JP6909897B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）システムを構成する機器、部材等には、一般に、クロム（Ｃｒ）を含む合金鋼（ステンレス鋼）が用いられる。通常６００℃以上の温度で作動するＳＯＦＣでは、クロムを含むステンレス鋼が高温に曝されることで、Ｃｒ（ＶＩ）の酸化物が生成することがある。Ｃｒ（ＶＩ）の酸化物は、例えば、ＳＯＦＣの空気極とつながる配管等において生成し、酸素を含むガスとともに空気極に運ばれ、空気極の材料にドープされているストロンチウム（Ｓｒ）等と反応し、クロム酸ストロンチウム（ＳｒＣｒＯ４）等として析出する。すなわち、電極材は、徐々にクロム被毒される。析出により空気極に被毒化合物が増えると、空気極の電気抵抗が増大し、電極性能が低下する。また、生成したＣｒ（ＶＩ）の酸化物は、空気極でＣｒ（ＩＩＩ）の化合物に還元され、空気極の三相界面に蓄積する。空気極の三相界面は、酸素分子がイオン化されて酸化物イオン（Ｏ２−）となる還元反応が起こる電極反応の活性場であるため、Ｃｒ（ＩＩＩ）の化合物が蓄積すると、電極反応の活性場が失活し、発電特性が低下する。 Alloy steel (stainless steel) containing chromium (Cr) is generally used for the equipment, members, and the like constituting the solid oxide fuel cell (SOFC) system. In SOFCs that normally operate at a temperature of 600 ° C. or higher, Cr (VI) oxides may be formed when stainless steel containing chromium is exposed to high temperatures. The oxide of Cr (VI) is generated, for example, in a pipe connected to the air electrode of SOFC, is carried to the air electrode together with a gas containing oxygen, and reacts with strontium (Sr) or the like doped in the material of the air electrode. Then, it precipitates as strontium chromate (SrCrO 4 ) or the like. That is, the electrode material is gradually poisoned with chromium. When the toxic compound increases in the air electrode due to precipitation, the electrical resistance of the air electrode increases and the electrode performance deteriorates. Further, the generated Cr (VI) oxide is reduced to a Cr (III) compound at the air electrode and accumulated at the three-phase interface of the air electrode. Since the three-phase interface of the air electrode is the active field of the electrode reaction in which the reduction reaction in which oxygen molecules are ionized to become oxide ions (O 2- ) occurs, when the compound of Cr (III) accumulates, the electrode reaction The active field is deactivated and the power generation characteristics are reduced.

上記のようなＳＯＦＣの性能低下を招くクロム被毒の問題を解決するための方法としては、以下の方法が報告されている。
例えば、特許文献１には、燃料電池設備において、予熱器よりも下流側の酸化ガス供給系統にクロム捕捉器を設けることで、予熱後の酸化ガスに含まれるクロム蒸気を捕捉し、セルスタックのクロム被毒を抑制する方法が開示されている。
特許文献２には、空気極の材料として、ある特定の組成のペロブスカイト構造を有するセラミックスを用いることで、触媒のクロム被毒を抑制する方法が開示されている。 The following methods have been reported as methods for solving the problem of chromium poisoning that causes deterioration of SOFC performance as described above.
For example, in Patent Document 1, in a fuel cell facility, by providing a chromium trap in the oxidation gas supply system on the downstream side of the preheater, the chromium vapor contained in the oxidized gas after preheating can be captured and the cell stack can be used. Methods for controlling chromium poisoning have been disclosed.
Patent Document 2 discloses a method of suppressing chromium poisoning of a catalyst by using a ceramic having a perovskite structure having a specific composition as a material of an air electrode.

特許第４９９３３４６号公報Japanese Patent No. 49933346 特開２００４−２８１１０５号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-281105

クロム被毒の問題を解決するための方法としては、簡便かつ安価な方法であることが望ましい。
この点に関し、特許文献１に記載された方法では、酸化ガス供給系統の最下流（即ち、セルスタックの手前）で酸化ガス中のクロム蒸気を分別した後、電界印加によりトラップしているため、ＳＯＦＣシステムや構造が複雑になる。また、特許文献２に記載された方法のように、空気極の材料として、特定の組成を有する材料を選択することは、材料上の制約が大きいため、使用条件の制約やコスト高につながり、好ましいとはいえない。 As a method for solving the problem of chromium poisoning, a simple and inexpensive method is desirable.
In this regard, in the method described in Patent Document 1, the chromium vapor in the oxidation gas is separated at the most downstream of the oxidation gas supply system (that is, before the cell stack) and then trapped by applying an electric field. The SOFC system and structure become complicated. Further, selecting a material having a specific composition as the material of the air electrode as in the method described in Patent Document 2 has a large restriction on the material, which leads to restrictions on usage conditions and high cost. Not preferable.

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、簡便かつ安価に、被毒元素による電池性能及び耐久性の低下を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a fuel cell system capable of suppressing deterioration of battery performance and durability due to poisoning elements easily and inexpensively. And.

上記課題を解決するための具体的な手段には、以下の形態が含まれる。
＜１＞ 燃料極と、空気極と、前記燃料極及び前記空気極の間に配置された固体酸化物電解質と、を備える固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池の前記空気極に供給される酸素を含むガスを加熱する加熱手段と、前記固体酸化物形燃料電池及び前記加熱手段の間に配置され、前記加熱手段によって加熱された酸素を含むガス中の被毒元素を吸着除去する被毒元素除去手段と、を備える燃料電池システム。 Specific means for solving the above problems include the following forms.
<1> A solid oxide fuel cell including a fuel electrode, an air electrode, and a solid oxide electrolyte arranged between the fuel electrode and the air electrode, and the air of the solid oxide fuel cell. Toxic elements in the oxygen-containing gas arranged between the solid oxide fuel cell and the heating means and heated by the heating means and the heating means for heating the oxygen-containing gas supplied to the pole. A fuel cell system including a means for removing toxic elements by adsorption and removal.

本形態に係る燃料電池システムでは、燃料電池と、燃料電池の空気極に供給される酸化ガスを加熱する加熱手段との間に、加熱手段によって加熱された酸化ガス中の被毒元素を吸着除去する被毒元素除去手段が配置されている。本形態に係る燃料電池システムによれば、加熱された酸素を含むガス（以下、「酸素含有ガス」ともいう。）が配管等を流通することで生成した、空気極を被毒する元素（被毒元素）を含むガスは、被毒元素除去手段に送られるため、酸素含有ガス中の被毒元素は、空気極に供給される前に除去される。
したがって、本形態に係る燃料電池システムでは、被毒元素を含むガスが空気極に供給されることを防止するために、必ずしも加熱された酸化ガスと接触する全ての機器及び部材を、被毒元素を含まない材料に変更したり、空気極の被毒を抑制するために、空気極の材料を被毒され難い特定の材料に変更したりすることを要しないので、従来の方法よりも簡便かつ安価に、被毒元素による電池性能及び耐久性の低下を抑制することができる。また、本形態に係る燃料電池システムにおける被毒元素除去手段は、吸着による除去であるため、複雑な装置を必要とせず、簡便かつ安価に、被毒元素による電池性能及び耐久性の低下を抑制することができる。 In the fuel cell system according to the present embodiment, toxic elements in the oxide gas heated by the heating means are adsorbed and removed between the fuel cell and the heating means for heating the oxidation gas supplied to the air electrode of the fuel cell. Toxic element removing means is arranged. According to the fuel cell system according to this embodiment, an element (subject) that poisons the air electrode, which is generated by circulating a heated oxygen-containing gas (hereinafter, also referred to as “oxygen-containing gas”) through a pipe or the like. Since the gas containing the toxic element) is sent to the toxic element removing means, the toxic element in the oxygen-containing gas is removed before being supplied to the air electrode.
Therefore, in the fuel cell system according to the present embodiment, in order to prevent the gas containing the poisoning element from being supplied to the air electrode, all the devices and members that come into contact with the heated oxidation gas are not necessarily poisoned elements. It is simpler than the conventional method because it is not necessary to change to a material that does not contain the air electrode, or to change the material of the air electrode to a specific material that is less likely to be poisoned in order to suppress the poisoning of the air electrode. At low cost, it is possible to suppress deterioration of battery performance and durability due to poisoning elements. Further, since the poisoning element removing means in the fuel cell system according to the present embodiment is removal by adsorption, a complicated device is not required, and the deterioration of battery performance and durability due to the poisoning element is suppressed easily and inexpensively. can do.

