JP2008166233A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】コンパクト化を図ったうえで、効率の向上を実現することができ、負荷変動時や起動停止時などに対する制御性に優れた燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料ガスFを改質する触媒を担持した改質流路41を有する改質器40と、単セル6を保持し且つ改質器40で改質した燃料ガスFの導入孔21及び排出孔22を有するセル板2と、燃料ガスFの導入孔31及び排出孔32を有し且つ外縁部をセル板2の外縁部に接合させたセパレータ板3を具備した固体電解質型燃料電池ユニット1を複数積層して成るスタック構造体11と、ガス導入部12a及びガス排出部12bを具備し且つ空気Aiを導入して固体電解質型燃料電池ユニット1間を通して排気するケース12を備え、固体電解質型燃料電池ユニット1間を通過する空気Aiの排気流中に改質器40を位置させて、改質流路41を通過する燃料ガスFとの間で熱交換を行わせる。
【選択図】図1
An object of the present invention is to provide a fuel cell that can improve efficiency after being made compact and has excellent controllability when a load fluctuates or starts and stops.
SOLUTION: A reformer 40 having a reforming channel 41 carrying a catalyst for reforming a fuel gas F, and an introduction hole 21 of a fuel gas F that holds a single cell 6 and is reformed by the reformer 40. And a cell plate 2 having a discharge hole 22 and a separator plate 3 having a fuel gas F introduction hole 31 and a discharge hole 32 and having an outer edge joined to the outer edge of the cell plate 2. A stack structure 11 formed by stacking a plurality of units 1, a gas introduction unit 12 a and a gas discharge unit 12 b, and a case 12 that introduces air Ai and exhausts between the solid oxide fuel cell units 1. The reformer 40 is positioned in the exhaust flow of the air Ai passing between the electrolyte fuel cell units 1, and heat exchange is performed with the fuel gas F passing through the reforming flow path 41.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、燃料ガスを改質する改質器と、複数の固体電解質型燃料電池ユニットを積層して形成したスタック構造体を具備した燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell including a reformer that reforms fuel gas and a stack structure formed by stacking a plurality of solid oxide fuel cell units.
従来、上記したような燃料電池としては、例えば、円形のセパレータとセル板とを交互に積層して成る円筒状を成すスタック構造体と、このスタック構造体の外周縁部に沿ってらせん状に配置した改質触媒管を備えたものがあり、この燃料電池において、燃料ガスは、改質触媒管からセパレータの中心部を経由してセル板の燃料極側へ供給されて発電に用いられ、発電に使用されなかった残余の燃料ガス及び空気は、セル板の外周縁部から放出されて混合燃焼するようになっている。 Conventionally, as the fuel cell as described above, for example, a cylindrical stack structure in which circular separators and cell plates are alternately stacked, and a spiral shape along the outer peripheral edge of the stack structure. In some fuel cells, the fuel gas is supplied from the reforming catalyst tube to the fuel electrode side of the cell plate through the central portion of the separator and used for power generation. The remaining fuel gas and air that have not been used for power generation are discharged from the outer peripheral edge of the cell plate and mixed and burned.
つまり、この燃料電池では、セル板の外周縁部近傍を燃焼場として、この燃焼場に改質触媒管を設置することで、改質触媒管に対して改質に必要な熱量を供与するようになっている。
ところが、上記した燃料電池では、改質触媒管をスタック構造体の外周縁部に沿ってらせん状に配置しているので、小型化が図れてはいるものの、負荷が大きく変動する場合や起動停止を行う場合などの発電出力が急激に変動する場合には、供給される燃料ガスや空気の流量の急変によって燃焼が急激に開始してしまい、セパレータ及びセル板間に火が引き込まれる現象、いわゆるバックファイヤーが生じて、セルの破損劣化を引き起こす恐れがあるという問題を有していた。 However, in the fuel cell described above, the reforming catalyst tube is spirally arranged along the outer peripheral edge of the stack structure, so that the size can be reduced, but the load may fluctuate greatly or start / stop When the power generation output fluctuates abruptly, for example, the combustion starts suddenly due to a sudden change in the flow rate of the supplied fuel gas or air, and a phenomenon in which fire is drawn between the separator and the cell plate, so-called There has been a problem that a backfire is generated, which may cause deterioration of the cell.
また、セル板の外周縁部近傍における燃焼場での燃焼によって、改質触媒管の温度が上昇し過ぎた場合には、改質触媒の性能が劣化してしまう可能性があり、このように、負荷変動時や起動停止時などにおいて、発電に必要な燃料ガス供給量と、改質に必要な発熱量と、そのときの改質触媒管の温度とを同時に制御することが難しいという問題があり、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。 Also, if the temperature of the reforming catalyst tube rises too much due to combustion in the combustion field in the vicinity of the outer peripheral edge of the cell plate, the performance of the reforming catalyst may be deteriorated. The problem is that it is difficult to simultaneously control the amount of fuel gas supplied for power generation, the amount of heat generated for reforming, and the temperature of the reforming catalyst tube at that time, such as when the load fluctuates or starts and stops. There has been a conventional problem to solve these problems.
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、コンパクト化を図ったうえで、効率の向上を実現することができ、負荷変動時や起動停止時などに対する制御性に優れた燃料電池を提供することを目的としている。 The present invention has been made by paying attention to the above-described conventional problems, and can achieve an improvement in efficiency after being made compact, and has excellent controllability when the load fluctuates or when the engine is started and stopped. The object is to provide a fuel cell.
