JP2003068314A - Solid electrolyte fuel cell and stirling engine combined system - Google Patents
Solid electrolyte fuel cell and stirling engine combined systemInfo
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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（Solid Oxide Fuel Cell）と運転モードのマッチ
ングが比較的簡単で、その廃熱の利用に適したスターリ
ングエンジンとのコンバインドサイクルを実現するとこ
ろの小型分散規模で高効率なエネルギー変換を行う固体
電解質型燃料電池・スターリングエンジンコンバインド
システムに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention realizes a combined cycle of a solid oxide fuel cell (Solid Oxide Fuel Cell) and a Stirling engine which is suitable for use of its waste heat and has relatively easy matching of operating modes. The present invention relates to a solid oxide fuel cell and Stirling engine combined system that performs highly efficient energy conversion on a small, distributed scale.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、分散型コージェネレーション用エ
ネルギー変換システムとしては、ガスエンジン、ディー
ゼルエンジン、ガスタービンエンジンなどがその動力発
生機関として利用され、開発が行われており、特に、効
率の高い固体電解質型燃料電池との組み合わせにおいて
は、マイクロガスタービンとの組み合わせが主な対象と
して研究開発が進んでいる。固体電解質型燃料電池とマ
イクロガスタービンのコンバインドシステムでは、固体
電解質型燃料電池部の圧力を上昇させることが可能で、
固体電解質型燃料電池の負荷率を向上できる。さらに、
固体電解質型燃料電池の未利用エネルギーをマイクロガ
スタービン燃焼器において完全燃焼可能であり、100kW
程度のシステムで、発電効率65%程度の効率が実現でき
る可能性がある。2. Description of the Related Art Conventionally, a gas engine, a diesel engine, a gas turbine engine, etc. have been utilized and developed as a power generation engine for a distributed cogeneration energy conversion system. Regarding the combination with the electrolyte fuel cell, research and development is progressing mainly for the combination with the micro gas turbine. In the combined system of solid oxide fuel cell and micro gas turbine, it is possible to raise the pressure of the solid oxide fuel cell part.
The load factor of the solid oxide fuel cell can be improved. further,
The unused energy of the solid oxide fuel cell can be completely burned in the micro gas turbine combustor, and 100kW
There is a possibility that a power generation efficiency of about 65% can be achieved with this system.
【０００３】一方、本発明の対象としている家庭規模で
の普及が見込めるkWクラスにおいては、総合効率８５
％、発電効率２０％程度の小型のガスエンジンや発電効
率30%の固体高分子型燃料電池（PEFC)が開発されつつあ
るが、より発電効率の高いシステムの実現が望まれてい
る。このクラスでは、固体電解質型燃料電池の規模は小
さくできる反面、コンバインド化するマイクロガスター
ビンのサイズとの整合性がつかないため、従来のマイク
ロガスタービンとの組み合わせは難しく、固体電解質型
燃料電池とスターリングエンジンコンバイドシステムが
考えられている。実開平4-119297に記載されているよう
に、燃料電池の出口側にアフターバーナーが設けられ、
このアフターバーナーにより燃料電池から排出された高
温ガスをさらに昇温し、スターリングエンジンに供給す
ることでコンバインドシステムの効率向上を図ってい
る。On the other hand, in the kW class, which is the object of the present invention and is expected to spread at home scale, the total efficiency is 85
%, A small gas engine with a power generation efficiency of about 20% and a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) with a power generation efficiency of 30% are being developed, but realization of a system with higher power generation efficiency is desired. In this class, the size of the solid oxide fuel cell can be made small, but it is not compatible with the size of the micro gas turbine to be combined, so it is difficult to combine with the conventional micro gas turbine, and it is A Stirling engine combined system is considered. As described in Japanese Utility Model Laid-Open No. 4-119297, an afterburner is provided on the outlet side of the fuel cell,
The afterburner further raises the temperature of the high-temperature gas discharged from the fuel cell and supplies it to the Stirling engine to improve the efficiency of the combined system.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、固体電
解質型燃料電池は、非常に高効率である点、固体酸化膜
を通過するのが酸化剤である酸素であるため、メタンな
どの炭化水素系燃料が利用できる点など、多くのメリッ
トのあるエネルギー変換装置として知られているが、作
動温度が高く排ガスの持つエネルギーが大きいため、更
なる高効率化のためには他のエネルギー変換機器とのコ
ンバインド化が有効である。現在、最も研究が進められ
ている形は、小型のガスタービンとの組み合わせで、数
百ｋWクラスのフィージビリティースタディーがすでに
始められている。However, since the solid oxide fuel cell has a very high efficiency, since oxygen as an oxidant passes through the solid oxide film, a hydrocarbon fuel such as methane is used. It is known as an energy conversion device with many merits such as that it can be used, but since the operating temperature is high and the energy of exhaust gas is large, it is combined with other energy conversion equipment for further efficiency improvement. Is effective. At present, the most researched form is a combination with a small gas turbine, and a feasibility study of several hundred kW class has already started.