＜２＞ 前記被毒元素は、クロム、硫黄、及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素である＜１＞に記載の燃料電池システム。 <2> The fuel cell system according to <1>, wherein the poisoning element is at least one element selected from the group consisting of chromium, sulfur, and boron.

本形態に係る燃料電池システムでは、被毒元素として、クロム、硫黄、及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素が、被毒元素除去手段によって吸着除去される。クロム、硫黄、及びホウ素はいずれも、空気極を被毒し得る元素である。
一般に、加熱された酸化ガスが流通する配管等の部材には、クロムを含むステンレス鋼が用いられる。このステンレス鋼が高温に曝されると、三酸化クロム（ＣｒＯ３）、クロム酸（Ｈ２ＣｒＯ４）等のＣｒ（ＶＩ）の酸化物が生成することがある。生成したＣｒ（ＶＩ）の酸化物は、酸化ガスとともに空気極に運ばれ、空気極の材料にドープされているストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）等と反応し、クロム酸ストロンチウム（ＳｒＣｒＯ４）、クロム酸カルシウム（ＣａＣｒＯ４）等として析出する。これらの化合物が空気極で析出して増えると、空気極の電気抵抗が増大し、電極性能が低下する。また、生成したＣｒ（ＶＩ）の酸化物は、空気極で酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）等のＣｒ（ＩＩＩ）の化合物に還元され、空気極の三相界面に蓄積する。空気極の三相界面は、酸素分子がイオン化されて酸化物イオン（Ｏ２−）となる還元反応が起こる電極反応の活性場であり、Ｃｒ（ＩＩＩ）の化合物が蓄積すると電極反応の活性場が失活し、発電特性が低下する。
また、空気中に含まれる不純物由来の硫黄、及びシステムを構成する機器、部材等の材料由来のホウ素は、空気極の触媒を劣化させることがある。
本形態に係る燃料電池システムでは、これらの被毒元素が、空気極の手前で被毒元素除去手段によって除去されるため、電池性能及び耐久性の低下が効果的に抑制される。
また、ホウ素が空気極の手前で除去されるため、加熱された酸化ガスが流通する配管の接合等に用いるガラスとして、ホウ素を含む結晶化ガラスを用いることが可能となる。また、硫黄が空気極の手前で除去されるため、酸化ガスへの硫黄の混入を防止する特殊なフィルターを設置する必要がない。 In the fuel cell system according to the present embodiment, at least one element selected from the group consisting of chromium, sulfur, and boron is adsorbed and removed by the poisoning element removing means as the poisoning element. Chromium, sulfur, and boron are all elements that can poison the air electrode.
Generally, stainless steel containing chromium is used for members such as pipes through which heated oxide gas flows. When this stainless steel is exposed to a high temperature, oxides of Cr (VI) such as chromium trioxide (CrO 3 ) and chromic acid (H 2 CrO 4) may be formed. The generated Cr (VI) oxide is carried to the air electrode together with the oxidizing gas and reacts with strontium (Sr), calcium (Ca), etc. doped in the material of the air electrode, and strontium chromate (SrCrO 4 ). , Calcium chromate (CaCrO 4 ) and the like. When these compounds are deposited and increased at the air electrode, the electrical resistance of the air electrode increases and the electrode performance deteriorates. Further, the generated Cr (VI) oxide is reduced to a Cr (III) compound such as chromium oxide (Cr 2 O 3 ) at the air electrode and accumulated at the three-phase interface of the air electrode. The three-phase interface of the air electrode is the active field of the electrode reaction in which the reduction reaction in which oxygen molecules are ionized to become oxide ions (O 2- ) occurs, and the active field of the electrode reaction when the compound of Cr (III) accumulates. Is deactivated and the power generation characteristics deteriorate.
Further, sulfur derived from impurities contained in the air and boron derived from materials such as equipment and members constituting the system may deteriorate the catalyst of the air electrode.
In the fuel cell system according to the present embodiment, since these poisoning elements are removed by the poisoning element removing means in front of the air electrode, deterioration of battery performance and durability is effectively suppressed.
Further, since boron is removed in front of the air electrode, it becomes possible to use a crystallized glass containing boron as a glass used for joining pipes through which heated oxidation gas flows. Moreover, since sulfur is removed in front of the air electrode, it is not necessary to install a special filter to prevent sulfur from being mixed into the oxidizing gas.

＜３＞ 前記被毒元素除去手段は、前記被毒元素を吸着する吸着材を備える＜１＞又は＜２＞に記載の燃料電池システム。 <3> The fuel cell system according to <1> or <2>, wherein the poisoning element removing means includes an adsorbent that adsorbs the poisoning element.

＜４＞ 前記吸着材の形状は、球状、柱状、繊維状、及び粉砕状からなる群より選ばれる少なくとも１種の形状である＜３＞に記載の燃料電池システム。 <4> The fuel cell system according to <3>, wherein the shape of the adsorbent is at least one shape selected from the group consisting of a spherical shape, a columnar shape, a fibrous shape, and a crushed shape.

本形態に係る燃料電池システムでは、被毒元素除去手段が、被毒元素を吸着する吸着材を備える態様を有している。そのため、吸着材の組成、材質、形状、大きさ、孔径等を選択することで、目的に応じた被毒元素除去手段を設計することができ、自由度が高い。なお、吸着材の形状としては、球状、柱状、繊維状、及び粉砕状からなる群より選ばれる少なくとも１種の形状が一般的である。 In the fuel cell system according to the present embodiment, the poisoning element removing means includes an adsorbent that adsorbs the poisoning element. Therefore, by selecting the composition, material, shape, size, pore diameter, etc. of the adsorbent, it is possible to design the toxic element removing means according to the purpose, and the degree of freedom is high. The shape of the adsorbent is generally at least one selected from the group consisting of spherical, columnar, fibrous, and crushed.

＜５＞ 前記被毒元素除去手段は、前記被毒元素を吸着する吸着材と、前記吸着材を収容する容器と、前記容器の少なくともガス流通方向下流側に配置され、前記吸着材の飛散を防止するフィルターと、を備える＜４＞に記載の燃料電池システム。 <5> The toxic element removing means is arranged at least on the adsorbent for adsorbing the toxic element, a container for accommodating the adsorbent, and at least downstream of the container in the gas flow direction, and scatters the adsorbent. The fuel cell system according to <4>, comprising a filter to prevent.

