JP4008305B2 - Thermal self-supporting solid oxide fuel cell system - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱自立型固体酸化物形燃料電池システムに関し、より具体的には全負荷運転時に加え、部分負荷運転時においても熱自立させるようにしてなる熱自立型固体酸化物形燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cells）は８５０〜１０００℃程度という高温で運転されるが、最近ではそれより低温、例えば７５０℃程度というような温度で運転されるものも開発されつつある。従来、ＳＯＦＣを運転するに際しては、全負荷運転が基本であり、しかも常時運転することが想定されている。しかし、現実には、例えば昼間に全負荷運転をし、夜間には低負荷運転をすることが考えられる。
【０００３】
ＳＯＦＣにおいては、上記のように高温で運転され、全負荷運転時には熱余り状態である。しかし、低負荷運転時には、電池内部の発熱に比して外部への散熱が大きくり、この場合でも、熱自立、すなわちＳＯＦＣの運転時に、発電に関して発生する熱とは別に別途余分なエネルギーを無駄に消費することなく、運転温度が所定の温度に維持され、保温される状態とすることが必要である。
【０００４】
ここで、一般的には、ＳＯＦＣシステムにおいては、システムケールが大きい場合には内部発熱に対して外部への放熱量が小さくなるため、熱自立は容易となる。また、ＳＯＦＣスタックのエネルギー密度を増加させると、ＳＯＦＣ自体コンパクトにできるために熱自立しやすくなる。しかし一方で、発電効率が低下するため、一般的には、セル電位が例えば０．７Ｖ程度の条件で所定の出力となるように設計される。したがって、この条件を全負荷運転とし、全負荷運転時に熱自立することが要求される。
【０００５】
ところで、ＳＯＦＣスタックにおいては、その燃料利用率は高々８０〜８５％程度であるので、スタックで利用されない２０〜１５％の燃料は燃焼して利用される。このため、ＳＯＦＣシステムでは、通常、ＳＯＦＣスタックとオフガス燃焼部が断熱材を配した断熱容器に収容されている。すなわち、オフガス燃焼部では燃料極からのオフガスを空気極からのオフガスで燃焼させる。燃焼ガスは、ＳＯＦＣスタックに供給する燃料及び空気の加熱に利用した後、ＳＯＦＣシステム外へ排出される。この排出燃焼ガス（燃焼排ガス）は、例えばコジェネレーションシステムにおける水蒸気発生用や給湯用に利用されるが、水蒸気や給湯の需要量にも限度がある。
【０００６】
また、電力需要家の使用用途によっては、夜間には部分負荷運転という使用条件となることから、全負荷運転時はもちろん、部分負荷運転時にも熱自立することが望ましい。部分負荷運転時には通常熱不足となり、また断熱容器からの放熱は不可避であることから、部分負荷運転時に熱不足が生じた場合には熱不足を補い、ＳＯＦＣシステムを保温する必要がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ＳＯＦＣシステムにおける上記のような事情に鑑み、それらの問題点を解決するためになされたものであり、ＳＯＦＣシステムにおいて、全負荷運転時はもちろん、部分負荷運転時にも熱自立を図るようにしてなる熱自立型固体酸化物形燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、（１）熱自立型固体酸化物形燃料電池システムであって、断熱容器内に、固体酸化物形燃料電池スタック及びオフガス燃焼部を配置するとともに、蓄熱材層を配置することにより、全負荷運転時の燃料電池内発熱を利用して自己保温するようにしてなることを特徴とする熱自立型固体酸化物形燃料電池システムを提供する。
【０００９】
本発明は、（２）熱自立型固体酸化物形燃料電池システムであって、断熱容器内に、固体酸化物形燃料電池スタック及びオフガス燃焼部に加えて蓄熱材層を配置し、且つ、蓄熱材層に空気導入管及び空気導出管を配置するとともに、その流路に対してバイパス流路を設け、全負荷運転時には、余剰熱を蓄熱材層に蓄熱するとともに、空気をバイパス流路にバイパスさせてスタックに供給し、部分負荷運転時には、空気を蓄熱材に通して全負荷運転時に蓄熱した熱を回収してスタックに戻すようにしてなることを特徴とする熱自立型固体酸化物形燃料電池システムを提供する。
【００１０】