【０００５】一方、家庭規模で必要な発電容量は１KWか
ら数ｋWクラスであり、このクラスでは、ボトミングと
なるタービンの効率が悪くなってしまうため、ガスター
ビンとのコンバインドではメリットが少なくなり、その
実現が難しい。また、家庭規模の需要は非常に負荷変動
が激しいため、それに適用できる発電システムは、急速
な起動や部分負荷に対する高い発電効率が要求されてい
る。On the other hand, the power generation capacity required on a household scale is in the 1 kW to several kW class. In this class, the efficiency of the bottoming turbine becomes poor, and the advantage in combination with the gas turbine is reduced. It is difficult to realize. In addition, since the demand on a household scale has a very large load fluctuation, a power generation system applicable to the demand is required to have a high power generation efficiency for rapid start-up and partial load.
【０００６】本発明は、小規模分散型利用において、固
体電解質型燃料電池とスターリングエンジンというすで
によく知られた技術を組みあわせることによって高い発
電効率が得られる点と、固体電解質型燃料電池と燃焼器
を一体構造にすることにより熱容量を最小化して急速起
動を可能にする点、および部分負荷時の発電効率向上の
ため、負荷信号により供給する燃料および空気の流量と
スターリングエンジンの作動ガス圧を制御して最適作動
条件で運転を図ることを目的とする。実開平4-119297に
固体電解質型燃料電池とスターリングエンジンのコンバ
インドシステムについての記載があるが、本システムで
は水中航走体用として、クローズドシステムを採用して
いるため、酸化剤を空気として一般の家庭用システムと
しては、以下のような問題点がある。第１に燃料と酸化
剤の問題で、このシステムでは、純水素と純酸素を供給
しなければならない。次に、固体電解質型燃料電池へ供
給される酸化剤（酸素）と燃料（水素）配管に分岐管が
設置され、この分岐管がアフターバーナー部へ接続さ
れ、燃料電池から排出される高温ガスをさらに昇温する
ように構成されている。しかし、本文中には本システム
の起動、部分負荷運転法が記載されていないため詳細は
不明であるが、起動時にはアフターバーナーを起動用バ
ーナーとして作動させた場合、電池部が電池反応開始温
度となるまで燃焼による熱を直接電池側へ供給するので
はなく、排気ガスと供給燃料・酸化剤との熱交換により
加温することになり、電池部に供給された酸素と水素は
混合が十分でない場合には、アフターバーナー部で燃焼
しないまま循環されることになり、燃焼温度が十分に上
昇しないため、運転温度に上昇するまでに長時間を要す
る、あるいは必要量以上に酸化剤、燃料を供給すること
により供給動力が増大するなどの問題点がある。また、
実開平4-119297のコンバイドシステムで酸化剤を空気と
した場合には、電池運転に必要な酸化剤(酸素)の濃度が
空気中の20％に限定されるため、空気流量を燃料流量に
比較し、大幅に増大させなければならず、それに伴い空
気側の熱容量が増大することから、電池運転温度（800
〜900℃）まで加温するためには、さらに、空気供給側
にシステム排ガス（850℃程度）のみならず、アフター
バーナーからの高温ガスを用いた熱交換による予熱構造
を設けなければ困難となる。また、燃料電池の燃料、酸
化剤供給配管からアフターバーナーへ燃料、酸化剤配管
を分岐したことにより、アフターバーナーでの燃焼に伴
う圧力変動が上流側の燃料電池配管へフィードバック
し、流量変動により燃料電池での電池反応が変動し、電
気出力に変動を与えるなどの問題が発生しやすくなる。
さらに、アフターバーナーで空気を酸化剤として燃料を
燃焼させる場合には、安定燃焼を図るため、ある程度以
上の高温燃焼ガス領域を生じさせる必要があり、この高
温燃焼ガス領域からNOxが発生し、環境上好ましくない
成分が排出されるなどの問題点がある。従来例では部分
負荷の運用については記載されていないので、不明であ
るが、燃料電池とSEの組合わせで部分負荷を高効率に運
用するためには両者の特性を考慮した運転状態の制御が
必要とされる。The present invention provides high power generation efficiency by combining the well-known technologies of the solid electrolyte fuel cell and the Stirling engine in the small-scale distributed use, and the solid electrolyte fuel cell and the combustion. In order to minimize the heat capacity and enable quick start by integrating the unit, and to improve the power generation efficiency at partial load, the flow rate of fuel and air supplied by the load signal and the working gas pressure of the Stirling engine are set. The purpose is to control and operate under optimum operating conditions. There is a description of the solid electrolyte fuel cell and Stirling engine combined system in Japanese Utility Model Laid-Open No. 4-119297, but since this system uses a closed system for underwater vehicles, it is generally used as an oxidizer for air. The home system has the following problems. First, due to fuel and oxidizer issues, this system must supply pure hydrogen and pure oxygen. Next, a branch pipe is installed in the oxidizer (oxygen) and fuel (hydrogen) pipes to be supplied to the solid oxide fuel cell, and this branch pipe is connected to the afterburner section to further increase the high temperature gas discharged from the fuel cell. It is configured to raise the temperature. However, since the method of starting this system and the partial load operation method are not described in the text, the details are unknown, but when the afterburner is operated as the starting burner at the time of starting, the battery section reaches the battery reaction start temperature. When the heat of combustion is not directly supplied to the battery side, but it is heated by the heat exchange between the exhaust gas and the supplied fuel / oxidizer, and the oxygen and hydrogen supplied to the battery part are not sufficiently mixed. Is circulated without burning in the afterburner section, and the combustion temperature does not rise sufficiently, so it takes a long time to reach the operating temperature, or it is necessary to supply more oxidizer and fuel than necessary. Therefore, there is a problem that the power supply is increased. Also,