本形態に係る燃料電池システムでは、被毒元素除去手段は、吸着材を収容する容器の少なくともガス流通方向下流側に、吸着材の飛散を防止するフィルターを備えているため、酸素含有ガスの流通による吸着材の飛散を防止することができる。 In the fuel cell system according to the present embodiment, the poisoning element removing means is provided with a filter for preventing the adsorbent from scattering at least on the downstream side in the gas flow direction of the container containing the adsorbent, so that the oxygen-containing gas flows. It is possible to prevent the adsorbent from scattering due to the above.

＜６＞ 前記吸着材は、前記空気極の材料と同じである＜３＞〜＜５＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 <6> The fuel cell system according to any one of <3> to <5>, wherein the adsorbent is the same as the material of the air electrode.

＜７＞ 前記吸着材は、ペロブスカイト型酸化物である＜３＞〜＜６＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 <7> The fuel cell system according to any one of <3> to <6>, wherein the adsorbent is a perovskite-type oxide.

本形態に係る燃料電池システムでは、吸着材が、空気極の材料と同じである態様が好ましい。また、本形態に係る燃料電池システムでは、吸着材が、ペロブスカイト型酸化物である態様がより好ましい。ペロブスカイト型酸化物は、空気極の材料として一般に用いられる材料である。これらの態様によれば、より安価に被毒元素除去手段を製造することができる。 In the fuel cell system according to the present embodiment, it is preferable that the adsorbent is the same as the material of the air electrode. Further, in the fuel cell system according to the present embodiment, it is more preferable that the adsorbent is a perovskite type oxide. Perovskite-type oxides are materials commonly used as materials for air electrodes. According to these aspects, the toxic element removing means can be manufactured at a lower cost.

本発明によれば、簡便かつ安価に、被毒元素による電池性能及び耐久性の低下を抑制することが可能な燃料電池システムが提供される。 According to the present invention, there is provided a fuel cell system capable of suppressing deterioration of battery performance and durability due to poisoning elements easily and inexpensively.

実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the fuel cell system which concerns on embodiment. 実施形態に係る燃料電池システムにおける被毒元素吸着除去器を示す概略断面図である。It is the schematic sectional drawing which shows the poisoning element adsorption remover in the fuel cell system which concerns on embodiment.

本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。 The numerical range represented by using "~" in the present specification means a range including the numerical values before and after "~" as the lower limit value and the upper limit value.

本発明の燃料電池システムの一実施形態について、図１を参照して説明する。図１は、実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。 An embodiment of the fuel cell system of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell system according to an embodiment.

本実施形態に係る燃料電池システム１は、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器１２と、改質ガスを用いて発電を行なう燃料電池１４と、酸素を含むガス（空気）を加熱する加熱手段である熱交換器１６と、加熱された酸素を含むガス中の被毒元素を吸着除去する被毒元素除去手段である被毒元素除去器１８と、を備えている。 The fuel cell system 1 according to the present embodiment includes a reformer 12 that steam reforms the raw material gas to generate reformed gas, a fuel cell 14 that generates power using the reformed gas, and a gas containing oxygen ( It is provided with a heat exchanger 16 which is a heating means for heating air) and a toxic element remover 18 which is a toxic element removing means for adsorbing and removing toxic elements in a gas containing heated oxygen. ..

本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、酸素含有ガスを加熱する加熱手段である熱交換器１６と、燃料電池１４のカソードとの間に、加熱された酸素含有ガス中の被毒元素を吸着除去する被毒元素除去手段である被毒元素除去器１８が配置されているので、カソードを被毒する元素（被毒元素）のカソードへの混入が抑制されるため、被毒元素による電池性能及び耐久性の低下が抑制される。 According to the fuel cell system 1 according to the present embodiment, the toxic element in the heated oxygen-containing gas is between the heat exchanger 16 which is a heating means for heating the oxygen-containing gas and the cathode of the fuel cell 14. Since the poisoning element remover 18 which is a means for removing the poisoning element that adsorbs and removes the cathode is arranged, the mixing of the element that poisons the cathode (toxic element) into the cathode is suppressed, so that the poisoning element is used. Deterioration of battery performance and durability is suppressed.

（改質器）
本実施形態に係る燃料電池システム１は、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器１２を備えている。改質器１２は、例えば、改質部２０とバーナ又は燃焼触媒を配置した燃焼部２２とにより構成されている。 (Reformer)
The fuel cell system 1 according to the present embodiment includes a reformer 12 for steam reforming the raw material gas to generate the reformed gas. The reformer 12 is composed of, for example, a reformer 20 and a combustion unit 22 in which a burner or a combustion catalyst is arranged.

改質部２０は、ガス流通方向上流にて原料ガス供給経路３０と接続しており、ガス流通方向下流にて改質ガス供給経路３２と接続している。原料ガス供給経路３０は、原料ガス及び水蒸気の混合ガスを改質器１２に供給する。そのため、原料ガス供給経路３０を通じて、メタン（ＣＨ４）等の原料ガス及び水蒸気の混合ガスが改質部２０に供給され、改質部２０にて原料ガスが水蒸気改質された後、生成された改質ガスが改質ガス供給経路３２を通じて、燃料電池１４に供給される。 The reforming unit 20 is connected to the raw material gas supply path 30 upstream in the gas distribution direction, and is connected to the reforming gas supply path 32 downstream in the gas distribution direction. The raw material gas supply path 30 supplies a mixed gas of the raw material gas and steam to the reformer 12. Therefore, a mixed gas of a raw material gas such as methane (CH 4 ) and steam is supplied to the reforming section 20 through the raw material gas supply path 30, and the raw material gas is steam reformed in the reforming section 20 and then generated. The reformed gas is supplied to the fuel cell 14 through the reformed gas supply path 32.

原料ガス供給経路３０内を流通する原料ガスとしては、水蒸気改質が可能なガスであれば特に限定されず、例えば、炭化水素ガスが挙げられる。炭化水素ガスとしては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガス等が例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、特にメタンが好ましい。なお、炭化水素ガスとしては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよく、上述した低級炭化水素ガスを含む天然ガス、都市ガス、ＬＰガス等のガスであってもよい。 The raw material gas circulating in the raw material gas supply path 30 is not particularly limited as long as it is a gas capable of steam reforming, and examples thereof include hydrocarbon gas. Examples of the hydrocarbon gas include natural gas, LP gas (liquefied petroleum gas), coal reforming gas, and lower hydrocarbon gas. Examples of the lower hydrocarbon gas include lower hydrocarbons having 4 or less carbon atoms such as methane, ethane, ethylene, propane and butane, and methane is particularly preferable. The hydrocarbon gas may be a mixture of the above-mentioned lower hydrocarbon gas, or may be a gas such as natural gas containing the above-mentioned lower hydrocarbon gas, city gas, LP gas or the like.

原料ガス供給経路３０内を流通する水蒸気は、気化器１０にて生成される。気化器１０では、外部より供給された水を気化して水蒸気を生成する。水を気化するための熱としては、燃焼排ガス等を用いてもよい。 The steam flowing in the raw material gas supply path 30 is generated by the vaporizer 10. The vaporizer 10 vaporizes water supplied from the outside to generate water vapor. Combustion exhaust gas or the like may be used as the heat for vaporizing water.