本発明は、（３）前記（２）の熱自立型固体酸化物形燃料電池システムにおいて、蓄熱材層の空気導出管からスタックに至る空気流路に電気ヒーターを配置し、部分負荷運転時に、空気を蓄熱材に通して全負荷運転時に蓄熱した熱を回収してスタックに戻すとともに、蓄熱材からの回収熱量だけでは熱量が不足する場合もしくは温度調節が困難である場合、電気ヒーターを付加的に利用して温度調節を行うようにしてなることを特徴とする熱自立型固体酸化物形燃料電池システムを提供する。
【００１１】
本発明は、（４）前記（２）の熱自立型固体酸化物形燃料電池システムにおいて、燃料極オフガスの一部を原燃料にリサイクルさせる流路を設け、燃料極オフガス中の水蒸気を内部改質に利用するとともに、燃料極オフガス中の未利用燃料を再利用するようにしてなることを特徴とする熱自立型固体酸化物形燃料電池システムを提供する。
【００１２】
本発明は、（５）断熱容器内に、固体酸化物形燃料電池スタック、オフガス燃焼部及び蓄熱材層を配置し、蓄熱材層に空気導入管及び導出管を配置するとともに、その流路に対してバイパス流路を設け、且つ、スタックからの燃料極オフガス導管を、順次、ＣＯ変成器及び水素吸蔵体容器に連結してなり、全負荷運転時には、余剰熱を蓄熱材層に蓄熱するとともに、空気をバイパス流路にバイパスさせてスタックに供給し、且つ、燃料極オフガスをＣＯ変成器を経て水素吸蔵体容器に通して水素を貯蔵し、部分負荷運転時には、空気を蓄熱材に通して全負荷運転時に蓄熱した熱を回収してスタックに戻すとともに、水素吸蔵体容器中の水素を燃料として発電するようにしてなることを特徴とする熱自立型固体酸化物形燃料電池システムを提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明は、断熱容器内に、ＳＯＦＣスタック及びオフガス燃焼部を配置してなるＳＯＦＣシステムにおいて、該断熱容器内に蓄熱材層を配置し、全負荷運転時に加え、部分負荷運転時においても電池内発熱の熱を利用して自己保温するようにしてなることを特徴とする。断熱容器に配置する断熱材としてはスラグウールやガラスウール、あるいは各種耐火物その他適宜の材料が用いられる。
【００１４】
ＳＯＦＣシステムにおける通常の全負荷運転では基本的に熱余りの状態である。そこで、本発明においては、ＳＯＦＣシステムにおいて、全負荷運転時の余剰熱を蓄熱材に吸収させて蓄熱しておき、部分負荷運転時に、蓄熱材の熱をＳＯＦＣスタックにフィードバックして利用する。
【００１５】
図１はＳＯＦＣシステムにおける全負荷運転時の熱バランスを説明する図である。図１のとおり、断熱材を配置した断熱容器内にＳＯＦＣスタックとオフガス燃焼部が収容されている。ここで、ＳＯＦＣスタックの出力が１０ｋＷのシステムの場合を例にすると、その仕様は表１のようになり、全負荷運転時の熱バランスは表２のとおりとなる。
【００１６】
熱回収後の排ガス温度は約２３０℃であり、熱バランスはＱ１＋Ｑ５＝Ｑ３＋Ｑ６＝２０ｋＷとなる。しかし、これはＱ１＋Ｑ５≦Ｑ３＋Ｑ６において、その≦のうち＝の場合であり、ＳＯＦＣスタックの全負荷運転時には、通常、熱余りの状態、すなわちＱ１＋Ｑ５＜Ｑ３＋Ｑ６となる。
【００１７】
【表１】
【表２】
一方、同じくＳＯＦＣスタックの出力が１０ｋＷのシステムを２０％の部分負荷で運転する場合、すなわち２ｋＷの発電時の熱収支は表３のとおりとなる。ここでの熱バランスはＱ１＋Ｑ５＝４．９ｋＷ＞Ｑ３＋Ｑ６＝４．４ｋＷとなる。すなわち放散熱の方が発熱量よりも大きくなり、熱バランスが崩れる。
【００２０】
【表３】
そこで、本発明においては、ＳＯＦＣシステムの全負荷運転時における余剰熱をシステム内に配置した蓄熱材層に蓄熱しておき、そして、その部分負荷運転時に当該全負荷運転時に蓄熱した熱をスタックにフィードバックするものである。システムの保温に必要な熱量の不足分は５００Ｗである。例えば昼間に１６時間全負荷運転をし、夜間に８時間程度部分負荷運転をする場合、８時間の保温で必要とされる熱量は５００×３６００×８＝１．１５×１０7Ｊとなる。
【００２２】
蓄熱材の比熱が１Ｊ／Ｋ／ｇである場合、蓄熱状態を９００℃とし、最終放熱温度を２００℃とすると、１７ｋｇの蓄熱材による蓄熱量は（９００−２００）×１７×１０3＝１．１９×１０7Ｊとなり、これにより部分負荷運転時の保温のために必要な熱量を確保することができる。蓄熱材としては、耐熱性で熱容量が大きい材料であれば特に限定はなく、その例としては、例えばセラミックス、れんが、石、コンクリート、塩化カルシウム６水塩などが挙げられる。
【００２３】