When air is used as the oxidizer in the combined system of Kaikaihei 4-119297, the concentration of the oxidizer (oxygen) required for battery operation is limited to 20% of the air. Compared to this, the battery operating temperature (800
In order to heat up to ~ 900 ℃), it is more difficult to provide a preheating structure on the air supply side by heat exchange using not only system exhaust gas (about 850 ℃) but also high temperature gas from the afterburner. In addition, by branching the fuel and oxidizer pipes from the fuel and oxidizer supply pipes of the fuel cell to the afterburner, the pressure fluctuation due to combustion in the afterburner is fed back to the upstream fuel cell pipe, and the flow rate fluctuation causes The battery reaction of is fluctuated, and problems such as variation in electric output are likely to occur.
Furthermore, when burning fuel with air as an oxidant in the afterburner, it is necessary to generate a high temperature combustion gas region above a certain level in order to achieve stable combustion, and NOx is generated from this high temperature combustion gas region, which is environmentally friendly. There is a problem that undesirable components are discharged. It is unclear because the operation of partial load is not described in the conventional example, but in order to operate the partial load with high efficiency in the combination of the fuel cell and SE, it is necessary to control the operating state considering both characteristics. Needed.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】従来例のようにアフター
バーナーを別置式とした場合には、起動時に燃焼ガス温
度を短時間に高温まで昇温させ、起動時間を短くするこ
と、あるいは燃料、酸化剤供給配管を燃料電池とアフタ
ーバーナー間で分岐させることによる変動の相互干渉、
アフターバーナーでの燃焼安定性を確保することによる
NOxの発生などの問題を解決するため、固体電解質型燃
料電池出口部自身を電池から排出される未反応の酸化剤
と燃料とを燃焼させる燃焼器とし、直接上流側へ熱を供
給すると共に、該燃焼器より燃焼されたガスをスターリ
ングエンジン用加熱器、空気予熱器、改質用水蒸気発生
装置を順に通る単一のガス流路に導くようにしたことを
特徴とする。また、本発明の固体電解質型燃料電池・ス
ターリングエンジンコンバインドシステムは、固体電解
質型燃料電池とスターリングエンジンとのコンバインド
システムにおいて、電力負荷に応じたシステムの出力を
制御する際、固体電解質型燃料電池の温度およびスター
リングエンジン用加熱器の温度が一定になるように制御
することを特徴とする。また、本発明の固体電解質型燃
料電池・スターリングエンジンコンバインドシステム
は、流量・圧力制御装置を設け、該流量・圧力制御装置
により空気および燃料の供給量およびスターリングエン
ジンの作動圧力を制御することにより固体電解質型燃料
電池の温度およびスターリングエンジン用加熱器の温度
を一定になるように制御することを特徴とする。When the afterburner is separately installed as in the conventional example, the combustion gas temperature is raised to a high temperature in a short time at the time of start-up to shorten the start-up time, or to reduce fuel or oxidation. Mutual interference of fluctuations by branching the agent supply pipe between the fuel cell and the afterburner,
By ensuring combustion stability in the afterburner
In order to solve problems such as NOx generation, the solid oxide fuel cell outlet itself is a combustor that burns unreacted oxidant and fuel discharged from the cell, and heat is supplied directly to the upstream side, The gas combusted from the combustor is introduced into a single gas flow path that sequentially passes through a Stirling engine heater, an air preheater, and a reforming steam generator. Further, the solid oxide fuel cell and Stirling engine combined system of the present invention is a combined system of a solid oxide fuel cell and a Stirling engine, and when controlling the output of the system according to the power load, It is characterized in that the temperature and the temperature of the Stirling engine heater are controlled to be constant. Further, the solid oxide fuel cell / Stirling engine combined system of the present invention is provided with a flow rate / pressure control device, and the flow rate / pressure control device controls the supply amount of air and fuel and the working pressure of the Stirling engine to achieve a solid state. It is characterized in that the temperature of the electrolyte fuel cell and the temperature of the Stirling engine heater are controlled to be constant.
