a plurality of partitions are provided in an integrated container or a pressure vessel to form a plurality of spaces, and a cell stack is formed in each of the spaces. , At least one of a burner and a reformer is arranged, and the cell stack, the burner and the reformer are arranged in this order from bottom to top of the container, and heat released from the cell stack is arranged at the top. A solid oxide fuel cell system characterized by acting on equipment, and also a solid oxide fuel cell system having at least a cell stack, a burner, a reformer, and a desulfurizer, wherein an integrated container or A plurality of partitions are provided in the pressure vessel to form a plurality of spaces, and at least one of a cell stack, a burner, a reformer, and a desulfurizer is disposed in each of the spaces. Together, the cell stack, burner,
A solid oxide fuel cell system wherein a reformer and a desulfurizer are arranged in that order from the bottom of the vessel to the top, and heat released from the cell stack is applied to equipment arranged at the top. .
【０００８】また、前記改質器は複数個を配置して、交
互に運転可能としたことを特徴とする固体電解質型燃料
電池システムであり、また、前記脱硫器は複数個を配置
して、交互に運転可能としたことを特徴とする固体電解
質型燃料電池システムであり、また、前記改質器を複数
個配置して、改質器の触媒の交換に際しても電池システ
ムを連続運転可能にしたことを特徴とする固体電解質型
燃料電池システムであり、また、前記改質器を複数個配
置して、脱硫器の触媒の交換に際しても電池システムを
連続運転可能にしたことを特徴とする固体電解質型燃料
電池システムである。[0008] A solid oxide fuel cell system is characterized in that a plurality of the reformers are arranged so that they can be operated alternately, and a plurality of the desulfurizers are arranged. A solid oxide fuel cell system characterized in that it can be operated alternately, and a plurality of the reformers are arranged so that the battery system can be continuously operated even when the catalyst of the reformer is replaced. A solid electrolyte fuel cell system characterized by comprising a plurality of the reformers arranged so that the battery system can be continuously operated even when the catalyst of the desulfurizer is replaced. Type fuel cell system.
【０００９】また、少なくともセルスタック、バーナ及
び改質器を有する固体電解質型燃料電池システムであっ
て、セルスタックから放出される水蒸気及び未反応の燃
料ガスの一部を改質器へ還流し、且つ水蒸気及び未反応
の燃料ガスを冷却するための冷却器を備えたことを特徴
とする固体電解質型燃料電池システムであり、また、少
なくともセルスタック、バーナ、改質器及び蒸気発生器
を有する固体電解質型燃料電池システムであって、一体
型の容器或いは圧力容器内にセルスタック、バーナ、改
質器及び蒸気発生器を配置したことを特徴とする固体電
解質型燃料電池システムである。Also, there is provided a solid oxide fuel cell system having at least a cell stack, a burner and a reformer, wherein a part of the steam and unreacted fuel gas released from the cell stack is returned to the reformer, A solid oxide fuel cell system comprising a cooler for cooling water vapor and unreacted fuel gas, and a solid having at least a cell stack, a burner, a reformer, and a steam generator. An electrolyte fuel cell system, wherein a cell stack, a burner, a reformer, and a steam generator are arranged in an integrated container or a pressure container.
【００１０】[0010]
【発明の実施の形態】本発明の固体電解質型燃料電池シ
ステムの一実施の形態を図面を参照して説明する。図１
は本発明の固体電解質型燃料電池システムを示す立断面
図、図２は図１のＸ矢視図であり、図３は図１のＹ矢視
図である。図中１は容器で、外シェル１０ａと内シェル
１０ｂとの間に断熱材１１を挟んだサンドイツチ構造の
一体型としたものである。また他の形態として外シェル
１０ａを耐圧殻として容器１を圧力容器とすることもあ
る。容器或いは圧力容器はフランジ結合（図示略）によ
り一体型とした実質的に密閉構造のものである。容器１
内は底板１２と第一の隔壁１３、第二の隔壁１４、第三
の隔壁１５、第四の隔壁１６、第五の隔壁１７、第六の
隔壁１８によって空間部２０、２１、２２、２３、２４
が形成される。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the solid oxide fuel cell system of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG.