また、前述のとおり、ＳＯＦＣスタックにおいては、その燃料利用率は高々８０〜８５％程度であり、スタックで利用されない残余の燃料（２０〜１５％）は燃料極オフガスとして排出される。そこで、本発明（５）においては、蓄熱材を利用して、全負荷運転時だけでなく、部分負荷運転時においても電池内発熱（＝ＳＯＦＣシステム内発熱）の熱を利用して自己保温するのに加え、全負荷運転時に燃料極オフガス中の水素を水素吸蔵体に貯蔵しておき、この水素を部分負荷運転時の燃料として発電する。
【００２４】
水素吸蔵体としては、水素含有ガスから水素を選択的に吸蔵し、水素以外のガスは吸蔵しないか、実質上吸蔵しない材料であれば特に限定はないが、その例としては、例えば水素吸蔵合金（Hydrogen Storage Alloy）やカーボンナノチューブなどが挙げられる。これによって燃料極オフガス中の水素を選択的に貯蔵し、貯蔵された水素は加熱することにより放出される。水素吸蔵合金の例としては、例えばＴｉＦｅ0.9Ｍｎ0.1、Ｍｇ2Ｎｉ、ＣａＮｉＳ、ＬａＮｉ5、ＬａＮｉ4.7Ａｌ0.3、ＭｍＮｉ4.5Ａｌ0.5(Ｍｍ＝ミッシュメタル)、ＭｍＮｉ4.15Ｆｅ0.85（Ｍｍ＝ミッシュメタル）等を挙げることができる。
【００２５】
この態様では、断熱容器内に、ＳＯＦＣスタック、オフガス燃焼部及び蓄熱材層を配置し、蓄熱材層に空気導入管及び導出管を配置するとともに、該蓄熱材層を介する流路に対するバイパス流路を断熱容器外に設け、且つ、スタックからの燃料極オフガス導管を、順次、ＣＯ変成器及び水素吸蔵体容器に連結する。
【００２６】
そして、全負荷運転時に、余剰熱を蓄熱材層に蓄熱するとともに、空気をバイパス流路にバイパスさせてスタックに供給し、且つ、燃料極オフガスをＣＯ変成器を経て水素吸蔵体容器に通し、燃料極オフガス中の水素を貯蔵する。一方、部分負荷運転時には、空気を蓄熱材に通して全負荷運転時に蓄熱していた熱を回収してスタックに戻すとともに、水素吸蔵体容器中の水素を放出し、これを燃料として発電する。
【００２７】
【実施例】
以下、実施例を基に本発明をさらに詳しく説明するが、本発明がこれら実施例に限定されないことはもちろんである。
【００２８】
〈実施例１〉
図２は本実施例１を示す図である。断熱材を配した断熱容器内に、下部から上部へ順次ＳＯＦＣスタック、オフガス燃焼部及び蓄熱材層を配置する。そして、蓄熱材層に空気導入管及び空気導出管を配置するとともに、その空気流路に対してバイパス流路を設ける。バイパス流路は断熱容器外に配置する。また、オフガス燃焼部からの燃焼排ガスを熱源としてスタックへ導入する空気及び燃料を加熱する熱交換器を設ける。
【００２９】
オフガス燃焼部は、ＳＯＦＣスタックに連設するか、あるいはその近傍に配置する。オフガス燃焼部では燃料極オフガスを空気極オフガスで燃焼させ、その熱を蓄熱材層の蓄熱材に蓄熱する。燃焼ガスは、▲１▼蓄熱材層に直接通してもよく、▲２▼蓄熱材層に配置した管内に通してもよい。▲２▼の場合には間接熱交換になるが、間接熱交換の仕方として、管内を通すのに代えて、▲３▼オフガス燃焼部を囲むように蓄熱材層を配置して、燃焼熱をその壁面を通して蓄熱するようにしてよい。また、蓄熱材層は、ＳＯＦＣスタックとともに断熱容器に収容されているので、蓄熱材にはＳＯＦＣスタックでの発生熱も蓄熱される。
【００３０】
全負荷発電時には、上記余剰熱を蓄熱材に蓄熱し、且つ、空気をバイパス流路を経てスタックの空気極に供給する。空気は、蓄熱材層を通らず、断熱容器外に配置されたバイパス流路を通ってバイパスするので冷却効果が高められる。空気は、熱交換器で、オフガス燃焼部からの燃焼排ガスとの熱交換によってのみ予熱され、スタックの空気極に導入される。一方、部分負荷運転時には、空気を空気導入管を介して蓄熱材に供給する。空気は、蓄熱材との直接熱交換により全負荷発電時に蓄熱した熱を回収し、空気導出管を経て、さらに熱交換器で加熱され、スタックの空気極に導入される。
【００３１】
このように、断熱容器内に、ＳＯＦＣスタック及びオフガス燃焼部に加え、蓄熱材層を配置しておくことにより、全負荷運転時に余剰熱を蓄熱材に蓄熱する。そして、この熱を部分負荷運転時にシステム保温用の熱としてフィードバックする。この熱により部分負荷運転時の内部発熱不足を補うことにより、例えばその保温用に、別途、燃料を無駄に消費することなく、システムを保温することができる。
【００３２】
〈実施例２〉