本発明の燃料電池は、燃料ガスを改質する触媒を充填又は担持した改質流路を有する改質器と、単セルを保持していると共に上記改質器で改質した燃料ガス及び空気のうちの一方のガスの導入孔及び排出孔を有するセル板と、上記改質器で改質した燃料ガス及び空気のうちの一方のガスの導入孔及び排出孔を有し且つその外縁部をセル板の外縁部に接合させたセパレータ板を具備した固体電解質型燃料電池ユニットを複数積層して成り、導入孔から一方のガスを導入して各固体電解質型燃料電池ユニット内を通して排出孔から排気するスタック構造体と、ガス導入部及びガス排出部を具備し且つスタック構造体を収容した状態でガス導入部から上記改質器で改質した燃料ガス及び空気のうちの他方のガスを導入して互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニット間を通してガス排出部に流すケースを備え、上記スタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニット内を通過する一方のガスの排気流及びスタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニット間を通過する他方のガスの排気流のうちのいずれかの排気流中に改質器を位置させて、該排気流と改質器の改質流路を通過する燃料ガスとの間で熱交換を行わせることを特徴としており、この燃料電池の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。 The fuel cell according to the present invention includes a reformer having a reforming channel filled or supported with a catalyst for reforming a fuel gas, and a fuel gas and air that is retained by the reformer and holds a single cell. A cell plate having an introduction hole and an exhaust hole for one of the gas, an introduction hole and an exhaust hole for one of the fuel gas and air reformed by the reformer, and an outer edge thereof. A plurality of solid oxide fuel cell units each having a separator plate joined to the outer edge of the cell plate are stacked. One gas is introduced from the introduction hole and exhausted from the discharge hole through each solid oxide fuel cell unit. And the other gas of the fuel gas and air reformed by the reformer is introduced from the gas introduction part in a state of containing the stack structure and containing the stack structure. Solid electrolysis overlapping each other And a stack of solid electrolyte fuel cells having a stack structure, and a gas flowing through the plurality of solid electrolyte fuel cell units of the stack structure. A reformer is positioned in any one of the exhaust streams of the other gas passing between the units, and between the exhaust stream and the fuel gas passing through the reformer flow path of the reformer. Heat exchange is performed, and the configuration of the fuel cell is used as a means for solving the conventional problems described above.
本発明の燃料電池において、改質器の改質流路を通過する燃料ガスと熱交換を行う一方のガスの排気流又は他方のガスの排気流は、互いに混ざり合うことがないので、新らたに改質器に導入される改質前の燃料ガス又は改質後の燃料ガスに対して、上記排気流中の未使用の燃料を混合させて、再度スタック構造体に導入し得ることとなる。 In the fuel cell of the present invention, the exhaust gas flow of one gas or the other gas that exchanges heat with the fuel gas passing through the reforming flow path of the reformer does not mix with each other. In addition, the unused fuel in the exhaust stream can be mixed with the unreformed fuel gas or the reformed fuel gas introduced into the reformer, and introduced into the stack structure again. Become.
すなわち、未使用の燃料を含む燃料ガスの排気流を運転状態に応じて有効に活用する、例えば、後段の燃料電池の起動や発電に利用したり、排気ガス浄化用バーナーに導入したりすることができるので、負荷の変動に対する制御性が良好なものとなって、燃料利用率を低下させることなく、運転を行い得ることとなる。 That is, the exhaust flow of fuel gas containing unused fuel is effectively used according to the operating state, for example, used for starting a fuel cell in the subsequent stage, generating electricity, or introducing it into an exhaust gas purification burner. Therefore, the controllability with respect to the fluctuation of the load becomes good, and the operation can be performed without reducing the fuel utilization rate.
本発明の燃料電池では、上記した構成としているので、コンパクト化を実現しつつ、高効率の運転を行うことができ、加えて、負荷変動時や起動停止時において、発電に必要な燃料ガス供給量と、改質に必要な発熱量と、改質器の温度との同時制御が容易になるという非常に優れた効果がもたらされる。 Since the fuel cell of the present invention has the above-described configuration, it is possible to perform highly efficient operation while realizing a compact size, and in addition, supply of fuel gas necessary for power generation when the load fluctuates or starts and stops. An excellent effect of facilitating simultaneous control of the amount, the calorific value necessary for reforming, and the temperature of the reformer is brought about.
本発明の燃料電池の固体電解質型燃料電池ユニットは、セル板及びセパレータ板の各外縁部同士を接合して成るものであり、セル板及びセパレータ板のうちの少なくともいずれか一方に外縁部に沿う段差を設けることで、セル板及びセパレータ板間に、燃料ガス及び空気のうちの一方のガスを流す空間を形成している。 The solid oxide fuel cell unit of the fuel cell according to the present invention is formed by joining the outer edge portions of the cell plate and the separator plate, and along the outer edge portion at least one of the cell plate and the separator plate. By providing the step, a space for flowing one of the fuel gas and the air is formed between the cell plate and the separator plate.