燃焼部２２は、ガス流通方向上流にてカソードオフガス経路４０及びアノードオフガス経路４２が接続されており、ガス流通方向下流側にて排気経路４４と接続している。
燃焼部２２は、燃料電池１４の空気極（カソード）側から排出され、カソードオフガス経路４０を通じて供給された酸素含有ガスと、燃料電池１４の燃料極（アノード）側から排出され、アノードオフガス経路４２を通じて供給された未反応の水素ガスとの混合ガスを燃焼させ、改質部２０内の改質用触媒を加熱する。燃焼部２２からの排気は、排気経路４４を通じて排出される。また、燃焼部２２を別途設けずに、アノードオフガスとカソードオフガスとを燃料電池１４を経た直後に燃焼させ、燃焼の火炎を改質部２０に直接当てることにより、改質部２０内の改質用触媒を加熱してもよい。 The combustion unit 22 is connected to the cathode off gas path 40 and the anode off gas path 42 upstream in the gas flow direction, and is connected to the exhaust path 44 on the downstream side in the gas flow direction.
The combustion unit 22 is discharged from the air electrode (cathode) side of the fuel cell 14, oxygen-containing gas supplied through the cathode off gas path 40, and is discharged from the fuel electrode (anode) side of the fuel cell 14, and is discharged from the anode off gas path 42. The mixed gas with the unreacted hydrogen gas supplied through is burned to heat the reforming catalyst in the reforming section 20. The exhaust gas from the combustion unit 22 is discharged through the exhaust path 44. Further, the anode-off gas and the cathode-off gas are burned immediately after passing through the fuel cell 14 without separately providing the combustion unit 22, and the combustion flame is directly applied to the reforming unit 20 to reform the inside of the reforming unit 20. The catalyst may be heated.

排気経路４４及び空気供給経路３６は、燃料電池１４のカソードに供給される酸素含有ガスを加熱する加熱手段である熱交換器１６とそれぞれ接続されている。
熱交換器１６では、排気経路４４を流通する排気ガスと、空気供給経路３６を流通する酸素含有ガスと、の間で熱交換を行なう。これにより、排気経路４４を流通する排気ガスは、冷却された後に排出され、空気供給経路３６を流通する酸素含有ガスは、燃料電池１４の作動温度に適した温度に加熱された後に、燃料電池１４のカソードに供給される。 The exhaust path 44 and the air supply path 36 are each connected to a heat exchanger 16 which is a heating means for heating the oxygen-containing gas supplied to the cathode of the fuel cell 14.
In the heat exchanger 16, heat exchange is performed between the exhaust gas flowing through the exhaust path 44 and the oxygen-containing gas flowing through the air supply path 36. As a result, the exhaust gas flowing through the exhaust path 44 is discharged after being cooled, and the oxygen-containing gas flowing through the air supply path 36 is heated to a temperature suitable for the operating temperature of the fuel cell 14, and then the fuel cell. It is supplied to 14 cathodes.

改質部２０で起こる水蒸気改質は大きな吸熱を伴うので、反応の進行のためには熱の供給が必要である。そのため、燃焼部２２で発生する燃焼熱により改質部２０を加熱することが好ましい。 Since the steam reforming that occurs in the reforming unit 20 involves a large endothermic process, it is necessary to supply heat for the reaction to proceed. Therefore, it is preferable to heat the reforming unit 20 with the combustion heat generated in the combustion unit 22.

原料ガスの一例であるメタンを水蒸気改質させた場合、改質部２０にて、以下の式（ａ）の反応が進行し、一酸化炭素及び水素が生成される。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２・・・（ａ） When methane, which is an example of a raw material gas, is steam reformed, the reaction of the following formula (a) proceeds in the reforming section 20, and carbon monoxide and hydrogen are generated.
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 ... (a)

改質部２０内に設置される改質用触媒としては、水蒸気改質反応の触媒となるものであれば、特に限定されない。改質用触媒としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）等を触媒金属として含む水蒸気改質用触媒が好ましい。 The reforming catalyst installed in the reforming section 20 is not particularly limited as long as it serves as a catalyst for the steam reforming reaction. Examples of the reforming catalyst include a steam reforming catalyst containing nickel (Ni), rhodium (Rh), ruthenium (Ru), iridium (Ir), palladium (Pd), platinum (Pt) and the like as catalyst metals. preferable.

改質部２０に供給される原料ガス（好ましくは、メタン）の炭素原子数（Ａ）と水蒸気の分子数（Ｂ）との比（Ａ：Ｂ）は、水蒸気改質を効率良く行なう観点から、１：１．５〜３．０が好ましく、１：２．０〜２．５がより好ましい。 The ratio (A: B) of the number of carbon atoms (A) of the raw material gas (preferably methane) supplied to the reforming unit 20 to the number of molecules (B) of steam is determined from the viewpoint of efficiently reforming steam. , 1: 1.5 to 3.0, more preferably 1: 2.0 to 2.5.

また、燃焼部２２は、水蒸気改質を効率良く行なう観点から、改質部２０を、６００℃〜８００℃に加熱することが好ましく、６００℃〜７００℃に加熱することがより好ましい。 Further, from the viewpoint of efficiently performing steam reforming, the combustion unit 22 preferably heats the reforming unit 20 to 600 ° C. to 800 ° C., more preferably 600 ° C. to 700 ° C.

（燃料電池）
本実施形態に係る燃料電池システム１は、改質器１２から供給された改質ガスを用いて発電を行なう燃料電池１４を備えている。
燃料電池１４は、燃料極（アノード）と、空気極（カソード）と、アノード及びカソードの間に配置された固体酸化物電解質と、を備え、アノードに供給される改質ガスと、カソードに供給される酸素含有ガスとを用いて発電を行なう固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。
燃料電池１４は、アノードと固体酸化物電解質とカソードとを備える燃料電池セルである。燃料電池１４は、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックであってもよい。 (Fuel cell)
The fuel cell system 1 according to the present embodiment includes a fuel cell 14 that generates electricity using the reformed gas supplied from the reformer 12.
The fuel cell 14 includes a fuel electrode (anode), an air electrode (cathode), and a solid oxide electrolyte arranged between the anode and the cathode, and supplies a reforming gas supplied to the anode and a cathode. It is a solid oxide fuel cell (SOFC) that generates power using the oxygen-containing gas produced.
The fuel cell 14 is a fuel cell cell including an anode, a solid oxide electrolyte, and a cathode. The fuel cell 14 may be a fuel cell stack in which a plurality of fuel cell cells are stacked.