図３は本実施例２を示す図である。ＳＯＦＣスタックの空気極への空気流路に電気ヒーターを設ける。他の構成は実施例１（図２）の場合と同様である。これにより、部分負荷運転時に、蓄熱材層から回収する熱量だけでは熱量が不足する場合、もしくは蓄熱材層から回収する熱量だけではシステムの温度調節が困難である場合に、付加的に電気ヒーターを利用して温度調節を行う。電気ヒーターの電源としては深夜電力等の安価な電気を利用することができる。
【００３３】
〈実施例３〉
図４〜５は本実施例３を示す図で、図４は全負荷運転時、図５は部分負荷運転時を示している。図４〜５のとおり、ＳＯＦＣスタックの燃料極からのオフガスの一部をリサイクルさせて再利用するようにする。他の構成は実施例１（図２）の場合と同様である。ＳＯＦＣスタックにおいては、例えば都市ガスを原燃料とする場合、その主成分はメタンである。メタンは通常水蒸気を添加して予備改質するか、ＳＯＦＣスタックの燃料極において水蒸気で内部改質して水素と一酸化炭素に変え、これを燃料として発電する。
【００３４】
このため、原燃料には水の添加が不可欠であるが、本実施例においては、燃料極オフガスの一部をリサイクルさせて原燃料に添加し、該オフガス中の水蒸気を内部改質に利用し、併せて該オフガス中の未利用の燃料を再利用する。図５は、全負荷運転時にバイパスさせていた空気の流れを、部分負荷運転時に徐々に蓄熱材層の方に切り替えて、蓄熱材層から全負荷運転時に蓄熱した熱を回収している状態を示している。なお、図４〜５において、実線で示す配管は流体が矢印（→）の方向に流れていることを示し、点線で示す配管は流体が流れていないことを示し、この点図６〜７においても同様である。
【００３５】
〈実施例４〉
図６〜７は蓄熱材に加えて水素吸蔵体を用いた例を示す図で、図６は全負荷運転時、図７は部分負荷運転時を示している。断熱容器内にＳＯＦＣスタック、オフガス燃焼部及び蓄熱材層を配置したシステムに、ＣＯ変成器及び水素吸蔵体容器を併置し、ＳＯＦＣスタックからの燃料極オフガスを、順次、ＣＯ変成器及び水素吸蔵体容器に通すように構成されている。空気極オフガスは、全負荷運転時に、熱交換器１に通して導入燃料及び空気の加熱源として利用する。他の構成は実施例３（図４〜５）の場合と同様である。
【００３６】
図６のとおり、全負荷運転時には、余剰熱を蓄熱材に蓄熱し、且つ、空気をバイパス流路、熱交換器１を経てスタックの空気極に供給する。そして、オフガス燃焼部は作動させず、燃料極オフガスを熱交換器１、ＣＯ変成器、熱交換器２を経て水素吸蔵体容器に導入して水素を貯蔵する。熱交換器１及び熱交換器２の熱源としては燃料極オフガスを利用する。また、空気極オフガスは、オフガス燃焼部に通して蓄熱した後、熱交換器１に通して導入燃料及び空気の加熱源として利用する。空気極オフガスは、蓄熱材層に直接通して直接熱交換により蓄熱してもよく、蓄熱材層に配置した管内に通して間接熱交換により蓄熱してよい。
【００３７】
一方、図７のとおり、部分負荷発電時には、オフガス燃焼部を作動させ、また空気を空気導入管を介して蓄熱材に供給する。ここで蓄熱材との直接熱交換により熱を回収し、空気導出管、熱交換器１を経てスタックの空気極に導入する。加えて、水素吸蔵体容器中の水素を放出し、この水素をＳＯＦＣスタックでの燃料として利用して発電する。水素の放出には、オフガス燃焼部から熱交換器１を経た燃焼排ガスの熱を利用することができる。この場合、燃焼排ガスは水素吸蔵体を間接的に加熱した後、排出される。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、ＳＯＦＣシステムにおいて、全負荷運転時に加え、部分負荷運転時にも熱自立を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＳＯＦＣシステムにおける全負荷運転時の熱バランスを説明する図
【図２】実施例１を示す図
【図３】実施例２を示す図
【図４】実施例３を示す図
【図５】実施例３を示す図
【図６】実施例４を示す図
【図７】実施例４を示す図[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat self-supporting solid oxide fuel cell system, and more specifically, a heat self-supporting solid oxide fuel cell system configured to be heat self-supporting during full load operation and also during partial load operation. About.