また、本発明の燃料電池において、固体電解質型燃料電池ユニットの中央部分の厚さを単セル設置領域の厚さよりも大きくしてスペーサの機能を持たせることで、積層した固体電解質型燃料電池ユニットの層間に、燃料ガス及び空気のうちの他方のガスを流す流路を形成している。 Further, in the fuel cell of the present invention, the thickness of the central portion of the solid oxide fuel cell unit is made larger than the thickness of the single cell installation region so as to have a spacer function, thereby stacking the solid oxide fuel cell unit. A flow path for flowing the other of the fuel gas and air is formed between the two layers.
なお、上記段差をセル板及びセパレータ板の双方に形成して互いに対称を成すようにすれば、応力集中を抑制し得ることとなり、この際、両段差の大きさを相互に変化させたとしても、段差を設けたことによる強度の向上を期待でき、段差をセル板及びセパレータ板の一方に形成した場合には、単セルの搭載面積を拡大することができ、このように、耐熱衝撃性の向上や出力密度の向上など重視する特性に応じてセル板及びセパレータ板の形状を変更し得る。 In addition, if the above steps are formed on both the cell plate and the separator plate so as to be symmetrical with each other, stress concentration can be suppressed, and even if the sizes of both steps are changed mutually. The improvement in strength due to the provision of the step can be expected, and when the step is formed on one of the cell plate and the separator plate, the mounting area of the single cell can be expanded. The shapes of the cell plate and the separator plate can be changed according to characteristics that are important, such as improvement and improvement of output density.
さらに、本発明の燃料電池において、固体電解質型燃料電池ユニットのセル板及びセパレータ板に設ける段差はプレス加工により形成することが望ましく、セル板及びセパレータ板の各々の外縁部同士の接合には、溶接やロウ付けを用いることができるほか超音波接合法なども用いることができる。 Furthermore, in the fuel cell of the present invention, it is desirable that the step provided on the cell plate and the separator plate of the solid oxide fuel cell unit is formed by pressing, and for joining the outer edge portions of each of the cell plate and the separator plate, In addition to welding and brazing, an ultrasonic bonding method can also be used.
さらにまた、本発明の燃料電池において、固体電解質型燃料電池ユニットの単セルの取付位置をセル板の中心部と外縁部との間の領域に設定し、この領域内に単セルを1つ以上固定することができる。 Furthermore, in the fuel cell of the present invention, the mounting position of the single cell of the solid oxide fuel cell unit is set in a region between the center portion and the outer edge portion of the cell plate, and one or more single cells are provided in this region. Can be fixed.
例えば、単セルが小径の円板状を成す場合は、セル板の中心周りに規則正しく配置することが望ましい。また、単セルがドーナツ状を成す場合は、その内周縁部及び外周縁部にプレス加工済の内側リング及び外側リングをそれぞれ接合することが望ましい。さらに、上記内側リング及び外側リングを連結してフレーム状をなすようにしてもよく、このフレームに扇形の単セルを貼り付けることも可能である。 For example, when the single cell has a small-diameter disk shape, it is desirable to regularly arrange the cells around the center of the cell plate. In addition, when the single cell has a donut shape, it is desirable that the inner ring and the outer ring that have been pressed are joined to the inner peripheral edge and the outer peripheral edge, respectively. Further, the inner ring and the outer ring may be connected to form a frame shape, and a fan-shaped single cell may be attached to the frame.
さらにまた、本発明の燃料電池のケースには、スタック構造体を収容すると共に、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニット間に配置する集電体やスタック構造体との隙間を埋める充填材を収容するが、これらの集電体や充填材の設置部位及び密度を適宜設定することで、このケースに対して、ガス導入部から導入した他方のガスを固体電解質型燃料電池ユニット間で且つ単セル設置位置に優先的に流す整流機能を持たせることが可能である。 Furthermore, the fuel cell case of the present invention accommodates a stack structure and a current collector disposed between overlapping solid oxide fuel cell units and a filler that fills a gap between the stack structure. However, by appropriately setting the location and density of these current collectors and fillers, the other gas introduced from the gas introduction unit is installed between the solid oxide fuel cell units and a single cell for this case. It is possible to provide a rectification function that allows the position to flow preferentially.
さらにまた、本発明の燃料電池において、複数の固体電解質型燃料電池ユニットの各セル板やセパレータ板が導電材料から成っている場合には、固体電解質型燃料電池ユニット間が単セルの部分以外で電気的に短絡するのを阻止する絶縁機能をケースに持たせることができる。 Furthermore, in the fuel cell of the present invention, when each cell plate or separator plate of the plurality of solid oxide fuel cell units is made of a conductive material, the space between the solid oxide fuel cell units is not a single cell portion. The case can be provided with an insulating function for preventing an electrical short circuit.
さらにまた、本発明の燃料電池において、改質器の改質流路を通過する燃料ガスとの間で熱交換を行う排気流として空気の排気流を用いる場合には、例えば、ケース内に導入する他方のガスを空気として、ケースのガス排出部の近傍あるいは単セルの下流側に改質器の改質流路を位置させる構成を採用することができ、この場合には、未使用の燃料を含む燃料ガスの排気流を高い温度を保ったまま循環させたり後段の燃料電池に供給したりし易いので、システム全体における燃料利用率を向上させ得ることとなる。 Furthermore, in the fuel cell of the present invention, when an air exhaust flow is used as an exhaust flow for exchanging heat with the fuel gas passing through the reforming passage of the reformer, for example, it is introduced into the case. It is possible to employ a configuration in which the reforming flow path of the reformer is positioned in the vicinity of the gas discharge part of the case or downstream of the single cell using the other gas as air. It is easy to circulate the exhaust flow of the fuel gas containing the fuel gas while maintaining a high temperature or to supply the exhaust gas to the subsequent fuel cell, so that the fuel utilization rate in the entire system can be improved.