1 is a sectional elevational view showing the solid oxide fuel cell system of the present invention, FIG. 2 is a view as seen from the direction of the arrow X in FIG. 1, and FIG. In the figure, reference numeral 1 denotes a container, which is an integral type having a San Germani structure in which a heat insulating material 11 is interposed between an outer shell 10a and an inner shell 10b. In another embodiment, the outer shell 10a may be a pressure vessel and the container 1 may be a pressure vessel. The vessel or pressure vessel has a substantially hermetic structure integrated by a flange connection (not shown). Container 1
The inside is formed by the bottom plate 12, the first partition 13, the second partition 14, the third partition 15, the fourth partition 16, the fifth partition 17, and the sixth partition 18, and the spaces 20, 21, 22, 23 are formed. , 24
Is formed.
【００１１】底板１２と第一の隔壁１３とで形成される
空間部２０にはセルスタック２が設置される。セルスタ
ック２は陽電極と陰電極と固体酸化物で構成されたイオ
ン導電体とスペーサとを組み合わせた単電池複数枚を縦
型に組み合わせたものである。またこのセルスタックの
構造は公知のものであるから、特に説明はしない。第一
の隔壁１３と第二の隔壁１４とで形成される空間部２１
には改質器３とその下にバーナ４が設置される。この改
質器３は図２に示すように、二個を並列に並べて配置さ
れる。第一の隔壁１３には通気孔１３１が多数個設けら
れて、下段の空間部２０に設置されたセルスタック２か
ら発生する熱を対流により速やかに放散できるようにす
る。またセルスタック２から放出される未反応の空気と
燃料ガス（水素と一酸化炭素の混合物）を空間部２１へ
導く放出空気管４０と放出燃料管４１とが第一の隔壁１
３を貫通して設けられている。この空間部２１では放出
空気管４０と放出燃料管４１から放出された空気と燃料
ガスはそこで燃焼して熱ガスとなる。この燃焼により発
生した熱は、前記したセルスタック２から放出される熱
と共に改質器３を約７００℃に加熱保持する。The cell stack 2 is installed in a space 20 formed by the bottom plate 12 and the first partition 13. The cell stack 2 is formed by vertically combining a plurality of unit cells each including a positive electrode, a negative electrode, an ion conductor composed of solid oxide, and a spacer. Since the structure of the cell stack is known, no particular description is given. Space 21 formed by first partition 13 and second partition 14
Is provided with a reformer 3 and a burner 4 thereunder. As shown in FIG. 2, two reformers 3 are arranged in parallel. A large number of ventilation holes 131 are provided in the first partition 13 so that heat generated from the cell stack 2 installed in the lower space 20 can be quickly dissipated by convection. Further, a discharge air pipe 40 and a discharge fuel pipe 41 for guiding unreacted air and fuel gas (a mixture of hydrogen and carbon monoxide) discharged from the cell stack 2 to the space 21 are formed by the first partition wall 1.
3 is provided. In the space 21, the air and the fuel gas discharged from the discharge air pipe 40 and the discharge fuel pipe 41 burn there and become hot gas. The heat generated by the combustion heats and holds the reformer 3 at about 700 ° C. together with the heat released from the cell stack 2.
【００１２】第二の隔壁１４と第三の隔壁１５とで形成
される空間部２２には蒸気発生器５と第二の空気加熱器
６とが設けられる。第二の隔壁１４には通気孔１４１
が、内シェル１０ｂに近い位置に形成され、第三の隔壁
１５には第二の隔壁１４のものとは反対方向に通気孔１
５１が設けられて、熱ガスが空間部２２中を略水平方向
に流通して、蒸気発生器５及び第二の空気加熱器６にま
んべんなく接触するようにして、熱ガスとの熱交換の効
率を高くすることを図っている。A steam generator 5 and a second air heater 6 are provided in a space 22 formed by the second partition 14 and the third partition 15. The second partition 14 has a ventilation hole 141.
Is formed at a position close to the inner shell 10b, and the third partition 15 has the ventilation holes 1 in a direction opposite to that of the second partition 14.
51 is provided, so that the hot gas flows in the space portion 22 in a substantially horizontal direction and evenly contacts the steam generator 5 and the second air heater 6, so that the efficiency of heat exchange with the hot gas is improved. Is being raised.