[0002]
[Prior art]
Solid oxide fuel cells (SOFCs) are operated at a high temperature of about 850 to 1000 ° C, but recently, those operating at a lower temperature, for example, about 750 ° C, have been developed. It's getting on. Conventionally, when operating the SOFC, full load operation is fundamental, and it is assumed that it is always operated. However, in reality, for example, full load operation during the daytime and low load operation at nighttime can be considered.
[0003]
The SOFC is operated at a high temperature as described above, and is in a state of excess heat during full load operation. However, during low-load operation, the heat dissipated to the outside is greater than the heat generated inside the battery. Even in this case, extra energy is wasted separately from the heat generated during power generation during SOFC operation. It is necessary to maintain the operating temperature at a predetermined temperature without being consumed.
[0004]
Here, in general, in the SOFC system, when the system kale is large, the heat radiation to the outside is reduced with respect to the internal heat generation, so that the heat self-sustainment becomes easy. In addition, when the energy density of the SOFC stack is increased, the SOFC itself can be made compact, so that it becomes easier for the heat to stand up. However, on the other hand, since the power generation efficiency is lowered, generally, the cell potential is designed to be a predetermined output under a condition of about 0.7V, for example. Therefore, it is required that this condition be a full load operation and that the heat be self-sustaining during full load operation.
[0005]
By the way, in the SOFC stack, the fuel utilization rate is at most about 80 to 85%, so 20 to 15% of the fuel not used in the stack is burned and used. For this reason, in the SOFC system, the SOFC stack and the off-gas combustion part are usually accommodated in a heat insulating container provided with a heat insulating material. That is, the off-gas combustion unit burns off-gas from the fuel electrode with off-gas from the air electrode. The combustion gas is used to heat the fuel and air supplied to the SOFC stack, and is then discharged out of the SOFC system. This exhaust combustion gas (combustion exhaust gas) is used, for example, for steam generation or hot water supply in a cogeneration system, but there is a limit to the demand for water vapor or hot water supply.
[0006]
In addition, depending on the usage application of the electric power consumer, it becomes a use condition of partial load operation at night, so it is desirable to be independent of heat not only during full load operation but also during partial load operation. Since heat is usually insufficient during partial load operation and heat radiation from the heat insulating container is unavoidable, if heat shortage occurs during partial load operation, it is necessary to compensate for the lack of heat and keep the SOFC system warm.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in order to solve these problems in view of the above-described circumstances in the SOFC system. In the SOFC system, the heat independence is intended not only during full load operation but also during partial load operation. An object of the present invention is to provide a thermal self-supporting solid oxide fuel cell system.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is (1) a thermal self-supporting solid oxide fuel cell system, in which a solid oxide fuel cell stack and an off-gas combustion part are disposed in a heat insulating container, and a heat storage material layer is disposed. The present invention provides a thermal self-supporting solid oxide fuel cell system characterized by self-heating by utilizing heat generated in the fuel cell during full load operation.
[0009]
The present invention is (2) a thermal self-supporting solid oxide fuel cell system, wherein a heat storage material layer is disposed in a heat insulating container in addition to the solid oxide fuel cell stack and the off-gas combustion section, and the heat storage An air inlet pipe and an air outlet pipe are arranged in the material layer, and a bypass flow path is provided for the flow path. During full load operation, excess heat is stored in the heat storage material layer and air is bypassed to the bypass flow path. The heat self-supporting solid oxide fuel is characterized in that, during partial load operation, air is passed through a heat storage material to collect the heat stored during full load operation and return it to the stack. A battery system is provided.