一方、本発明の燃料電池において、改質器の改質流路を通過する燃料ガスとの間で熱交換を行う排気流として燃料ガスの排気流を用いる場合には、例えば、改質器の熱が供与される部位に、結露水の回収機能を設置することができ、これにより、発電に伴って燃料ガスの排気流から生成される水をコンパクトな構造で回収し得ることとなる。 On the other hand, in the fuel cell of the present invention, when the exhaust flow of the fuel gas is used as the exhaust flow for exchanging heat with the fuel gas passing through the reforming passage of the reformer, for example, A dew condensation water recovery function can be installed at a site to which heat is supplied, and thereby water generated from the exhaust flow of fuel gas accompanying power generation can be recovered with a compact structure.
この場合、改質器として、改質ガス流路の入り口に水蒸気及び空気の各導入口を具備したものを用いることで、吸熱反応である水蒸気改質モード,発熱反応である部分酸化改質モード及びこれらの二つの反応が同時に進行するATR反応モード(Auto Thermal Reforming)をいずれも調整することが可能になる。 In this case, by using a reformer having an inlet for steam and air at the inlet of the reformed gas flow path, a steam reforming mode that is an endothermic reaction and a partial oxidation reforming mode that is an exothermic reaction. It is possible to adjust both the ATR reaction mode (Auto Thermal Reforming) in which these two reactions proceed simultaneously.
例えば、改質器に熱を供与するガス温度及びガス流量を検知し、この段階の要求出力に対応し得るように、改質ガス流路に導入する燃料ガスと水、そして空気の各流量を調整することにより、改質反応モードを制御することができる。 For example, by detecting the gas temperature and gas flow rate for supplying heat to the reformer, and responding to the required output at this stage, the flow rates of fuel gas, water, and air introduced into the reformed gas flow path are adjusted. By adjusting, the reforming reaction mode can be controlled.
ここで、要求する発電出力が小さい状態から大きい状態に変化する場合には、燃料ガスに対する空気の流量比を増加させて、発熱反応である部分酸化反応を主体とする反応モードになるように調整する。そして、最大出力での発電状態が継続される場合は、改質ガス流路へ導入する水の流量比を増加させて、吸熱反応である水蒸気改質を主体とする反応モードに調整する。 Here, when the required power generation output changes from a small state to a large state, the flow rate ratio of air to fuel gas is increased so that the reaction mode is mainly composed of a partial oxidation reaction that is an exothermic reaction. To do. When the power generation state at the maximum output is continued, the flow rate ratio of the water introduced into the reformed gas flow path is increased to adjust to the reaction mode mainly composed of steam reforming which is an endothermic reaction.
さらにまた、本発明の燃料電池において、メタンや、プロパンや、ブタンや、オクタンなどの炭化水素を主成分とするものをガス化することで、燃料として使用することができる。この際、メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコール類や、ジメチルエーテルなどのエーテル類や、カルボン酸類や、アルデヒド類などの酸素を含有する炭化水素を燃料として使用することができ、この場合は、燃料電池の動作温度よりも低い温度で水蒸気改質を行うことが可能になるなどといった効果が期待できる。 Furthermore, the fuel cell of the present invention can be used as a fuel by gasifying a main component of hydrocarbon such as methane, propane, butane, or octane. At this time, hydrocarbons containing oxygen such as alcohols such as methanol, ethanol and propanol, ethers such as dimethyl ether, carboxylic acids and aldehydes can be used as fuel. It is expected that the steam reforming can be performed at a temperature lower than the operating temperature.
さらにまた、本発明の燃料電池において、液体の燃料を使用する場合や、水蒸気改質モードで改質器を運転する場合などは、改質器の改質ガス流路の上流に気化器を配置することもでき、この際、気化器の部分を改質器の改質ガス流路の最上流部に組み込んだ一体型とすることもできる。 Furthermore, in the fuel cell of the present invention, when a liquid fuel is used or when the reformer is operated in the steam reforming mode, a vaporizer is disposed upstream of the reformed gas flow path of the reformer. In this case, the vaporizer part may be integrated into the most upstream part of the reformed gas flow path of the reformer.
さらにまた、本発明の燃料電池において、改質ガス流路に担持する触媒としては、例えば、貴金属系(Ru,Rh,Pt等)や、非貴金属系(Ni,Cu,Fe,Co等)、あるいは、金属酸化物系(遷移金属,アルカリ土類,希土類元素の酸化物またはその複合酸化物等)を用いることができるが、特にこれらに限定されるものではない。また、触媒担体としては、Al2O3,SiO2,TiO2,ZrO2,MgO等の酸化物、あるいは、これらの複合酸化物や各種元素の炭化物や窒化物を用いることができるが、特にこれらに限定される ものではない。 Furthermore, in the fuel cell of the present invention, examples of the catalyst supported in the reformed gas flow path include noble metal (Ru, Rh, Pt, etc.), non-noble metal (Ni, Cu, Fe, Co, etc.), Alternatively, metal oxides (transition metals, alkaline earths, rare earth element oxides or composite oxides thereof) can be used, but are not particularly limited thereto. Further, as the catalyst carrier, oxides such as Al2O3, SiO2, TiO2, ZrO2, and MgO, composite oxides of these, and carbides and nitrides of various elements can be used, but are not particularly limited to these. is not.