【００１３】第三の隔壁１５と第四の隔壁１６とで形成
される空間部２３には改質前の天然ガスを加熱するガス
加熱器７が設けられている。第四の隔壁１６には第三の
隔壁１５に形成された通気孔１５１とは反対方向に通気
孔１６１が設けられており、その作用は前記したと同じ
ものである。第四の隔壁１６と第五の隔壁１７とで形成
される空間部２４には脱硫器８が設けられる。この脱硫
器８は図３に示すように、二個を並列に並べて配置され
る。また第五の隔壁１７には第４の隔壁１６に形成され
た通気孔１７１が設けられ、第五の隔壁１７と第六の隔
壁１８とで形成される空間部２５には第一の空気加熱器
９が設けられている。A gas heater 7 for heating natural gas before reforming is provided in a space 23 formed by the third partition 15 and the fourth partition 16. The fourth partition 16 is provided with a ventilation hole 161 in a direction opposite to the ventilation hole 151 formed in the third partition 15, and the operation is the same as described above. The desulfurizer 8 is provided in a space 24 formed by the fourth partition 16 and the fifth partition 17. As shown in FIG. 3, two desulfurizers 8 are arranged in parallel. The fifth partition 17 is provided with an air hole 171 formed in the fourth partition 16, and a space 25 formed by the fifth partition 17 and the sixth partition 18 is provided with a first air heating space. A vessel 9 is provided.
【００１４】セルスタック２からの放出燃料管４１の一
端は一旦容器１の外部に導かれて、冷却器１９に接続さ
れ、冷却器１９から改質器３へ連結される。改質器３に
て天然ガスを改質する際は純水の水蒸気が必要である
が、セルスタック２から発生する水蒸気は純水であるか
ら、これを有効利用しようとするものである。またセル
スタック２で発生し放出された水蒸気及び未反応の燃料
ガスは７００℃程度に高温であるため、これを冷却せず
に改質器３へ直接的に供給しようとすると、その管系中
にある弁類が高温にさらされて作動に支障をきたすおそ
れがある。従ってセルスタック２から放出された水蒸気
と燃料ガスは冷却器１９でセルスタック２へ供給される
空気と熱交換して、その温度を低下させたうえで改質器
３への管系に供給する。その他の管系等の構成は以降に
順次行なうことにする。One end of the fuel pipe 41 discharged from the cell stack 2 is once guided to the outside of the vessel 1, connected to the cooler 19, and connected from the cooler 19 to the reformer 3. When reforming the natural gas in the reformer 3, steam of pure water is necessary, but since the steam generated from the cell stack 2 is pure water, the steam is to be used effectively. Further, since the steam and unreacted fuel gas generated and released in the cell stack 2 have a high temperature of about 700 ° C., if they are to be supplied directly to the reformer 3 without cooling, the pipe system will Valves may be exposed to high temperatures and interfere with operation. Therefore, the steam and the fuel gas released from the cell stack 2 exchange heat with the air supplied to the cell stack 2 in the cooler 19, and after lowering the temperature, are supplied to the pipe system to the reformer 3. . Other configurations of the pipe system and the like will be sequentially performed thereafter.
【００１５】次に前記した構成の作用について説明す
る。天然ガスＮＧはブロア５０によって昇圧されてＮＧ
１管系を経由して脱硫器８に送られ、ここでＮｉ−Ｍｏ
系触媒のもと約３００℃の温度で脱硫される。脱硫され
た天然ガスＮＧはガス加熱器７に送られて約７００℃に
加熱されたうえで改質器３に送られる。改質器３間に送
られた天然ガスＮＧは別途送られてきた水蒸気とともに
Ｎｉ系触媒のもと約７００℃の温度で水素と一酸化炭素
との燃料ガスに改質される。改質器３からの燃料ガスは
Ｈ２管系を経由してセルスタック２へ供給される。尚こ
こで予め硫黄分を除去した天然ガスを用いる場合は脱硫
器８が不要となり、天然ガスＮＧは直接ガス加熱器７へ
送られる。一方天然ガスＮＧはＮＧ２管系を経由してバ
ーナ４へも供給され、本固体電解質型燃料電池システム
の立ち上げ時に改質器３を昇温するときの加熱源として
使用される。Next, the operation of the above configuration will be described. Natural gas NG is pressurized by the blower 50 and NG
It is sent to the desulfurizer 8 via one pipe system, where the Ni-Mo
It is desulfurized at a temperature of about 300 ° C. under a system catalyst. The desulfurized natural gas NG is sent to the gas heater 7 where it is heated to about 700 ° C. and then sent to the reformer 3. The natural gas NG sent between the reformers 3 is reformed together with the separately sent steam at a temperature of about 700 ° C. into a fuel gas of hydrogen and carbon monoxide under a Ni-based catalyst. Fuel gas from the reformer 3 is supplied to the cell stack 2 via the H2 pipe system. When using natural gas from which sulfur has been removed in advance, the desulfurizer 8 becomes unnecessary, and natural gas NG is sent directly to the gas heater 7. On the other hand, the natural gas NG is also supplied to the burner 4 via the NG2 pipe system, and is used as a heating source when raising the temperature of the reformer 3 when starting up the solid oxide fuel cell system.