[0010]
According to the present invention, (3) in the thermal self-supporting solid oxide fuel cell system of (2), an electric heater is disposed in an air flow path from the air outlet pipe of the heat storage material layer to the stack, and during partial load operation, Pass the air through the heat storage material and collect the heat stored during full load operation and return it to the stack.Additionally, if the amount of heat recovered from the heat storage material is insufficient or the temperature is difficult to control, an electric heater is added. The present invention provides a thermal self-supporting solid oxide fuel cell system characterized in that the temperature is adjusted using the above.
[0011]
According to the present invention, (4) in the thermal self-supporting solid oxide fuel cell system of (2), a flow path for recycling a part of the anode off-gas to raw fuel is provided, and the water vapor in the anode off-gas is internally modified. Provided is a thermal self-supporting solid oxide fuel cell system characterized by being used for quality and reusing unused fuel in the fuel electrode off-gas.
[0012]
In the present invention, (5) a solid oxide fuel cell stack, an off-gas combustion part, and a heat storage material layer are arranged in a heat insulation container, an air introduction pipe and a lead-out pipe are arranged in the heat storage material layer, and On the other hand, a bypass flow path is provided, and the fuel electrode off-gas conduit from the stack is sequentially connected to the CO transformer and the hydrogen storage container, and at the time of full load operation, excess heat is stored in the heat storage material layer. The air is bypassed to the bypass flow path and supplied to the stack, and the fuel electrode off gas is passed through the CO transformer and passed through the hydrogen storage container to store hydrogen. During partial load operation, the air is passed through the heat storage material. Providing a thermal self-supporting solid oxide fuel cell system that collects the heat stored during full-load operation and returns it to the stack, and generates electricity using the hydrogen in the hydrogen storage container as fuel. That.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention relates to an SOFC system in which an SOFC stack and an off-gas combustion unit are arranged in a heat insulation container, and a heat storage material layer is arranged in the heat insulation container so that the inside of the battery can be used during full load operation as well as during partial load operation. It is characterized by self-heating using the heat of heat generation. As the heat insulating material disposed in the heat insulating container, slag wool, glass wool, various refractories or other appropriate materials are used.
[0014]
The normal full load operation in the SOFC system is basically a state of excess heat. Therefore, in the present invention, in the SOFC system, surplus heat during full load operation is absorbed by the heat storage material and stored, and the heat of the heat storage material is fed back to the SOFC stack during partial load operation.
[0015]
FIG. 1 is a diagram for explaining the heat balance during full load operation in the SOFC system. As shown in FIG. 1, the SOFC stack and the off-gas combustion part are accommodated in a heat insulating container in which a heat insulating material is arranged. Here, taking the case of a system with an output of the SOFC stack of 10 kW as an example, the specifications are as shown in Table 1, and the heat balance during full load operation is as shown in Table 2.
[0016]
The exhaust gas temperature after heat recovery is about 230 ° C., and the heat balance is Q1 + Q5 = Q3 + Q6 = 20 kW. However, this is the case of Q1 + Q5 ≦ Q3 + Q6, where ≦ ==, and when the SOFC stack is fully loaded, it usually has a heat surplus state, that is, Q1 + Q5 <Q3 + Q6.
[0017]
[Table 1]
[Table 2]
On the other hand, when a system with a 10 kW SOFC stack output is operated at a partial load of 20%, that is, the heat balance during power generation of 2 kW is as shown in Table 3. The heat balance here is Q1 + Q5 = 4.9 kW> Q3 + Q6 = 4.4 kW. That is, the dissipated heat is larger than the calorific value, and the heat balance is lost.
[0020]
[Table 3]
Therefore, in the present invention, the excess heat during full load operation of the SOFC system is stored in the heat storage material layer arranged in the system, and the heat stored during the full load operation during the partial load operation is stored in the stack. Provide feedback. The shortage of heat required to keep the system warm is 500W. For example, when full load operation is performed for 16 hours in the daytime and partial load operation is performed for about 8 hours at night, the amount of heat required for heat retention for 8 hours is 500 × 3600 × 8 = 1.15 × 10 7 J.
[0022]
When the specific heat of the heat storage material is 1 J / K / g, when the heat storage state is 900 ° C. and the final heat release temperature is 200 ° C., the heat storage amount by 17 kg of the heat storage material is (900−200) × 17 × 10 3 = 1. 19 × 10 7 J, which makes it possible to secure the amount of heat necessary for heat retention during partial load operation. The heat storage material is not particularly limited as long as it is heat resistant and has a large heat capacity, and examples thereof include ceramics, brick, stone, concrete, calcium chloride hexahydrate, and the like.