そして、改質器の改質ガス流路内には、上記触媒と触媒担体を顆粒状や圧粉状、あるいは、ペレット状として詰めることもできるし、コージェライトなどのハニカム状担体に触媒を担持して、このハニカムをガス流路内に設置するように成すこともできる。 In the reformer gas channel of the reformer, the catalyst and catalyst carrier can be packed in the form of granules, powder, or pellets, and the catalyst is supported on a honeycomb carrier such as cordierite. The honeycomb can be installed in the gas flow path.
さらにまた、本発明の燃料電池において、改質器及びスタック構造体を起動させるための起動バーナーを設置してもよく、例えば、燃料電池の空気の排気流が改質熱を供与するガスとなる場合には、燃料電池へ導入する空気流路の上流側に起動バーナーを設置することができる。つまり、起動時に燃焼バーナーにより加熱した空気をスタック構造体に送り込み、次いで、スタック構造体を通過した高温の空気の排気流を熱供与ガスとして改質器側に供給して加熱することができる。 Furthermore, in the fuel cell of the present invention, an activation burner for activating the reformer and the stack structure may be installed. For example, the exhaust flow of the fuel cell air serves as a gas for providing reforming heat. In some cases, an activation burner can be installed on the upstream side of the air flow path introduced into the fuel cell. That is, the air heated by the combustion burner at the time of start-up can be sent to the stack structure, and then the high-temperature air exhaust stream that has passed through the stack structure can be supplied to the reformer side as heat donating gas to be heated.
また、改質器及びスタック構造体を起動させるための起動バーナーは、改質器の改質ガス流路の上流側に設置してもよく、この場合には、燃焼バーナーにより生成した高温ガスを改質器の改質ガス流路に導入して昇温し、発熱反応の部分酸化改質を主体とする反応モードの改質器を起動する。そして、改質器から高温となった改質ガスを燃料ガスの流路に導入して燃料電池を加熱起動する。 Further, the start burner for starting the reformer and the stack structure may be installed upstream of the reformed gas flow path of the reformer. In this case, the high temperature gas generated by the combustion burner is used. The reformer is introduced into the reforming gas flow path of the reformer and heated to start a reaction mode reformer mainly composed of partial oxidation reforming of an exothermic reaction. Then, the reformed gas having a high temperature from the reformer is introduced into the flow path of the fuel gas, and the fuel cell is heated and started.
さらにまた、本発明の燃料電池において、一方のガスの排気流及び他方のガスの排気流のうちのいずれかの排気流が改質器を通過する段階の圧力損失が、スタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニット間を他方のガスが通過する段階の圧力損失よりも大きい構成とすることができる。 Furthermore, in the fuel cell of the present invention, the pressure loss at the stage when any one of the exhaust flow of one gas and the exhaust flow of the other gas passes through the reformer is caused by the plurality of stack structures. It can be set as the structure larger than the pressure loss of the step in which the other gas passes between solid oxide fuel cell units.
具体的には、他方のガスが通過するスタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニット間の総断面積よりも、排気流が通過する改質器内の流路総断面積を小さくすることにより、改質器部分での圧力損失を大きくするようにしており、これにより、単セルを配置した固体電解質型燃料電池ユニット間において、ガス流速分布やガス流量分布が均一になって他方のガスが隅々まで到達することとなり、その結果、固体電解質型燃料電池ユニット面内の総出力が向上することとなる。 Specifically, the total cross-sectional area of the flow path in the reformer through which the exhaust flow passes is made smaller than the total cross-sectional area between the plurality of solid oxide fuel cell units of the stack structure through which the other gas passes. Therefore, the pressure loss in the reformer part is increased, so that the gas flow rate distribution and the gas flow rate distribution become uniform between the solid oxide fuel cell units in which the single cells are arranged, and the other gas. As a result, the total output in the surface of the solid oxide fuel cell unit is improved.
この際、複数の固体電解質型燃料電池ユニット間の見かけ上の流路幅よりも改質器部の流路幅を小さく設定したり、改質器部の流路に気孔率の小さいメッシュを熱交換部材として充填したりすることで、改質器内の流路総断面積を複数の固体電解質型燃料電池ユニット間の総断面積よりも小さくすることができ、これにより、ガス流速分布やガス流量分布の調整が行い易くなって、ガス分配均一性をより向上させることができ、スタック構造体全体の発電出力を向上させ得ることとなる。 At this time, the flow path width of the reformer section is set smaller than the apparent flow path width between the plurality of solid oxide fuel cell units, or a mesh having a low porosity is heated in the flow path of the reformer section. By filling it as an exchange member, the total cross-sectional area of the flow path in the reformer can be made smaller than the total cross-sectional area between the plurality of solid oxide fuel cell units. It becomes easy to adjust the flow distribution, the gas distribution uniformity can be further improved, and the power generation output of the entire stack structure can be improved.