燃料電池１４のカソード（図示せず）には、空気供給経路３６を通じて酸素含有ガスが供給される。酸素含有ガスがカソードに供給されることにより、以下の式（ｂ）に示す反応が起こり、その際、酸素イオンが固体酸化物電解質（図示せず）の内部を移動する。
Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−・・・（ｂ） An oxygen-containing gas is supplied to the cathode (not shown) of the fuel cell 14 through the air supply path 36. When the oxygen-containing gas is supplied to the cathode, the reaction represented by the following formula (b) occurs, and at that time, oxygen ions move inside the solid oxide electrolyte (not shown).
O 2 + 4e − → 2O 2-・ ・ ・ (b)

燃料電池１４のアノード（図示せず）には、改質ガス供給経路３２を通じて、水素を含む改質ガスが供給される。固体酸化物電解質の内部を移動する酸素イオンから、アノードと固体酸化物電解質との界面にて、水素又は一酸化炭素が電子を受け取ることにより、それぞれ以下の式（ｃ）又は（ｄ）に示す反応が起こる。
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−・・・（ｃ）
ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−・・・（ｄ） A reformed gas containing hydrogen is supplied to the anode (not shown) of the fuel cell 14 through the reformed gas supply path 32. Hydrogen or carbon monoxide receives electrons from oxygen ions moving inside the solid oxide electrolyte at the interface between the anode and the solid oxide electrolyte, and is represented by the following formula (c) or (d), respectively. A reaction occurs.
H 2 + O 2- → H 2 O + 2e - ··· (c)
CO + O 2- → CO 2 + 2e - ··· (d)

上記式（ｂ）に示すように、燃料電池１４での改質ガスの電気化学的な反応により、固体酸化物形燃料電池では、主に水蒸気が生成される。また、アノードで生成された電子は、外部回路を通じてカソードに移動する。このようにして電子がアノードからカソードに移動することにより、燃料電池１４にて発電が行なわれる。 As shown in the above formula (b), steam is mainly generated in the solid oxide fuel cell by the electrochemical reaction of the reformed gas in the fuel cell 14. In addition, the electrons generated at the anode move to the cathode through an external circuit. By moving the electrons from the anode to the cathode in this way, power is generated in the fuel cell 14.

燃料電池１４のアノードは、例えば、多孔質で、イオン伝導性が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質と固体間反応を起こし難い材料で形成されていることが好ましい。アノードの材料としては、ニッケル（Ｎｉ）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）／ニッケル金属の多孔質サーメット、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）／ニッケル金属の多孔質サーメット等が好ましい。アノードは、上記材料を２種以上混合した混合材料で形成されていてもよい。 The anode of the fuel cell 14 is preferably made of, for example, a material that is porous, has high ionic conductivity, and is unlikely to cause a solid-solid reaction with a solid oxide electrolyte at a high temperature. As the material of the anode, nickel (Ni), yttria-stabilized zirconia (YSZ) / nickel metal porous cermet, scandia-stabilized zirconia (ScSZ) / nickel metal porous cermet and the like are preferable. The anode may be formed of a mixed material in which two or more of the above materials are mixed.

燃料電池１４の固体酸化物電解質の材料としては、安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア等が挙げられる。安定化ジルコニアの具体例としては、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）等が挙げられる。部分安定化ジルコニアの具体例としては、イットリア部分安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア部分安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）等が挙げられる。また、固体酸化物電解質の材料としては、ペロブスカイト型酸化物（例えば、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ（３−δ））も挙げられる。 Examples of the material of the solid oxide electrolyte of the fuel cell 14 include stabilized zirconia and partially stabilized zirconia. Specific examples of stabilized zirconia include yttria-stabilized zirconia (YSZ) and scandia-stabilized zirconia (ScSZ). Specific examples of partially stabilized zirconia include yttria partially stabilized zirconia (YSZ) and scandia partially stabilized zirconia (ScSZ). Further, as a material of the solid oxide electrolyte, a perovskite type oxide (for example, La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O (3-δ) ) can also be mentioned.

燃料電池１４のカソードは、例えば、多孔質で、電子伝導率が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質と固体間反応を起こし難い材料で形成されていることが好ましい。カソードの材料としては、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、Ｓｎをドープした酸化インジウム、ＰｒＣｏＯ３系酸化物、ＬａＦｅＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３系酸化物、ＬａＭｎＯ３系酸化物等が挙げられる。ＬａＭｎＯ３系酸化物の具体例としては、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３（ＬＳＭ）、Ｌａ０．６Ｃａ０．４ＭｎＯ３（ＬＣＭ）等が挙げられる。ＬａＣｏＯ３系酸化物としては、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３等のＬＳＣＦが挙げられる。また、カソードの材料としては、Ａ１−ｘＢｘＣ１−ｙＤｙＯ３−ｚ［Ａ：ランタン（Ｌａ）、Ｂ：ストロンチウム（Ｓｒ）又はカルシウム（Ｃａ）、Ｃ：コバルト（Ｃｏ）、Ｄ：及び鉄（Ｆｅ）］で表されるペロブスカイト型酸化物も好ましく用いられる。カソードは、上記材料を２種以上混合した混合材料で形成されていてもよい。 The cathode of the fuel cell 14 is preferably formed of, for example, a material that is porous, has high electron conductivity, and is unlikely to cause a solid-solid reaction with a solid oxide electrolyte at a high temperature. Examples of the cathode material include scandia-stabilized zirconia (ScSZ), Sn-doped indium oxide, PrCoO 3- based oxide, LaFeO 3- based oxide, LaCoO 3- based oxide, and LaMnO 3- based oxide. Specific examples of the LaMnO 3- based oxide include La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 (LSM) and La 0.6 Ca 0.4 MnO 3 (LCM). The LaCoO 3 type oxides, LSCF etc. La 0.6 Sr 0.4 Fe 0.8 Co 0.2 O 3. As the material of the cathode, A 1-x B x C 1-y D y O 3-z [A: lanthanum (La), B: strontium (Sr) or calcium (Ca), C: cobalt (Co) , D: and iron (Fe)] are also preferably used. The cathode may be formed of a mixed material in which two or more of the above materials are mixed.

（被毒元素除去器）
本実施形態に係る燃料電池システム１は、熱交換器１６と燃料電池１４のカソードとの間に、熱交換器１６で加熱された酸素含有ガス中の被毒元素を吸着除去する、被毒元素除去手段である被毒元素除去器１８が配置されている。 (Toxic element remover)
The fuel cell system 1 according to the present embodiment is a poisoning element that adsorbs and removes a poisoning element in the oxygen-containing gas heated by the heat exchanger 16 between the heat exchanger 16 and the cathode of the fuel cell 14. A poisoning element remover 18 which is a removing means is arranged.

燃料電池１４のカソードに供給される酸素含有ガスは、燃料電池１４に供給される前に、熱交換器１６にて燃料電池１４の作動温度に適した温度（６００℃以上）に加熱される。加熱された酸素含有ガスが流通する機器、配管等では、燃料電池１４のカソードを被毒し得る被毒元素を含む材料が用いられているため、高温に加熱された酸素含有ガスと接触すると、被毒元素を含むガスが発生し、カソードに供給される酸素含有ガス中に混入する場合がある。 The oxygen-containing gas supplied to the cathode of the fuel cell 14 is heated to a temperature (600 ° C. or higher) suitable for the operating temperature of the fuel cell 14 by the heat exchanger 16 before being supplied to the fuel cell 14. Since a material containing a toxic element that can poison the cathode of the fuel cell 14 is used in equipment, pipes, etc. through which the heated oxygen-containing gas flows, when it comes into contact with the oxygen-containing gas heated to a high temperature, Gas containing toxic elements may be generated and mixed in the oxygen-containing gas supplied to the cathode.