【００１６】水Ｗは純水製造装置５１で純水にされたう
えで、Ｗ管系を経由して蒸気発生器５へ送られて水蒸気
Ｓ１とされる。この水蒸気Ｓ１はＳ１管系を経由して改
質器３へ送られて天然ガスＮＧを燃料ガスに改質するこ
とに供される。The water W is purified into pure water by a pure water producing apparatus 51 and then sent to a steam generator 5 via a W pipe system to be converted into steam S1. This steam S1 is sent to the reformer 3 via the S1 pipe system, and is used for reforming natural gas NG into fuel gas.
【００１７】空気Ａはブロア５２によって昇圧されて、
Ａ管系を経由して冷却器１９に送られて、ここでセルス
タック２から放出された未反応の燃料ガス及び純水の水
蒸気の一部を冷却したうえで上部の第一の空気加熱器９
に送られて、ここで約４００℃に加熱されて、更に第二
の空気加熱器６に送られて、ここで約７００℃に加熱さ
れ、その空気ＡはＡ管系を経由してセルスタック２へ供
給される。また冷却器１９で冷却された前記純水の水蒸
気は比較的低温にされて燃料改質用の水蒸気の一部とし
てＳ２管系を経て改質器３へ供給される。The air A is pressurized by the blower 52,
After being sent to the cooler 19 via the A-tube system, the unreacted fuel gas and a part of the pure water vapor released from the cell stack 2 are cooled, and then the first air heater on the upper side is cooled. 9
And then heated to about 400 ° C. and further sent to the second air heater 6 where it is heated to about 700 ° C. 2. The pure water steam cooled by the cooler 19 is cooled to a relatively low temperature and supplied to the reformer 3 via the S2 pipe system as a part of the fuel reforming steam.
【００１８】セルスタック２へ供給された燃料ガスと空
気中の酸素とは、その半量以上が電気化学反応により電
気を発生して純水となり、他の一部は未反応の燃料ガス
及び酸素としてセルスタック２より放出される。本発明
に係わる固体電解質型燃料電池は空気極側で発生した酸
素イオンが電解質中を燃料極側に移動するものであるか
ら、燃料極側に純水が発生して、燃料極側からは純水の
水蒸気と未反応の燃料ガスとが放出され、空気極側から
は未反応の酸素が放出される。燃料極側から放出された
水蒸気と未反応の燃料ガスとの一部と、空気極側から放
出された酸素は空間部２１へ送られて、そこで燃焼して
前記したように改質器３を加熱する。また前記したよう
に、燃料極側から発生した純水の水蒸気と未反応の燃料
ガスの一部は冷却器１９を経由して改質器３へ供給され
る。At least half of the fuel gas supplied to the cell stack 2 and oxygen in the air generate electricity by an electrochemical reaction to become pure water, and the other part is converted into unreacted fuel gas and oxygen. It is released from the cell stack 2. In the solid oxide fuel cell according to the present invention, since oxygen ions generated on the air electrode side move in the electrolyte toward the fuel electrode side, pure water is generated on the fuel electrode side, and pure water is generated on the fuel electrode side. Water vapor of water and unreacted fuel gas are released, and unreacted oxygen is released from the air electrode side. A part of the water vapor and the unreacted fuel gas released from the fuel electrode side and the oxygen released from the air electrode side are sent to the space 21, where they are burned and the reformer 3 is discharged as described above. Heat. Further, as described above, a part of the fuel gas that has not reacted with the pure water vapor generated from the fuel electrode side is supplied to the reformer 3 via the cooler 19.