[0023]
Further, as described above, in the SOFC stack, the fuel utilization rate is at most about 80 to 85%, and the remaining fuel (20 to 15%) not used in the stack is discharged as the fuel electrode off-gas. Therefore, in the present invention (5), the heat storage material is used to self-heat by using the heat generated in the battery (= heat generation in the SOFC system) not only during full load operation but also during partial load operation. In addition, hydrogen in the fuel electrode off-gas is stored in a hydrogen storage body during full load operation, and this hydrogen is used as fuel during partial load operation.
[0024]
The hydrogen occlusion body is not particularly limited as long as it is a material that selectively occludes hydrogen from a hydrogen-containing gas and does not occlude gas other than hydrogen or does not substantially occlude, but examples thereof include, for example, a hydrogen occlusion alloy. (Hydrogen Storage Alloy) and carbon nanotubes. This selectively stores hydrogen in the anode offgas, and the stored hydrogen is released by heating. Examples of the hydrogen storage alloy include, for example, TiFe 0.9 Mn 0.1 , Mg 2 Ni, CaNiS, LaNi 5 , LaNi 4.7 Al 0.3 , MmNi 4.5 Al 0.5 (Mm = Mish metal), MmNi 4.15 Fe 0.85 (Mm = Mish metal), etc. Can be mentioned.
[0025]
In this aspect, the SOFC stack, the off-gas combustion section, and the heat storage material layer are arranged in the heat insulation container, the air introduction pipe and the outlet pipe are arranged in the heat storage material layer, and the bypass flow path for the flow path through the heat storage material layer Is provided outside the heat insulating container, and the anode offgas conduit from the stack is sequentially connected to the CO transformer and the hydrogen storage container.
[0026]
And, at the time of full load operation, the excess heat is stored in the heat storage material layer, air is bypassed to the bypass flow path and supplied to the stack, and the fuel electrode off-gas is passed through the CO transformer to the hydrogen storage container, Stores hydrogen in the anode off-gas. On the other hand, at the time of partial load operation, air is passed through the heat storage material to collect the heat stored during the full load operation and return it to the stack. At the same time, the hydrogen in the hydrogen storage container is released, and this is used as fuel.
[0027]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in more detail based on an Example, of course, this invention is not limited to these Examples.
[0028]
<Example 1>
FIG. 2 is a diagram illustrating the first embodiment. The SOFC stack, the off-gas combustion part, and the heat storage material layer are sequentially arranged from the lower part to the upper part in the heat insulating container provided with the heat insulating material. And while arrange | positioning an air introduction pipe | tube and an air derivation | leading-out pipe | tube in a thermal storage material layer, a bypass flow path is provided with respect to the air flow path. The bypass channel is disposed outside the heat insulating container. In addition, a heat exchanger for heating air and fuel introduced into the stack using combustion exhaust gas from the off-gas combustion section as a heat source is provided.
[0029]
The off-gas combustion unit is connected to the SOFC stack or arranged in the vicinity thereof. In the off gas combustion section, the fuel electrode off gas is burned with the air electrode off gas, and the heat is stored in the heat storage material of the heat storage material layer. The combustion gas may be directly passed through (1) the heat storage material layer or (2) may be passed through a pipe disposed in the heat storage material layer. In the case of (2), indirect heat exchange is performed, but instead of passing through the pipe, (3) a heat storage material layer is arranged so as to surround the off-gas combustion section, and the heat of combustion is exchanged. Heat may be stored through the wall surface. Further, since the heat storage material layer is housed in the heat insulating container together with the SOFC stack, the heat storage material also stores heat generated in the SOFC stack.
[0030]
During full load power generation, the excess heat is stored in the heat storage material, and air is supplied to the air electrode of the stack through the bypass flow path. Since air bypasses the heat storage material layer and bypasses the bypass passage disposed outside the heat insulating container, the cooling effect is enhanced. The air is preheated only by heat exchange with the flue gas from the off-gas combustion section in the heat exchanger, and is introduced into the air electrode of the stack. On the other hand, at the time of partial load operation, air is supplied to the heat storage material through the air introduction pipe. The air collects heat stored during full load power generation by direct heat exchange with the heat storage material, passes through the air outlet pipe, is further heated by the heat exchanger, and is introduced into the air electrode of the stack.
[0031]
As described above, by arranging the heat storage material layer in addition to the SOFC stack and the off-gas combustion section in the heat insulating container, the excess heat is stored in the heat storage material during full load operation. This heat is fed back as heat for system heat retention during partial load operation. By making up for the lack of internal heat generation during partial load operation with this heat, the system can be kept warm, for example, without wasteful consumption of fuel for keeping warm.