また、改質器の改質ガス流路や熱を供与するガス流路に、熱交換フィンなどの熱交換部材を設置したり、その設置状況を変化させたりすることで、改質器部分での圧力損失を大きくするようにしてもよく、例えば、熱を供与するガス流路において、下流側に向かうにつれて熱交換部材の数を多くして乱流が生じ易くなるようにすることで、改質器部分での圧力損失を大きくするようにしてもよい。 In addition, by installing heat exchange members such as heat exchange fins in the reformer gas flow path or the gas flow path for supplying heat, or by changing the installation status, For example, in the gas flow path for supplying heat, the number of heat exchange members is increased toward the downstream side so that turbulent flow is likely to occur. You may make it enlarge the pressure loss in a mass part.
このように、熱を供与するガス流路に熱交換フィンなどの熱交換部材を設置すると、発電出力の均一化が図られるのに加えて、改質器部分での熱交換効率の向上も図られることとなって、改質器における燃料ガスの改質率が向上して改質ガスの組成が安定することとなり、その結果、単セルの燃料極での被毒や炭素析出などに起因する劣化が抑えられて、耐久性が向上することとなる。 In this way, when heat exchange members such as heat exchange fins are installed in the gas flow path for supplying heat, in addition to achieving uniform power generation output, the heat exchange efficiency in the reformer part is also improved. As a result, the reforming rate of the fuel gas in the reformer is improved and the composition of the reformed gas is stabilized, resulting in poisoning or carbon deposition at the fuel electrode of a single cell. Deterioration is suppressed and durability is improved.
さらにまた、本発明の燃料電池において、スタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と、改質器の改質流路の方向とが互いに平行を成している構成とすることができ、例えば、複数の固体電解質型燃料電池ユニット間からケースのガス排出部にかけての部分に、改質触媒を担持した複数本の管状の改質流路がユニットの積層方向に沿って配置してある構成を採用することができる。 Furthermore, in the fuel cell of the present invention, the stacking direction of the plurality of solid oxide fuel cell units of the stack structure and the direction of the reforming flow path of the reformer are parallel to each other. For example, a plurality of tubular reforming channels carrying a reforming catalyst are arranged along the stacking direction of the units in a portion from between the plurality of solid oxide fuel cell units to the gas discharge part of the case. Can be adopted.
この場合、改質触媒を担持した複数本の改質流路は、ケースとスタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニット間で発電により高温になった空気の排気流と熱交換できる部位に位置していることとなり、この際、燃料ガスは改質器へ導入されて、触媒反応管である改質ガス流路内において改質された後、発電ユニットであるスタック構造体に導入される。 In this case, the plurality of reforming channels carrying the reforming catalyst are located in a portion where heat can be exchanged between the case and the stack of the solid oxide fuel cell units that are heated by the power generation. In this case, the fuel gas is introduced into the reformer, reformed in the reformed gas flow path that is the catalytic reaction tube, and then introduced into the stack structure that is the power generation unit. .
このように、スタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と、改質器の改質流路の方向とが互いに平行を成している場合には、改質器とスタック構造体とをコンパクトに配置し得るので、排気流の顕熱を損失なく改質に利用可能となって、効率の向上が図られることとなり、加えて、空気の排気流の下流側に位置する改質器部分の圧力損失が高く、且つ、良好なガスの流れを容易に設定し得るので、要求される発電出力変動に応じてガス流量が変化した場合においても、ガス流れの均一性が保持し易くなって、高い発電効率を維持し得ることとなる。 Thus, when the stacking direction of the plurality of solid oxide fuel cell units of the stack structure and the direction of the reforming flow path of the reformer are parallel to each other, the reformer and the stack structure The sensible heat of the exhaust flow can be used for reforming without loss, improving the efficiency, and in addition, the modification located on the downstream side of the air exhaust flow. Since the pressure loss in the mass part is high and a good gas flow can be set easily, even if the gas flow rate changes according to the required power generation output fluctuation, the gas flow uniformity is maintained. It becomes easy to maintain high power generation efficiency.
ここで、熱交換効率及び圧力損失の制御性の向上を図るべく、触媒反応管である改質ガス流路の外周に熱交換フィンを形成したり、凹凸形状を形成したりすることが望ましいほか、上記と同様の作用効果を得るべく、気孔率を調整した多孔体をケースと改質ガス流路との間に充填することが望ましい。 Here, in order to improve the heat exchange efficiency and the controllability of pressure loss, it is desirable to form heat exchange fins on the outer periphery of the reformed gas flow path that is a catalytic reaction tube, or to form an uneven shape. In order to obtain the same effect as described above, it is desirable to fill a porous body with adjusted porosity between the case and the reformed gas flow path.
なお、上記触媒反応管である改質器の改質ガス流路の断面形状は円形状に限定されるものではなく、四角形状や三角形状としても差し支えない。改質ガス流路の断面形状が矩形形状を成すものとして、例えば、プレートを積層して成るプレートフィン型熱交換器に類する構造、すなわち、プレート積層方向に沿って改質ガス流路の燃料ガス導入孔及び排出孔が形成された構造を採用することができる。 In addition, the cross-sectional shape of the reformed gas flow path of the reformer that is the catalyst reaction tube is not limited to a circular shape, and may be a square shape or a triangular shape. Assuming that the cross-sectional shape of the reformed gas channel is rectangular, for example, a structure similar to a plate fin type heat exchanger formed by stacking plates, that is, the fuel gas in the reformed gas channel along the plate stacking direction A structure in which the introduction hole and the discharge hole are formed can be employed.