【００１９】天然ガスＮＧを燃料ガスに改質するには、
前記したように約７００℃以上の高温が必要であり、し
かも吸熱反応であるから、セルスタック２から発生する
熱と放出される未反応の燃料ガスと空気との燃焼によっ
て発生する熱とで改質器３を直接加熱でき得るように、
改質器３はセルスタック２の直上に配置されている。ま
た改質器３とセルスタック２の間で改質器３の直下にバ
ーナ４が配置されて、固体電解質型燃料電池の立ち上げ
時における改質器３の昇温を短時間に行い得るようにし
た。通常は固体電解質型燃料電池システムの立ち上げ時
のみ改質器３を昇温させるためにバーナ４を使用し、セ
ルスタック２が定常の発電を始めたら、その発電により
発生する熱と熱ガスのみで改質器３を約７００℃に加熱
保持する。天然ガスＮＧの脱硫は３００〜３５０℃の温
度下で行われるから、７００℃程度の高温の熱ガスが蒸
気発生器５や空気加熱器６やガス加熱器７によって熱交
換されて約３００℃に温度低下したもので行ない得るよ
うに、脱硫器８はガス加熱器７の上段側に配置した。In order to reform natural gas NG into fuel gas,
As described above, a high temperature of about 700 ° C. or more is required, and since the reaction is an endothermic reaction, the heat generated from the cell stack 2 and the heat generated by the combustion of the unreacted fuel gas and air released are modified. So that it can be heated directly
The reformer 3 is disposed immediately above the cell stack 2. Further, a burner 4 is disposed directly below the reformer 3 between the reformer 3 and the cell stack 2 so that the temperature of the reformer 3 can be raised in a short time when the solid oxide fuel cell is started. I made it. Normally, the burner 4 is used to raise the temperature of the reformer 3 only when the solid oxide fuel cell system is started up. When the cell stack 2 starts steady power generation, only the heat and heat gas generated by the power generation are used. To heat the reformer 3 to about 700 ° C. Since desulfurization of natural gas NG is performed at a temperature of 300 to 350 ° C., a high-temperature hot gas of about 700 ° C. is heat-exchanged by the steam generator 5, the air heater 6, and the gas heater 7 to about 300 ° C. The desulfurizer 8 was arranged on the upper side of the gas heater 7 so as to be able to perform the operation with the temperature lowered.
【００２０】本発明においては、熱ガスは容器１と隔壁
１４乃至隔壁１８によって形成された空間部２２乃至２
５の間をつづら折り状に流通し、しかも吹き抜けが生じ
ないから、高温の熱ガスは改質器３、蒸気発生器５、第
二の空気加熱器６、ガス加熱器７、脱硫器８、第一の空
気加熱器９にまんべんなく接触できて、熱ガスの有する
熱量を高い効率で利用することができる。In the present invention, the hot gas is supplied to the space portions 22 to 2 formed by the container 1 and the partition walls 14 to 18.
5, the hot gas flows from the reformer 3, the steam generator 5, the second air heater 6, the gas heater 7, the desulfurizer 8, and the It is possible to contact the air heater 9 evenly, and to use the heat of the hot gas with high efficiency.