[0032]
<Example 2>
FIG. 3 shows the second embodiment. An electric heater is provided in the air flow path to the air electrode of the SOFC stack. Other configurations are the same as those of the first embodiment (FIG. 2). As a result, during partial load operation, if the amount of heat recovered from the heat storage material layer alone is insufficient, or if it is difficult to adjust the system temperature using only the amount of heat recovered from the heat storage material layer, an electric heater is additionally provided. Use to adjust temperature. Inexpensive electricity such as midnight power can be used as a power source for the electric heater.
[0033]
<Example 3>
4 to 5 are diagrams showing the third embodiment. FIG. 4 shows a full load operation and FIG. 5 shows a partial load operation. As shown in FIGS. 4 to 5, a part of the off-gas from the fuel electrode of the SOFC stack is recycled and reused. Other configurations are the same as those of the first embodiment (FIG. 2). In the SOFC stack, for example, when city gas is used as a raw fuel, the main component is methane. Methane is usually pre-reformed by adding water vapor, or internally reformed with water vapor at the fuel electrode of the SOFC stack to convert it into hydrogen and carbon monoxide, and this is used as fuel for power generation.
[0034]
For this reason, it is indispensable to add water to the raw fuel. However, in this embodiment, a part of the fuel electrode off-gas is recycled and added to the raw fuel, and the steam in the off-gas is used for internal reforming. In addition, the unused fuel in the off-gas is reused. FIG. 5 shows a state in which the air flow bypassed during full load operation is gradually switched to the heat storage material layer during partial load operation, and the heat stored during full load operation is recovered from the heat storage material layer. Show. 4-5, the piping shown by the solid line indicates that the fluid is flowing in the direction of the arrow (→), and the piping indicated by the dotted line indicates that no fluid is flowing. In FIGS. Is the same.
[0035]
<Example 4>
6-7 is a figure which shows the example which used the hydrogen storage body in addition to the thermal storage material, FIG. 6 shows the time of full load operation, and FIG. 7 shows the time of partial load operation. A CO converter and a hydrogen storage container are placed in a system in which the SOFC stack, off-gas combustion section, and heat storage material layer are arranged in an insulated container, and the fuel electrode off-gas from the SOFC stack is sequentially supplied to the CO converter and the hydrogen storage body. It is configured to pass through the container. The air electrode off-gas is used as a heating source for the introduced fuel and air through the heat exchanger 1 during full load operation. Other configurations are the same as those of the third embodiment (FIGS. 4 to 5).
[0036]
As shown in FIG. 6, during full load operation, surplus heat is stored in the heat storage material, and air is supplied to the air electrode of the stack via the bypass channel and the heat exchanger 1. Then, the off-gas combustion unit is not operated, and the fuel electrode off-gas is introduced into the hydrogen storage container through the heat exchanger 1, the CO converter, and the heat exchanger 2 to store hydrogen. As a heat source for the heat exchanger 1 and the heat exchanger 2, a fuel electrode off-gas is used. The air electrode off-gas is stored in the off-gas combustion section and then passed through the heat exchanger 1 to be used as a heating source for the introduced fuel and air. The air electrode off gas may be stored directly by heat exchange through the heat storage material layer, or may be stored by indirect heat exchange through a pipe disposed in the heat storage material layer.
[0037]
On the other hand, as shown in FIG. 7, at the time of partial load power generation, the off-gas combustion unit is operated and air is supplied to the heat storage material through the air introduction pipe. Here, heat is recovered by direct heat exchange with the heat storage material, and introduced into the air electrode of the stack through the air outlet tube and the heat exchanger 1. In addition, hydrogen in the hydrogen storage container is released, and electricity is generated using this hydrogen as fuel in the SOFC stack. For the release of hydrogen, the heat of the combustion exhaust gas that has passed through the heat exchanger 1 from the off-gas combustion section can be used. In this case, the combustion exhaust gas is discharged after indirectly heating the hydrogen storage body.
[0038]
【The invention's effect】
According to the present invention, in the SOFC system, heat independence can be achieved during partial load operation as well as during full load operation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining heat balance during full load operation in an SOFC system. FIG. 2 is a diagram showing Example 1. FIG. 3 is a diagram showing Example 2. FIG. 4 is a diagram showing Example 3. 5 is a diagram showing Example 3. FIG. 6 is a diagram showing Example 4. FIG. 7 is a diagram showing Example 4.
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