【０００８】[0008]
【発明の実施の形態】以下、本発明による実施の形態を
図面に基づき説明する。図１は、固体電解質型燃料電池
・スターリングエンジンコンバインドシステムの全体構
成の概略を示したものであり、本システムは、ブロワー
１、空気予熱器２、固体電解質型燃料電池３、固体電解
質型燃料電池一体型燃焼器４、スターリングエンジン用
加熱器５、改質用水蒸気発生装置６、燃料流量制御弁
７、プレ改質器８、スターリングエンジン９、圧力制御
用タンク１０、流量・圧力制御装置１１，スターリング
エンジン用冷却器１２、スターリングエンジン用再生器
１３、発電機１４およびインバータ１５で構成され、電
気を電力負荷１６に供給するシステムである。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows an outline of the overall configuration of a solid oxide fuel cell / Stirling engine combined system. This system includes a blower 1, an air preheater 2, a solid oxide fuel cell 3, and a solid oxide fuel cell. Integrated combustor 4, Stirling engine heater 5, reforming steam generator 6, fuel flow control valve 7, pre-reformer 8, Stirling engine 9, pressure control tank 10, flow rate / pressure control device 11, The system includes a Stirling engine cooler 12, a Stirling engine regenerator 13, a generator 14, and an inverter 15, and supplies electricity to a power load 16.
【０００９】流量・圧力制御装置１１には、電力負荷１
６から信号が入力され、その電力負荷状況に応じてブロ
ワー１および燃料流量制御弁７に制御信号を送るととも
にスターリングエンジン９の作動室と圧力制御用タンク
１０とを接続する配管上に設けられた制御弁２０、２０
に制御信号を送るように構成されている。The flow rate / pressure control device 11 includes an electric power load 1
A signal is inputted from 6 and a control signal is sent to the blower 1 and the fuel flow rate control valve 7 according to the power load condition, and it is provided on a pipe connecting the working chamber of the Stirling engine 9 and the pressure control tank 10. Control valves 20, 20
Is configured to send a control signal to.
【００１０】本システムにおいて、空気は、ブロワー１
で圧縮されて送り込まれ、空気予熱器２でシステムの排
気ガスから熱を供給され加熱され、固体電解質型燃料電
池３のカソード（空気極）１７に供給され、固体酸化物
膜１９によって酸素のみがアノード（燃料極）１８側に
透過し、燃料と反応して発電される。固体酸化物膜１９
で発生した熱は排ガスへ供給され、該排ガスは固体電解
質型燃料電池３出口に一体化された燃焼器４でアノード
１８側で反応し切れなかった燃料と混合し、燃焼され、
スターリングエンジン用加熱器５に熱を供給する。スタ
ーリングエンジン用加熱器５で熱交換した排ガスは、空
気予熱器２で空気に熱を与えた後、改質用水蒸気発生装
置６で蒸気を発生する熱源として利用され、大気に排出
される。このように、固体電解質型燃料電池３の出口に
燃焼器４を配置して、固体電解質型燃料電池３と燃焼器
４の一体化を図ることにより、起動時あるいは急激な熱
負荷時における時定数となる熱容量を低減できるととも
に、固体電解質型燃料電池３、スターリングエンジン
９、空気予熱器２、改質用水蒸気発生装置６を通る単一
のガス流路を形成することにより、起動および急激な負
荷変動時に速くしかも円滑な応答を実現できる。また、
空気予熱器２の下流に改質用水蒸気発生装置６を置き、
余剰排ガス熱量を極限まで回収して高い発電効率を維持
することができる。In this system, air is blower 1
And is supplied with heat from the exhaust gas of the system by the air preheater 2 to be heated and supplied to the cathode (air electrode) 17 of the solid oxide fuel cell 3 and only oxygen is supplied by the solid oxide film 19. Permeate to the anode (fuel electrode) 18 side and react with fuel to generate electricity. Solid oxide film 19
The heat generated in the above is supplied to the exhaust gas, and the exhaust gas is mixed with the fuel that has not reacted on the anode 18 side in the combustor 4 integrated at the outlet of the solid oxide fuel cell 3 and burned,
Heat is supplied to the Stirling engine heater 5. The exhaust gas that has exchanged heat with the Stirling engine heater 5 is used as a heat source for generating steam in the reforming steam generator 6 after heating the air with the air preheater 2, and is discharged to the atmosphere. Thus, by disposing the combustor 4 at the outlet of the solid oxide fuel cell 3 and integrating the solid oxide fuel cell 3 and the combustor 4, the time constant at the time of start-up or a sudden heat load is increased. The heat capacity of the solid electrolyte fuel cell 3, the Stirling engine 9, the air preheater 2, and the reforming steam generator 6 can be reduced, and a single gas flow path can be formed. A quick and smooth response can be realized during fluctuations. Also,
A reforming steam generator 6 is placed downstream of the air preheater 2,
It is possible to recover the surplus exhaust gas heat amount to the maximum and maintain high power generation efficiency.