【００２１】また本発明においては、容器１の下側か
ら、各機器の作動温度が高い順に各機器を配置し、しか
も容器１と隔壁１３乃至隔壁１８とで熱ガスの通路たる
空間部２１乃至空間部２５を形成した。従って熱ガスは
空間部２０乃至空間部２５中を流通して、そこに配置さ
れた改質器３、蒸気発生器５、第二の空気加熱器６、ガ
ス加熱器７、脱硫器８、第一の空気加熱器９と熱交換し
て温度が低下しながら、容器１中を自然ドラフトで上昇
して熱ガス出口５３から排出される。このように熱ガス
を自然ドラフトで上昇させることができるから、熱ガス
を流通させるための別途の動力やダクトを設ける必要が
なく、設置面積を小さくでき、且つ簡易な構造の固体電
解質型燃料電池システムとすることができる。Further, in the present invention, the respective devices are arranged in order from the lower side of the container 1 in the order of the operating temperature of the respective devices, and the container 1 and the partition walls 13 to 18 form the space portions 21 to 18 serving as hot gas passages. A space 25 was formed. Therefore, the hot gas flows through the space portions 20 to 25, and the reformer 3, the steam generator 5, the second air heater 6, the gas heater 7, the desulfurizer 8, and the The heat is exchanged with one air heater 9 to lower the temperature, and the temperature in the container 1 is raised by natural draft and discharged from the hot gas outlet 53. As described above, since the hot gas can be raised by the natural draft, there is no need to provide a separate power or a duct for flowing the hot gas, the installation area can be reduced, and the solid oxide fuel cell has a simple structure. System.
【００２２】熱ガス出口５３より排出される熱ガスは未
だ３００℃程度の温度であるから、この熱を利用するた
めの、例えば温水器や吸収式冷凍機（冷暖房用）等（図
示略）を連結すれば、更に熱効率を高くすることができ
る。Since the hot gas discharged from the hot gas outlet 53 is still at a temperature of about 300 ° C., for example, a water heater, an absorption refrigerator (for cooling and heating), etc. (not shown) for utilizing this heat are required. If connected, the thermal efficiency can be further increased.
【００２３】天然ガスＮＧを脱硫するための脱硫器８及
び燃料改質するための改質器３では、脱硫器８において
は分離された硫黄分が脱硫器８中に滞留してゆくこと、
改質器３においては分解された炭素分が改質器３中に滞
留してゆくことのために、適宜な時間間隔で内部の触媒
を交換したり内部の清掃を行なう必要がある。そのため
本発明では前記したように脱硫器８各々二個並設して、
交互に切り替え運転可能なものとし、改質器３も二個並
設して、交互に切り替え運転可能なものとした。In the desulfurizer 8 for desulfurizing the natural gas NG and the reformer 3 for reforming the fuel, the sulfur separated in the desulfurizer 8 stays in the desulfurizer 8;
In the reformer 3, it is necessary to exchange the internal catalyst or clean the internal at appropriate time intervals in order for the decomposed carbon to stay in the reformer 3. Therefore, in the present invention, two desulfurizers 8 are arranged side by side as described above,
The operation can be switched alternately, and two reformers 3 are also provided side by side so that the operation can be switched alternately.
【００２４】前記したように固体電解質型燃料電池で
は、その発電温度が７００℃〜１０００℃と高温である
ために、運転、停止を頻繁に行なうと特にセルスタック
２の構成部品が熱衝撃によって短時間に破損するおそれ
があるから、連続的に運転できることが構成部材の耐久
性を向上させるうえで重要なことである。そのために比
較的短時間内に触媒の交換や内部清掃が必要とされる脱
硫器８及び改質器３を各々二個並設して、これら各々を
交互に切り替え運転することで、固体電解質型燃料電池
システムを長時間にわたり連続的に運転可能にすること
ができ、もって特にセルスタック２の構成部品の耐久性
を向上させることができる。As described above, since the power generation temperature of the solid oxide fuel cell is as high as 700 ° C. to 1000 ° C., if the operation and stop are performed frequently, the components of the cell stack 2 may be short due to thermal shock. It is important to be able to operate continuously in order to improve the durability of the components because there is a risk of damage in time. For this purpose, two desulfurizers 8 and two reformers 3 needing catalyst replacement and internal cleaning within a relatively short time are arranged in parallel, and these are alternately switched to operate. The fuel cell system can be operated continuously for a long period of time, so that the durability of the components of the cell stack 2 can be particularly improved.
【００２５】本発明においては、セルスタック２を前記
した各機器の最下段に配置したが、セルスタック２は約
７５０℃で発電して固体電解質型燃料電池システムの各
機器の中で最も高温の機器であるから、それから放出さ
れる熱輻射や熱ガスの自然ドラフトで、その上部に配置
された改質器や各種の熱交換器に熱量を与えることがで
きる。In the present invention, the cell stack 2 is arranged at the lowermost stage of each of the above-described devices. However, the cell stack 2 generates power at about 750 ° C. and has the highest temperature among the devices of the solid oxide fuel cell system. Since it is an equipment, it can provide heat to a reformer and various heat exchangers disposed above it by natural radiation of heat radiation and hot gas emitted from the equipment.