被毒元素除去器１８は、ガス流通方向上流において、熱交換器１６により加熱された酸素含有ガスが流通する空気供給経路３４と接続されており、ガス流通方向下流において、燃料電池１４のカソードに供給される空気供給経路３６と接続されている。そのため、熱交換器１６で加熱された酸素含有ガスが空気供給経路３４を流通することで生成した、被毒元素を含む酸素含有ガスは、被毒元素除去器１８に送られ、被毒元素除去器１８にて被毒元素が除去された後に、空気供給経路３６を通じて燃料電池１４のカソードに供給される。
したがって、本実施形態に係る燃料電池システム１では、カソードへの被毒元素の混入が抑制され、電池性能及び耐久性の低下を抑制することができる。 The detoxifying element remover 18 is connected to an air supply path 34 through which oxygen-containing gas heated by the heat exchanger 16 flows upstream in the gas flow direction, and is connected to the cathode of the fuel cell 14 downstream in the gas flow direction. It is connected to the supplied air supply path 36. Therefore, the oxygen-containing gas containing the toxic element generated by the oxygen-containing gas heated by the heat exchanger 16 flowing through the air supply path 34 is sent to the toxic element remover 18 to remove the toxic element. After the toxic element is removed by the vessel 18, it is supplied to the cathode of the fuel cell 14 through the air supply path 36.
Therefore, in the fuel cell system 1 according to the present embodiment, the mixing of poisonous elements into the cathode can be suppressed, and the deterioration of battery performance and durability can be suppressed.

被毒元素除去器１８により被毒元素が除去された後であって、燃料電池１４のカソードに供給される前に、流通するガス中に被毒元素が混入する可能性を低減する観点から、被毒元素除去器１８よりもガス流通方向下流側の空気供給経路３６の長さは、ガス流通方向上流側の空気供給経路３４の長さよりも短いこと、即ち、被毒元素除去器１８は、熱交換器１６及び燃料電池１４のカソードの間において、燃料電池１４のカソードにより近い場所に配置されていることが好ましい。 From the viewpoint of reducing the possibility of the toxic element being mixed in the circulating gas after the toxic element is removed by the toxic element remover 18 and before being supplied to the cathode of the fuel cell 14. The length of the air supply path 36 on the downstream side in the gas flow direction from the detoxifying element remover 18 is shorter than the length of the air supply path 34 on the upstream side in the gas flow direction, that is, the detoxifying element remover 18 is It is preferable that the heat exchanger 16 and the cathode of the fuel cell 14 are arranged closer to the cathode of the fuel cell 14.

空気供給経路３６の材料は、コストを抑える観点から、カソードを被毒し得る被毒元素を含まない材料で形成されているか、カソードを被毒し得る被毒元素を含んでいても、６００℃以上の高温で揮発しない材料で形成されていることが好ましい。 From the viewpoint of reducing the cost, the material of the air supply path 36 is made of a material that does not contain a toxic element that can poison the cathode, or even if it contains a toxic element that can poison the cathode, the temperature is 600 ° C. It is preferably formed of a material that does not volatilize at the above high temperatures.

次に、本実施形態に係る燃料電池システムにおける被毒元素除去器１８について、図２を参照しながら説明する。 Next, the poisonous element remover 18 in the fuel cell system according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

図２に示す被毒元素除去器１８は、加熱された酸素含有ガス中の被毒元素を吸着する球状の吸着材５０と、複数の吸着材５０を収容する円筒形の容器６０と、吸着材５０の飛散を防止するフィルター７０と、を備えている。また、被毒元素除去器１８には、フィルター７０のガス流通方向上流側及びガス流通方向下流側に、容器６０とフィルター７０とにより形成された空間が設けられている。 The detoxifying element remover 18 shown in FIG. 2 includes a spherical adsorbent 50 that adsorbs a detoxifying element in a heated oxygen-containing gas, a cylindrical container 60 that accommodates a plurality of adsorbents 50, and an adsorbent. A filter 70 for preventing scattering of 50 is provided. Further, the poison element remover 18 is provided with a space formed by the container 60 and the filter 70 on the upstream side in the gas flow direction and the downstream side in the gas flow direction of the filter 70.

図２に示す被毒元素除去器１８では、空気供給経路３４を通じて供給された被毒元素を含む酸素含有ガスが、吸着材５０が充填された容器６０内を流れることで、酸素含有ガス中の被毒元素が吸着材５０に吸着され、除去される。
被毒元素除去器１８のガス流通方向上流側及びガス流通方向下流側には、フィルター７０が設けられているため、酸素含有ガスの流通による吸着材５０の飛散が防止される。
被毒元素除去器１８には、フィルター７０のガス流通方向上流側に、容器６０とフィルター７０とにより形成された空間が設けられているため、空気供給経路３４を通じて供給された被毒元素を含む酸素含有ガスは、その空間内に広がった後、容器内を流通する。また、被毒元素除去器１８には、フィルター７０のガス流通方向下流側にも、容器６０とフィルター７０とにより形成された空間が設けられているため、被毒元素を含む酸素含有ガスが吸着材５０全体に行き渡る。
したがって、被毒元素除去器１８は、吸着材５０による被毒元素の吸着効率が良い。
被毒元素が除去された酸素含有ガスは、空気供給経路３６を通じて、燃料電池１４のカソードに供給される。 In the toxic element remover 18 shown in FIG. 2, the oxygen-containing gas containing the toxic element supplied through the air supply path 34 flows in the container 60 filled with the adsorbent 50, so that the oxygen-containing gas is contained in the oxygen-containing gas. The toxic element is adsorbed on the adsorbent 50 and removed.
Since the filter 70 is provided on the upstream side in the gas flow direction and the downstream side in the gas flow direction of the detoxifying element remover 18, the scattering of the adsorbent 50 due to the flow of the oxygen-containing gas is prevented.
Since the detoxifying element remover 18 is provided with a space formed by the container 60 and the filter 70 on the upstream side of the filter 70 in the gas flow direction, the detoxifying element remover 18 contains the detoxifying element supplied through the air supply path 34. The oxygen-containing gas spreads in the space and then circulates in the container. Further, since the poisoning element remover 18 is provided with a space formed by the container 60 and the filter 70 on the downstream side in the gas flow direction of the filter 70, the oxygen-containing gas containing the poisoning element is adsorbed. Spread over the entire material 50.
Therefore, the poisoning element remover 18 has good adsorption efficiency of the poisoning element by the adsorbent 50.
The oxygen-containing gas from which the toxic element has been removed is supplied to the cathode of the fuel cell 14 through the air supply path 36.