【００１１】本システムにおいて、燃料は、流量制御弁
７で流量を調節され、システムへ送り込まれ、 改質用
水蒸気発生装置６で発生した水蒸気と混合される。水蒸
気と混合された燃料は、 空気予熱器２で加熱され、プ
レ改質器８によって、その一部が水素に改質され、固体
電解質型燃料電池３のアノード１８に供給される。アノ
ード１８に供給された水素は、固体電解質型燃料電池３
の固体酸化物膜１９を透過することによってカソード１
７側の空気と分離された酸素と反応し、固体電解質型燃
料電池３の発電と発熱が行われる。ここで消費される燃
料は固体電解質型燃料電池の保護の関係上、８割程度が
限界とされている。固体電解質型燃料電池３によって消
費し切れなかった燃料は、カソード１７側の一部酸素を
取り除かれた空気と混合され、固体電解質型燃料電池一
体型燃焼器４によって燃焼され、高温となり、スターリ
ングエンジン用加熱器５に供給される。In this system, the flow rate of the fuel is adjusted by the flow control valve 7, the fuel is fed into the system, and mixed with the steam generated in the reforming steam generator 6. The fuel mixed with the steam is heated by the air preheater 2, a part of which is reformed to hydrogen by the pre-reformer 8 and supplied to the anode 18 of the solid oxide fuel cell 3. Hydrogen supplied to the anode 18 is used as the solid oxide fuel cell 3
By passing through the solid oxide film 19 of the cathode 1
The air on the 7 side reacts with the separated oxygen to generate electricity and generate heat in the solid oxide fuel cell 3. The fuel consumed here is limited to about 80% due to the protection of the solid oxide fuel cell. The fuel that has not been completely consumed by the solid oxide fuel cell 3 is mixed with the air from which oxygen has been partly removed on the cathode 17 side, and is burned by the solid oxide fuel cell integrated combustor 4 to reach a high temperature, which results in the Stirling engine. Is supplied to the heating heater 5.
【００１２】本システムにおいて、スターリングエンジ
ン９の作動は一般的なもので、スターリングエンジン用
加熱器５で熱を供給され作動する。スターリングエンジ
ン用再生器１３においては、作動媒体がスターリングエ
ンジン用加熱器５からスターリングエンジン用再生器１
３を通過してスターリングエンジン用冷却器１２に入る
場合、作動媒体からスターリングエンジン用再生器１３
に熱が移動し、蓄熱され、その逆に作動媒体が流れる場
合、スターリングエンジン用冷却器１２で冷やされた作
動媒体を再び加熱することによって、作動媒体の往復動
時の熱のロスを防ぐようになっている。In this system, the Stirling engine 9 is generally operated, and the Stirling engine heater 5 supplies heat to operate. In the Stirling engine regenerator 13, the working medium is from the Stirling engine heater 5 to the Stirling engine regenerator 1
When passing through 3 and entering the Stirling engine cooler 12, from the working medium the Stirling engine regenerator 13
When the heat is transferred to and accumulated in the heat medium, and vice versa, the working medium flows, by heating the working medium cooled by the Stirling engine cooler 12 again, the heat loss during the reciprocating motion of the working medium is prevented. It has become.
【００１３】固体電解質型燃料電池３で発電された電気
は直流であり、スターリングエンジン９で駆動される発
電機１４は整流されていない交流であるため、インバー
タ１５を介して電力負荷１６に電力を供給する。Electricity generated by the solid oxide fuel cell 3 is direct current, and the generator 14 driven by the Stirling engine 9 is unrectified alternating current. Therefore, electric power is supplied to the electric power load 16 via the inverter 15. Supply.
【００１４】本システムの作動条件を、燃料はメタン、
酸化剤は空気、圧力は大気圧、水素利用率は70%、スチ
ームカーボン比は３：１、空気と燃料の質量流量比は1.