【００２６】[0026]
【発明の効果】本発明は上記の構成としたから、セルス
タックから放出される熱ガスを自然ドラフトによって上
昇させ得るから、他の機器と熱交換させるための別途の
管系と、熱ガスを流通させるための動力が不要となるこ
と、燃料改質に必要な水蒸気は容器内で生成されるから
設置面積が少さくなること、適宜触媒の交換や内部清掃
の必要な脱硫器や改質器を各々二個並設して、交互運転
可能としたから、これらの触媒の交換や内部清掃時も連
続して発電できることにより構成部品の耐久性を高めら
れることにより、構成が簡易、且つ設置面積が小さく、
耐久性が向上した固体電解質型燃料電池システムを提供
することができる。According to the present invention having the above structure, the hot gas released from the cell stack can be raised by natural draft, so that a separate pipe system for exchanging heat with other equipment and a hot gas are used. No power is required to distribute the fuel, steam required for fuel reforming is generated in the vessel, so the installation area is reduced, and desulfurizers and reformers that require catalyst replacement and internal cleaning as appropriate Are arranged side-by-side to enable alternate operation, so that power can be continuously generated even when these catalysts are exchanged or internal cleaning is performed, so that the durability of the components can be increased, so that the configuration is simple and the installation area is small. Is small,
A solid oxide fuel cell system having improved durability can be provided.
【図１】本発明の固体電解質型燃料電池システムを示す
立断面図である。FIG. 1 is a vertical sectional view showing a solid oxide fuel cell system of the present invention.
【図２】図１のＸ矢視図である。FIG. 2 is a view as viewed from an arrow X in FIG. 1;
【図３】図１のＹ矢視図である。FIG. 3 is a view as viewed in the direction of the arrow Y in FIG. 1;
１ 容器 ２ セルスタッ
ク ３ 改質器 ４ バーナ ５ 蒸気発生器 ６ 第二の空気
加熱器 ７ ガス加熱器 ８ 脱硫器 ９ 第一の空気加熱器 １２ 底板 １３，１４，１５，１６，１７，１８ 隔壁 １９ 冷却器 ２０、２１、２２、２３、２４、２５ 空間部 １３１、１３２、１３３、１３４、１３５ 通気孔、Reference Signs List 1 container 2 cell stack 3 reformer 4 burner 5 steam generator 6 second air heater 7 gas heater 8 desulfurizer 9 first air heater 12 bottom plate 13, 14, 15, 16, 17, 18 partition wall 19 cooler 20, 21, 22, 23, 24, 25 space 131, 132, 133, 134, 135 vent,
Claims (10)
質器を有する固体電解質型燃料電池システムであって、 一体型の容器或いは圧力容器内にセルスタック、バーナ
及び改質器をその順に容器の下から上に向けて配置し、
セルスタックで放出される熱を上部に配置した機器へ作
用させたことを特徴とする固体電解質型燃料電池システ
ム。1. A solid oxide fuel cell system having at least a cell stack, a burner, and a reformer, wherein a cell stack, a burner, and a reformer are placed in an integrated container or a pressure vessel from the bottom of the container in that order. Place it up,
A solid oxide fuel cell system, wherein heat released from the cell stack is applied to a device disposed at an upper portion.
器及び脱硫器を有する固体電解質型燃料電池システムで
あって、 一体型の容器或いは圧力容器内にセルスタック、バー
ナ、改質器及び脱硫器をその順に容器の下から上に向け
て配置し、セルスタックで放出される熱を上部に配置し
た機器へ作用させたことを特徴とする固体電解質型燃料
電池システム。2. A solid oxide fuel cell system having at least a cell stack, a burner, a reformer, and a desulfurizer, wherein the cell stack, the burner, the reformer, and the desulfurizer are provided in an integrated container or pressure vessel. A solid oxide fuel cell system in which the containers are arranged from the bottom to the top in that order, and the heat released from the cell stack is applied to the equipment arranged at the top.