吸着材５０は、被毒元素との反応性が高く、６００℃付近の高温で安定であり、かつ、吸着した被毒元素を放出しないことが好ましい。このような吸着材としては、例えば、Ａ１−ｘＢｘＣ１−ｙＤｙＯ３−ｚ［Ａ：ランタン（Ｌａ）、Ｂ：ストロンチウム（Ｓｒ）又はカルシウム（Ｃａ）、Ｃ：コバルト（Ｃｏ）、Ｄ：及び鉄（Ｆｅ）］で表されるペロブスカイト型酸化物が挙げられる。ペロブスカイト型酸化物は、その組成によって、特定の被毒元素を選択的に吸着し得る。例えば、ランタン、サマリウム（Ｓｍ）、ストロンチウム、コバルト、鉄等を構成元素として含むペロブスカイト型酸化物は、クロム、硫黄、及びホウ素を吸着し得る。
その他、クロム、硫黄、及びホウ素を吸着し得る吸着材としては、燃料電池１４のカソードの材料と同様の材料を用いた吸着材が挙げられる。
吸着材５０は、燃料電池１４のカソードの材料と同じであることが好ましい。吸着材５０をカソードの材料と同じにすると、カソードで反応してしまう被毒元素を先にトラップできるため、燃料電池１４を保護できると同時に、安価な材料での製造が可能となる。 It is preferable that the adsorbent 50 has high reactivity with the toxic element, is stable at a high temperature of around 600 ° C., and does not release the adsorbed toxic element. Examples of such an adsorbent include A 1-x B x C 1-y D y O 3-z [A: lanthanum (La), B: strontium (Sr) or calcium (Ca), C: cobalt ( Examples thereof include perovskite-type oxides represented by [Co), D: and iron (Fe)]. Perovskite-type oxides can selectively adsorb specific toxic elements depending on their composition. For example, a perovskite-type oxide containing lanthanum, samarium (Sm), strontium, cobalt, iron and the like as constituent elements can adsorb chromium, sulfur, and boron.
In addition, as an adsorbent capable of adsorbing chromium, sulfur, and boron, an adsorbent using the same material as the material of the cathode of the fuel cell 14 can be mentioned.
The adsorbent 50 is preferably the same as the material of the cathode of the fuel cell 14. If the adsorbent 50 is made of the same material as the cathode, the toxic element that reacts at the cathode can be trapped first, so that the fuel cell 14 can be protected and at the same time, it can be manufactured with an inexpensive material.

吸着材５０の形状は、特に限定されず、球状、柱状、繊維状、粉砕状等の飛散し難い形状が挙げられる。これらの中でも、吸着材５０の形状としては、被毒元素を含むガスとの接触面積が大きく、かつ、圧力損失を生じ難いという観点から、粉砕状が好ましい。例えば、吸着材５０としてペロブスカイト型酸化物を用いる場合には、加圧によるペレット成形性が良好であるため、ペレット状に加圧成形した後、粒子状に粉砕することで、飛散し難い粉砕状の吸着材を得ることができる。
吸着材５０は、ハニカム構造を有していてもよい。吸着材５０がハニカム構造を有していると、被毒元素を含むガスとの接触面積が大きくなるため、被毒元素の吸着効率が高まる。また、圧力損失を生じ難い。
吸着材５０の大きさは、特に限定されず、圧力損失、容器６０からの飛散等を考慮し、適宜設定するとよい。 The shape of the adsorbent 50 is not particularly limited, and examples thereof include spherical, columnar, fibrous, and crushed shapes that are difficult to scatter. Among these, the shape of the adsorbent 50 is preferably pulverized from the viewpoint that the contact area with the gas containing the toxic element is large and pressure loss is unlikely to occur. For example, when a perovskite-type oxide is used as the adsorbent 50, the pellet formability by pressure is good. Adsorbent can be obtained.
The adsorbent 50 may have a honeycomb structure. When the adsorbent 50 has a honeycomb structure, the contact area with the gas containing the poisoning element becomes large, so that the adsorption efficiency of the poisoning element increases. In addition, pressure loss is unlikely to occur.
The size of the adsorbent 50 is not particularly limited, and may be appropriately set in consideration of pressure loss, scattering from the container 60, and the like.

容器６０は、カソードを被毒し得る被毒元素を含まない材料で形成されているか、カソードを被毒し得る被毒元素を含んでいても、６００℃以上の高温で揮発しない材料で形成されていることが好ましい。このような材料としては、例えば、日新製鋼（株）のＮＣＡ−１（耐高温酸化用フェライト系ステンレス、クロム−アルミ合金）が挙げられる。 The container 60 is made of a material that does not contain a toxic element that can poison the cathode, or is made of a material that does not volatilize at a high temperature of 600 ° C. or higher even if it contains a toxic element that can poison the cathode. Is preferable. Examples of such a material include NCA-1 (ferritic stainless steel for high temperature oxidation resistance, chromium-aluminum alloy) manufactured by Nissin Steel Co., Ltd.

容器６０における吸着材５０の充填密度は、被毒元素の吸着効率、圧力損失等を考慮し、適宜設定することができる。 The packing density of the adsorbent 50 in the container 60 can be appropriately set in consideration of the adsorption efficiency of the poisoning element, the pressure loss, and the like.

フィルター７０は、吸着材５０が飛散することを防止している。フィルター７０は、被毒元素除去器１８のガス流通方向下流側（空気供給経路３６側）に配置されていてもよく、被毒元素除去器１８のガス流通方向上流側（空気供給経路３４側）に配置されていてもよく、被毒元素除去器１８のガス流通方向上流側（空気供給経路３４側）及びガス流通方向下流側の両方に配置されていてもよい。フィルター７０は、被毒元素除去器１８の少なくともガス流通方向下流側（空気供給経路３６側）に配置されていることが好ましく、被毒元素除去器１８のガス流通方向上流側（空気供給経路３４側）及びガス流通方向下流側の両方に配置されていることがより好ましい。 The filter 70 prevents the adsorbent 50 from scattering. The filter 70 may be arranged on the downstream side (air supply path 36 side) of the poisoning element remover 18 in the gas distribution direction, and may be arranged on the upstream side (air supply path 34 side) of the poisoning element remover 18 in the gas distribution direction. It may be arranged on both the upstream side in the gas flow direction (air supply path 34 side) and the downstream side in the gas flow direction of the poisoning element remover 18. The filter 70 is preferably arranged at least on the downstream side (air supply path 36 side) of the poisoning element remover 18 in the gas distribution direction, and is preferably arranged on the upstream side (air supply path 34) of the poisoning element remover 18 in the gas distribution direction. It is more preferable that the components are arranged on both the side) and the downstream side in the gas flow direction.

フィルター７０は、金網状に成形されたメッシュフィルターであることが好ましい。また、フィルター７０は、カソードを被毒し得る被毒元素を含まない材料で形成されているか、カソードを被毒し得る被毒元素を含んでいても、６００℃以上の高温で揮発しない材料で形成されていることが好ましい。 The filter 70 is preferably a mesh filter formed in a wire mesh shape. Further, the filter 70 is made of a material that does not contain a toxic element that can poison the cathode, or is a material that does not volatilize at a high temperature of 600 ° C. or higher even if it contains a toxic element that can poison the cathode. It is preferably formed.

フィルター７０のメッシュサイズは、吸着材５０を捕捉できればよく、特に限定されない。吸着材５０を的確に捕捉する観点からは、フィルター７０の孔径は、吸着材５０の最小外径よりも小さいことが好ましい。
フィルター７０の孔の面積Ａ及び孔の数Ｂと、ガス供給経路３４の断面積Ｃとは、Ａ×Ｂ＞Ｃの式を満たす関係にあることが好ましい。フィルター７０の孔の面積Ａ及び孔の数Ｂと、ガス供給経路３４の断面積Ｃとが、上記の式を満たす関係にあると、フィルター７０による圧力損失が生じ難い。また、一般に、燃料電池システムは、流通するガスをシステム全体に循環させるためのブロアを備えているが、フィルター７０の孔の面積Ａ及び孔の数Ｂと、ガス供給経路３４の断面積Ｃとが、上記の式を満たす関係にあると、フィルター７０に圧がかかり難くなるため、ブロア、ひいては燃料電池システム全体に負担が生じ難い。 The mesh size of the filter 70 is not particularly limited as long as it can capture the adsorbent 50. From the viewpoint of accurately capturing the adsorbent 50, the pore diameter of the filter 70 is preferably smaller than the minimum outer diameter of the adsorbent 50.
It is preferable that the hole area A and the number of holes B of the filter 70 and the cross-sectional area C of the gas supply path 34 satisfy the equation A × B> C. If the hole area A and the number of holes B of the filter 70 and the cross-sectional area C of the gas supply path 34 satisfy the above equation, pressure loss due to the filter 70 is unlikely to occur. Further, in general, the fuel cell system includes a blower for circulating the circulating gas throughout the system, but the area A of the holes of the filter 70 and the number of holes B and the cross-sectional area C of the gas supply path 34 However, if the above equation is satisfied, pressure is less likely to be applied to the filter 70, so that the blower and the entire fuel cell system are less likely to be burdened.