5〜3.5、ユニット数は0.8から1.5に、スターリングエン
ジンの図示効率を30％、スターリングエンジン用再生器
の温度効率を、0.7、0.8、0.9に変化させた場合を想定
して本システムの性能をシステム解析により評価した結
果を図2及び図3に示す。図２は、発電効率を、また、図
３は、効率の空気過剰率依存性を示している。システム
の効率は、ユニット数に多少の影響を受けるが、空気と
燃料の質量流量比とスターリングエンジン用再生器の温
度効率に強く依存し、特に前者は、質量流量比を制御対
象として運転することにより、部分負荷時にも高い発電
効率を維持できることを示している。例えば、空気と燃
料の質量流量比を3に固定した場合、温度効率0.7で効率
40％以上、温度効率0.8で効率50％以上、温度効率90％
で効率60%に近い効率が実現できることが判る。燃料を
水素にした場合においても、温度効率0.7で効率50％程
度、温度効率0.8で効率55％程度、温度効率90％で効率6
0%程度の効率が実現できる。The operating condition of this system is that the fuel is methane,
The oxidizer is air, the pressure is atmospheric pressure, the hydrogen utilization rate is 70%, the steam carbon ratio is 3: 1, and the mass flow ratio of air and fuel is 1.
5 to 3.5, the number of units is 0.8 to 1.5, the indicated efficiency of the Stirling engine is 30%, and the temperature efficiency of the regenerator for the Stirling engine is changed to 0.7, 0.8, 0.9. The results evaluated by system analysis are shown in Figs. FIG. 2 shows the power generation efficiency, and FIG. 3 shows the dependence of the efficiency on the excess air ratio. The efficiency of the system is slightly affected by the number of units, but it depends strongly on the mass flow ratio of air and fuel and the temperature efficiency of the regenerator for the Stirling engine. This shows that high power generation efficiency can be maintained even under partial load. For example, if the mass flow ratio of air and fuel is fixed at 3, the temperature efficiency is 0.7 and the efficiency is
40% or more, temperature efficiency 0.8, efficiency 50% or more, temperature efficiency 90%
It can be seen that an efficiency close to 60% can be achieved with. Even if hydrogen is used as the fuel, the efficiency is about 50% at a temperature efficiency of 0.7, about 55% at a temperature efficiency of 0.8, and 6 at a temperature efficiency of 90%.
Efficiency of about 0% can be realized.
【００１５】一般的に、部分負荷時においては燃料およ
び空気の供給量を減少させて出力を低下させるものであ
るが、このようにすると固体電解質型燃料電池のセル温
度が低下して電気抵抗が増大するため、発電効率が低下
し、また、それに伴い、スターリングエンジン熱入力量
の低下により作動ガス温度が低下し、熱効率も低下する
ことが知られている。本システムにおいては、〔００１
４〕に示したように、こうした部分負荷時の発電効率の
低下を最小限にするため、電力負荷１６の負荷状況から
システムへの空気と燃料の供給量を制御して固体電解質
型燃料電池３の温度低下を防ぐとともにスターリングエ
ンジン９の作動圧力制御を行い、その熱入力に対し高い
効率が得られる作動ガス圧力条件を得て、全体として発
電効率が高い条件で運転する。すなわち、圧力制御装置
１１により、ブロワー１と燃料流量制御弁７を調節し
て、質量流量比を制御することによって固体電解質型燃
料電池３のセル温度を一定に保つと共に、スターリング
エンジン９の回転数および圧力制御用タンク１０のバル
ブ２０を負荷信号に応じて調節することによって、スタ
ーリングエンジン用加熱器５からスターリングエンジン
９側に送られる熱量を制御し、スターリングエンジン用
加熱器５の温度を一定に保持する。このため、部分負荷
においても高効率を保つことができるのである。Generally, at the time of partial load, the supply amount of fuel and air is reduced to reduce the output. However, when this is done, the cell temperature of the solid oxide fuel cell decreases and the electrical resistance increases. It is known that the power generation efficiency decreases due to the increase, and the working gas temperature decreases due to the decrease in the Stirling engine heat input amount, and the thermal efficiency also decreases. In this system, [001
4], in order to minimize such a decrease in power generation efficiency at the time of partial load, the solid electrolyte fuel cell 3 is controlled by controlling the supply amount of air and fuel to the system from the load condition of the power load 16. Of the Stirling engine 9 is controlled and the operating pressure of the Stirling engine 9 is controlled to obtain a working gas pressure condition in which high efficiency is obtained with respect to the heat input, and the operation is performed under the condition of high power generation efficiency as a whole. That is, by controlling the blower 1 and the fuel flow rate control valve 7 by the pressure control device 11 to control the mass flow rate ratio, the cell temperature of the solid oxide fuel cell 3 is kept constant, and the rotational speed of the Stirling engine 9 is maintained. By adjusting the valve 20 of the pressure control tank 10 according to the load signal, the amount of heat sent from the Stirling engine heater 5 to the Stirling engine 9 side is controlled, and the temperature of the Stirling engine heater 5 is kept constant. Hold. Therefore, high efficiency can be maintained even with partial load.