質器を有する固体電解質型燃料電池システムであって、 一体型の容器或いは圧力容器内に複数段の隔壁を設けて
複数個の空間部を形成し、 前記各々の空間部にセルスタック、バーナ及び改質器の
少なくとも１つが配置されると共に、前記セルスタッ
ク、バーナ及び改質器をその順に容器の下から上に向け
て配置し、セルスタックで放出される熱を上部に配置し
た機器へ作用させたことを特徴とする請求項１乃至２記
載の固体電解質型燃料電池システム。3. A solid oxide fuel cell system having at least a cell stack, a burner and a reformer, wherein a plurality of partitions are provided in an integrated container or a pressure container to form a plurality of spaces. At least one of a cell stack, a burner, and a reformer is disposed in each of the space portions, and the cell stack, the burner, and the reformer are disposed in that order from the bottom of the container upward, and in the cell stack, 3. The solid oxide fuel cell system according to claim 1, wherein the released heat is applied to a device disposed at an upper portion.
器及び脱硫器を有する固体電解質型燃料電池システムで
あって、 一体型の容器或いは圧力容器内に複数段の隔壁が設けら
れて複数個の空間部を形成し、 前記各々の空間部にセルスタック、バーナ、改質器及び
脱硫器の少なくとも１つが配置されると共に、前記セル
スタック、バーナ、改質器及び脱硫器をその順に容器の
下から上に向けて配置し、セルスタックで放出される熱
を上部に配置した機器へ作用させたことを特徴とする請
求項１乃至３記載の固体電解質型燃料電池システム。4. A solid oxide fuel cell system having at least a cell stack, a burner, a reformer, and a desulfurizer, wherein a plurality of partitions are provided in an integrated vessel or a pressure vessel to form a plurality of spaces. Forming a part, at least one of a cell stack, a burner, a reformer, and a desulfurizer is arranged in each of the space parts, and the cell stack, the burner, the reformer, and the desulfurizer are arranged in this order from below the container. The solid oxide fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the fuel cell system is disposed upward, and heat released from the cell stack is applied to the device disposed above.
運転可能としたことを特徴とする請求項１乃至４記載の
固体電解質型燃料電池システム。5. The solid oxide fuel cell system according to claim 1, wherein a plurality of said reformers are arranged so that they can be operated alternately.
運転可能としたことを特徴とする請求項１乃至５記載の
固体電解質型燃料電池システム。6. The solid oxide fuel cell system according to claim 1, wherein a plurality of said desulfurizers are arranged so that they can be operated alternately.
触媒の交換に際しても電池システムを連続運転可能にし
たことを特徴とする請求項１乃至６記載の固体電解質型
燃料電池システム。7. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein a plurality of the reformers are arranged so that the battery system can be continuously operated even when the catalyst of the reformer is exchanged. system.
触媒の交換に際しても電池システムを連続運転可能にし
たことを特徴とする請求項１乃至７記載の固体電解質型
燃料電池システム。8. The solid oxide fuel cell system according to claim 1, wherein a plurality of said desulfurizers are arranged so that the battery system can be continuously operated even when the catalyst of said desulfurizer is exchanged.
質器を有する固体電解質型燃料電池システムであって、 セルスタックから放出される水蒸気及び未反応の燃料ガ
スの一部を改質器へ還流し、且つ水蒸気及び未反応の燃
料ガスを冷却するための冷却器を備えたことを特徴とす
る請求項１乃至８記載の固体電解質型燃料電池システ
ム。9. A solid oxide fuel cell system having at least a cell stack, a burner and a reformer, wherein a part of steam and unreacted fuel gas released from the cell stack are returned to the reformer, 9. The solid oxide fuel cell system according to claim 1, further comprising a cooler for cooling water vapor and unreacted fuel gas.
質器及び蒸気発生器を有する固体電解質型燃料電池シス
テムであって、 一体型の容器或いは圧力容器内にセルスタック、バー
ナ、改質器及び蒸気発生器を配置したことを特徴とする
請求項１乃至９記載の固体電解質型燃料電池システム。10. A solid oxide fuel cell system having at least a cell stack, a burner, a reformer, and a steam generator, wherein the cell stack, the burner, the reformer, and the steam generator are contained in an integrated container or a pressure vessel. 10. The solid oxide fuel cell system according to claim 1, wherein a vessel is arranged.
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