さらにまた、本発明の燃料電池において、スタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と、改質器の改質流路の方向とが互いに直交している構成とすることができ、例えば、スタック構造体の固体電解質型燃料電池ユニットで用いるセパレータ板同士を接合することで内部を改質流路とした平板型ユニットを形成し、この平板型ユニットの改質触媒を担持した改質流路とスタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向とが互いに直交するように、複数の平板型ユニットをスタック構造体に積層する構成を採用することができる。 Furthermore, in the fuel cell of the present invention, the stacking direction of the plurality of solid oxide fuel cell units of the stack structure and the direction of the reforming flow path of the reformer can be orthogonal to each other. For example, the separator plate used in the solid oxide fuel cell unit of the stack structure is joined to form a flat plate unit having a reforming channel inside, and the flat plate unit carrying the reforming catalyst is supported. It is possible to employ a configuration in which a plurality of flat plate units are stacked on the stack structure so that the flow paths and the stacking directions of the plurality of solid oxide fuel cell units of the stack structure are orthogonal to each other.
この場合、互いに積層した平板型ユニット及びスタック構造体を収容したケースに他方のガスとして空気を導入すると、ガス導入部を介して導入された空気は、発電ユニットであるスタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニット間を流れ、これで高温の排気流となった空気は平板型ユニット間を流れる。一方、燃料ガスは、複数の平板型ユニットの各内部に導入されて改質された後、発電ユニットであるスタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニット内に導入されて、発電に使用される。 In this case, when air as the other gas is introduced into the case containing the flat plate unit and the stack structure stacked on each other, the air introduced through the gas introduction unit is a plurality of solids of the stack structure that is a power generation unit. The air that flows between the electrolyte fuel cell units and becomes a high-temperature exhaust gas flows between the flat plate units. On the other hand, fuel gas is introduced into each of a plurality of flat plate units and reformed, and then introduced into a plurality of solid oxide fuel cell units of a stack structure that is a power generation unit and used for power generation. The
このように、スタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と、改質器の改質流路の方向とが互いに直交している場合には、類似するユニットを互いに積層する構造を採用し得るため、燃料組成や要求される改質度や発電出力などの諸条件に応じて、積層段数を自由に設計することができ、加えて、触媒反応管である改質器の改質ガス流路の設置パターンを制御することによって、固体電解質型燃料電池ユニット間のガスの流れを均一化することができるので、発電効率が向上することとなる。 Thus, when the stacking direction of the plurality of solid oxide fuel cell units in the stack structure and the direction of the reforming channel of the reformer are orthogonal to each other, a structure in which similar units are stacked on each other Therefore, it is possible to freely design the number of stacking stages according to various conditions such as fuel composition, required reforming degree, and power generation output. By controlling the installation pattern of the solid gas flow path, the gas flow between the solid oxide fuel cell units can be made uniform, so that the power generation efficiency is improved.
ここで、改質ユニットである平板型ユニットの積層段数が発電ユニットである固体電解質型燃料電池ユニットの積層段数よりも少ない構造や、平板型ユニットの間隔が固体電解質型燃料電池ユニットの間隔よりも狭い構造、あるいは、熱交換用フィンやハニカム材が設置される平板型ユニット間の圧力損失が、集電体を設置する固体電解質型燃料電池ユニット間の圧力損失よりも高い構造も適宜採用し得る。 Here, a structure in which the number of stacking stages of the flat plate unit that is the reforming unit is smaller than the number of stacking stages of the solid oxide fuel cell unit that is the power generation unit, A narrow structure or a structure in which the pressure loss between flat plate units on which heat exchange fins and honeycomb materials are installed is higher than the pressure loss between solid oxide fuel cell units on which current collectors are installed can be adopted as appropriate. .
そして、改質ユニットである平板型ユニットにおいて用いるセパレータ板は、熱交換効率の向上を図るべく、且つ、触媒担持した燃料ガス流路を形成するべく、固体電解質型燃料電池ユニットのセパレータ板と同じくプレス加工により形成することが望ましい。 The separator plate used in the flat plate unit, which is a reforming unit, is the same as the separator plate of the solid oxide fuel cell unit in order to improve the heat exchange efficiency and to form a fuel gas passage carrying a catalyst. It is desirable to form by pressing.
燃料電池において、改質反応として水蒸気改質反応を用いる場合は、吸熱反応であることから、供給される燃料分子あたりの発電出力が高く、スタック構造体の発電効率を高くすることができるという長所がある。しかし、改質器に熱を供給する必要があるため、改質器の動作温度が固体電解質型燃料電池の動作温度よりも高く、燃料電池とは別に燃料を使って燃焼熱などを生じさせるシステムでは、負荷変動運転の場合や、低出力の部分負荷運転時間が長い場合などにおいて、システム全体としての効率が向上しないことがある。 When a steam reforming reaction is used as a reforming reaction in a fuel cell, since it is an endothermic reaction, the power generation output per supplied fuel molecule is high, and the power generation efficiency of the stack structure can be increased. There is. However, because it is necessary to supply heat to the reformer, the operating temperature of the reformer is higher than the operating temperature of the solid oxide fuel cell, and a system that generates combustion heat using fuel separately from the fuel cell However, the efficiency of the entire system may not be improved in the case of load fluctuation operation or when the low load partial load operation time is long.