【００１６】[0016]
【発明の効果】以上の説明から明らかなとおり、この発
明によれば、家庭規模程度の小型分散型電源において
も、以下の理由により、高効率な発電が可能となり、エ
ネルギーを有効に利用できる。
（１）固体電解質型燃料電池の出口を燃焼器にして、固
体電解質型燃料電池と燃焼器の一体化を図ることによ
り、起動時あるいは急激な熱負荷時における時定数とな
る熱容量を低減できるとともに、固体電解質型燃料電
池、スターリングエンジン、空気予熱器、改質用水蒸気
発生装置を通る単一のガス流路とすることにより、起動
および急激な負荷変動時に速くしかも円滑な応答を実現
できる。
（２）また、排ガスの空気予熱器の下流に改質用水蒸気
発生装置を置き、余剰排ガス熱量を極限まで回収して高
い発電効率を維持することができる。
（３）電力負荷の状況から、システムへの空気と燃料の
供給量を制御して固体電解質型燃料電池の温度低下を防
ぐとともにスターリングエンジンの圧力制御を行うこと
により、その熱入力に対し高い効率が得られる作動ガス
圧力条件を得て、全体として発電効率が高い条件で運転
できる。すなわち、圧力制御回路により、ブロワーと燃
料流量制御弁および圧力制御用タンクのバルブをコント
ロールして、固体電解質型燃料電池の温度とスターリン
グエンジン用加熱器の温度が一定となるように制御する
ことにより、部分負荷においても高効率を保つことがで
きる。As is apparent from the above description, according to the present invention, even in a small-scale distributed power source of a household scale, highly efficient power generation is possible and energy can be effectively used for the following reasons. (1) By using a combustor at the outlet of the solid oxide fuel cell and integrating the solid oxide fuel cell and the combustor, the heat capacity that becomes a time constant at the time of start-up or a sudden heat load can be reduced. By using a single gas flow path that passes through the solid oxide fuel cell, the Stirling engine, the air preheater, and the reforming steam generator, a quick and smooth response can be realized at the time of start-up and sudden load changes. (2) Further, a reforming steam generator is placed downstream of the air preheater for the exhaust gas, and the surplus exhaust gas heat quantity can be recovered to the maximum to maintain high power generation efficiency. (3) High efficiency with respect to the heat input by controlling the supply amount of air and fuel to the system to prevent the temperature drop of the solid oxide fuel cell and controlling the pressure of the Stirling engine depending on the power load condition. It is possible to operate under the condition that the power generation efficiency is high as a whole by obtaining the working gas pressure condition that obtains In other words, the pressure control circuit controls the blower, the fuel flow rate control valve, and the valve of the pressure control tank to control the temperature of the solid oxide fuel cell and the temperature of the Stirling engine heater to be constant. High efficiency can be maintained even with partial load.
【図１】本発明の実施の形態に係る固体電解質型燃料電
池・スターリングエンジンコンバインドシステムの全体
構成の概略を示した図である。FIG. 1 is a diagram schematically showing an overall configuration of a solid oxide fuel cell / Stirling engine combined system according to an embodiment of the present invention.
【図２】本発明の実施の形態に係る固体電解質型燃料電
池・スターリングエンジンコンバインドシステムの発電
効率を示した図である。FIG. 2 is a diagram showing power generation efficiency of a solid oxide fuel cell / Stirling engine combined system according to an embodiment of the present invention.
【図３】本発明の実施の形態に係る固体電解質型燃料電
池・スターリングエンジンコンバインドシステムの効率
の空気過剰率依存性を示した図である。FIG. 3 is a diagram showing an excess air ratio dependency of efficiency of a solid oxide fuel cell / Stirling engine combined system according to an embodiment of the present invention.