上記の実施形態では、燃料電池システムが燃料電池スタックを１つ備える場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、燃料電池システムが燃料電池スタックを複数備える場合にも適用することができる。複数の燃料電池スタックの空気供給経路が直列に接続されている場合には、例えば、複数ある燃料電池スタックの各々が、ガス流通方向上流側に被毒元素除去器を備えていてもよいし、複数ある燃料電池スタックのうち、ガス流通方向最上流に配置された燃料電池スタックのガス流通方向上流側にのみ被毒元素除去器を備えていてもよい。 In the above embodiment, the case where the fuel cell system includes one fuel cell stack has been described, but the present invention is not limited to this, and the present invention is also applied to the case where the fuel cell system includes a plurality of fuel cell stacks. be able to. When the air supply paths of the plurality of fuel cell stacks are connected in series, for example, each of the plurality of fuel cell stacks may be provided with a toxic element remover on the upstream side in the gas flow direction. Of the plurality of fuel cell stacks, the toxic element remover may be provided only on the upstream side in the gas flow direction of the fuel cell stack arranged at the uppermost stream in the gas flow direction.

１・・・燃料電池システム、１０・・・気化器、１２・・・改質器、１４・・・燃料電池、１６・・・熱交換器、１８・・・被毒元素除去器、２０・・・改質部、２２・・・燃焼部、３０・・・原料ガス供給経路、３２・・・改質ガス供給経路、３４、３６・・・空気供給経路、４０・・・カソードオフガス経路、４２・・・アノードオフガス経路、４４・・・排気経路、５０・・・吸着材、６０・・・容器、７０・・・フィルター 1 ... Fuel cell system, 10 ... Vaporizer, 12 ... Reformer, 14 ... Fuel cell, 16 ... Heat exchanger, 18 ... Toxic element remover, 20 ... .. Reformer, 22 ... Combustion, 30 ... Raw material gas supply path, 32 ... Reform gas supply path, 34, 36 ... Air supply path, 40 ... Cathode off gas path, 42 ... Anode off gas path, 44 ... Exhaust path, 50 ... Adsorbent, 60 ... Container, 70 ... Filter

Claims (6)

燃料極と、空気極と、前記燃料極及び前記空気極の間に配置された固体酸化物電解質と、を備える固体酸化物形燃料電池と、
原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質手段と、
前記固体酸化物形燃料電池の前記燃料極側から排出されるアノードオフガス、及び、前記固体酸化物形燃料電池の前記空気極側から排出されるカソードオフガスを燃焼させる燃焼手段と、
前記燃焼手段からの排気ガスと熱交換して、前記固体酸化物形燃料電池の前記空気極に供給される酸素を含むガスを加熱する加熱手段と、
前記固体酸化物形燃料電池及び前記加熱手段の間に配置され、前記加熱手段によって加熱された酸素を含むガス中の被毒元素を吸着除去する被毒元素除去手段と、
を備え、
前記改質手段は、前記燃焼手段によって発生する燃焼熱により前記原料ガスを水蒸気改質させ、
前記被毒元素除去手段は、前記被毒元素を吸着する吸着材と、前記吸着材を収容する容器と、前記容器のガス流通方向下流側に配置され、前記吸着材の飛散を防止するフィルターと、前記被毒元素除去手段と前記固体酸化物形燃料電池とを接続する空気供給経路と、を備え、
前記容器、前記フィルター、及び前記空気供給経路が、前記空気極を被毒し得る前記被毒元素を含まない材料、又は前記空気極を被毒し得る前記被毒元素を含み６００℃で揮発しない材料で形成された燃料電池システム。 A solid oxide fuel cell comprising a fuel electrode, an air electrode, and a solid oxide electrolyte disposed between the fuel electrode and the air electrode.
A reforming means that steam reforms the raw material gas to generate a reformed gas,
Combustion means for burning the anode off gas discharged from the fuel electrode side of the solid oxide fuel cell and the cathode off gas discharged from the air electrode side of the solid oxide fuel cell.
A heating means that heats the gas containing oxygen supplied to the air electrode of the solid oxide fuel cell by exchanging heat with the exhaust gas from the combustion means.
A toxic element removing means which is arranged between the solid oxide fuel cell and the heating means and adsorbs and removes the toxic element in a gas containing oxygen heated by the heating means.
With
The reforming means steam reforms the raw material gas with the heat of combustion generated by the combustion means.
The toxic element removing means includes an adsorbent that adsorbs the toxic element, a container that houses the adsorbent, and a filter that is arranged downstream of the container in the gas flow direction to prevent the adsorbent from scattering. The air supply path for connecting the toxic element removing means and the solid oxide fuel cell is provided.
The container, the filter, and the air supply path contain the toxic element that can poison the air electrode or the toxic element that can poison the air electrode and do not volatilize at 600 ° C. A fuel cell system made of materials. 前記被毒元素は、クロム、硫黄、及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素である請求項１に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein the poisoning element is at least one element selected from the group consisting of chromium, sulfur, and boron. 前記吸着材の形状は、球状、柱状、繊維状、及び粉砕状からなる群より選ばれる少なくとも１種の形状である請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2 , wherein the shape of the adsorbent is at least one shape selected from the group consisting of spherical, columnar, fibrous, and pulverized shapes. 前記被毒元素除去手段は、前記被毒元素を吸着する吸着材と、前記吸着材を収容する容器と、前記容器のガス流通方向上流側に配置され、前記吸着材の飛散を防止するフィルターと、を備え、前記フィルターのガス流通方向上流側に、前記容器と前記フィルターとにより形成された空間を有し、かつ、ガス流通方向上流において、前記加熱手段により加熱された酸素を含むガスが流通する空気供給経路と接続されており、前記フィルターの孔の面積Ａ及び孔の数Ｂと、前記空気供給経路の断面積Ｃとは、Ａ×Ｂ＞Ｃの式を満たす関係にある請求項３に記載の燃料電池システム。 The toxic element removing means includes an adsorbent that adsorbs the toxic element, a container that houses the adsorbent, and a filter that is arranged upstream of the container in the gas flow direction to prevent the adsorbent from scattering. , A space formed by the container and the filter on the upstream side of the filter in the gas flow direction, and a gas containing oxygen heated by the heating means flows upstream in the gas flow direction. 3. The air supply path is connected to the filter, and the area A of the holes and the number of holes B of the filter and the cross-sectional area C of the air supply path satisfy the equation A × B> C. The fuel cell system described in. 前記吸着材は、前記空気極の材料と同じである請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 The adsorbent fuel cell system according to any one of claims 1 to 4 wherein is the same as the material of the air electrode. 前記吸着材は、ペロブスカイト型酸化物である請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 The adsorbent fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, which is a perovskite oxide.
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