【符号の説明】 １ ブロワー ２ 空気予熱器 ３ 固体電解質型燃料電池 ４ 固体電解質型燃料電池一体型燃焼器 ５ スターリングエンジン用加熱器 ６ 改質用水蒸気発生装置 ７ 燃料流量制御弁 ８ プレ改質器 ９ スターリングエンジン １０ 圧力制御用タンク １１ 流量・圧力制御装置 １２ スターリングエンジン用冷却器 １３ スターリングエンジン用再生器 １４ 発電機 １５ インバータ １６ 電力負荷 １７ カソード（空気極） １８ アノード（燃料極） １９ 固体酸化物膜 ２０ 制御弁[Explanation of symbols] 1 blower 2 Air preheater 3 Solid oxide fuel cell 4 Solid oxide fuel cell integrated combustor 5 Stirling engine heater 6 Steam generator for reforming 7 Fuel flow control valve 8 pre-reformer 9 Stirling engine 10 Pressure control tank 11 Flow rate / pressure control device 12 Stirling engine cooler 13 Stirling engine regenerator 14 generator 15 inverter 16 power load 17 Cathode (air electrode) 18 Anode (fuel electrode) 19 Solid oxide film 20 control valve
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 8/12 Ｈ０１Ｍ 8/12 (72)発明者 古谷 博秀 茨城県つくば市東１−１−１ 独立行政法 人産業技術総合研究所つくばセンター内 (72)発明者 壹岐 典彦 茨城県つくば市東１−１−１ 独立行政法 人産業技術総合研究所つくばセンター内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA09 BA13 CC02 DD01 KK01 KK22 KK25 KK52 MM04 MM09 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H01M 8/12 H01M 8/12 (72) Inventor Hirohide Furuya 1-1-1 East, Tsukuba-shi, Ibaraki Prefecture Hoken AIST (Tsukuba Center) (72) Inventor Norihiko Iki 1-1-1 Higashi, Tsukuba, Ibaraki Prefecture DD01 KK01 KK22 KK25 KK52 MM04 MM09
Claims (3)
ンジンとのコンバインドシステムにおいて、固体電解質
型燃料電池出口部自身を、電池から排出される未燃の酸
化剤と燃料を燃焼させ、燃焼による熱を直接、固体電解
質型燃料電池に伝えることができる燃焼器とし、該燃焼
器により燃焼されたガスを、スターリングエンジン用加
熱器、空気予熱器、改質用水蒸気発生装置を順に通る単
一のガス流路に導くようにしたことを特徴とする固体電
解質型燃料電池・スターリングエンジンコンバインドシ
ステム。1. In a combined system of a solid oxide fuel cell and a Stirling engine, an outlet portion itself of the solid oxide fuel cell burns unburned oxidant and fuel discharged from the battery to directly generate heat by combustion. A single gas flow path which is a combustor that can be transmitted to a solid oxide fuel cell, and in which the gas combusted by the combustor sequentially passes through a Stirling engine heater, an air preheater, and a reforming steam generator. The solid electrolyte fuel cell and Stirling engine combined system, which is characterized in that
ンジンとのコンバインドシステムにおいて、電力負荷に
応じたシステムの出力を制御する際、固体電解質型燃料
電池の温度およびスターリングエンジン用加熱器の温度
が一定になるように制御することを特徴とする固体電解
質型燃料電池・スターリングエンジンコンバインドシス
テム。2. In a combined system of a solid oxide fuel cell and a Stirling engine, the temperature of the solid oxide fuel cell and the temperature of the Stirling engine heater are kept constant when controlling the output of the system according to the electric power load. The solid electrolyte fuel cell and Stirling engine combined system is characterized by controlling so that
力制御装置により空気および燃料の供給量およびスター
リングエンジンの作動圧力を制御することにより固体電
解質型燃料電池の温度およびスターリングエンジン用加
熱器の温度を一定になるように制御することを特徴とす
る請求項２記載の固体電解質型燃料電池・スターリング
エンジンコンバインドシステム。3. A solid electrolyte fuel cell temperature and a Stirling engine heater by providing a flow rate / pressure control device, and controlling the supply amount of air and fuel and the working pressure of the Stirling engine by the flow rate / pressure control device. The solid electrolyte type fuel cell and Stirling engine combined system according to claim 2, wherein the temperature of the fuel cell is controlled to be constant.
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|---|---|---|---|
| JP2001253219A JP3897149B2 (en) | 2001-08-23 | 2001-08-23 | Solid oxide fuel cell and Stirling engine combined system |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006092833A (en) * | 2004-09-22 | 2006-04-06 | Tokyo Gas Co Ltd | Power generating device |
| US7425382B2 (en) | 2003-07-15 | 2008-09-16 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Fuel cell assembly |
| JP2010174686A (en) * | 2009-01-28 | 2010-08-12 | Kyocera Corp | Composite power generation device |
| JP2016015309A (en) * | 2014-06-30 | 2016-01-28 | ザ・ボーイング・カンパニーＴｈｅＢｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ | Heat recycle and temperature control for underwater sailing vehicle using fuel cell |
-
2001
- 2001-08-23 JP JP2001253219A patent/JP3897149B2/en not_active Expired - Lifetime
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