そこで、本発明の燃料電池において、改質器の改質流路に充填又は担持する触媒として、白金と、セリウム,チタン及びニオブのうちの少なくとも一種以上の酸化物と、を含有するエタノール変換触媒を用いる構成とし、燃料としてエタノールを使用することにより、改質器の温度が固体電解質型燃料電池の動作温度よりも低い場合であったとしても改質することが可能になる。 Therefore, in the fuel cell of the present invention, an ethanol conversion catalyst containing platinum and at least one oxide of cerium, titanium, and niobium as a catalyst filled or supported in the reforming flow path of the reformer. By using ethanol as a fuel, reforming can be performed even when the temperature of the reformer is lower than the operating temperature of the solid oxide fuel cell.
これにより、排気流中の未使用燃料を回収して循環させたり、別目的に燃焼させたりして有効利用することができるので、部分負荷運転時間が長い場合においても、システム効率が向上することとなり、加えて、改質器に供与する熱源として、一方のガスの排気流及び他方のガスの排気流のうちのいずれかの排気流の顕熱で賄うことが可能になるので、改質器の起動時間の短縮を実現し得ることとなって、システム全体の起動時間も短くすることが可能になる。 As a result, unused fuel in the exhaust stream can be recovered and circulated, or burned for another purpose and used effectively, improving system efficiency even when partial load operation time is long. In addition, as a heat source to be supplied to the reformer, it is possible to cover with the sensible heat of one of the exhaust flow of one gas and the exhaust flow of the other gas. Therefore, it is possible to reduce the startup time of the entire system.
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not limited to a following example.
図1〜図6は、本発明の燃料電池の一実施例を示しており、図1に示すように、この燃料電池10は、集電体15を介して複数の固体電解質型燃料電池ユニット1を複数積層して成るスタック構造体11と、ガス導入部12a及びガス排出部12bを具備し且つスタック構造体11を収容した状態でガス導入部12aから空気を導入してガス排出部12bに流す円筒形状を成すケース12と、燃料ガスを改質する改質器40を備えている。
1 to 6 show an embodiment of a fuel cell according to the present invention. As shown in FIG. 1, this
この燃料電池10のスタック構造体11を構成する固体電解質型燃料電池ユニット1は、円形薄板状を成し且つ中心部分にガス導入孔21及びガス排出孔22を有する金属製セル板2と、このセル板2と同じく円形薄板状を成し且つ中心部分にガス導入孔31及びガス排出孔32を有する金属製セパレータ板3を備えている。これらのセル板2及びセパレータ板3は、互いに対向した状態で各々の外周縁部同士を接合させてあり、セル板2及びセパレータ板3間に形成される袋部分(空間)Sには、集電体4が収容してある。
The solid oxide
互いに対向した状態で接合するセル板2及びセパレータ板3の各中心部分には、図4及び図5にも示すように、外周縁部と同心状を成し且つ互いに離間する方向に突出して後述するようにスペーサとして機能する円形凸状段差部23,33がプレス加工によってそれぞれ形成してあり、セル板2及びセパレータ板3の各外周縁部には、この外周縁部と同心状を成し且つ互いに接近する方向に突出して空間Sを形成するための環状段差24,34がプレス加工によってそれぞれ形成してあり、上記したガス導入孔21,31及びガス排出孔22,32は、セル板2及びセパレータ板3の各円形凸状段差23,33に配置してある。
As shown in FIGS. 4 and 5, the central portions of the
また、図6に示すように、セル板2の円形凸状段差部23と環状段差24との間には、ドーナツ状を成す単セル6が配置してあり、この単セル6は、円形凸状段差部23の外周縁23a及び環状段差24の内周縁24aに跨って固定してある。なお、この単セル6は、電解質支持型セル、電極支持型セル、多孔質支持型セルのいずれでもあってもよい。
Further, as shown in FIG. 6, a
さらに、セル板2及びセパレータ板3の各中心部分に位置する円形凸状段差部23,33のうちのセパレータ板3の円形凸状段差部33には、ガス導入孔31と連通するガス導入流路51を具備してセル板2及びセパレータ板3間に形成される空間S内に対して燃料ガスを供給する流路部品5が収容してあると共に、セル板2の円形凸状段差部23には、ガス排出孔22と連通するガス排出流路52を具備して上記空間Sから燃料ガスを排出する流路部品5が収容してあり、これらの流路部品5,5は、後述するように、固体電解質型燃料電池ユニット1を積層してスタック構造体11を形成した状態において、スタック構造体11全体の押付力のみで互いに密着するようになっている。
Further, of the circular convex stepped
さらにまた、改質器40は全体で直方体形状を成していて、改質触媒を担持した複数本の管状の改質流路41と、これらの改質流路41を固体電解質型燃料電池ユニット1の積層方向に沿わせた状態で有するマニホルド部42を具備しており、燃料ガスが通過するマニホルド部42の改質流路41の間を空気流路43としている。そして、図2にも示すように、この改質器40をケース12のガス排出部12bの部分に配置することで、スタック構造体11の複数の固体電解質型燃料電池ユニット1間を通過する空気の排気流と改質器40の改質流路41を通過する燃料ガスとの間で熱交換を行わせるようにしてある。
Furthermore, the
この実施例において、セル板2及びセパレータ板3には、肉厚が0.1mmのSUS430の圧延板を用いた。そして、この圧延板を超硬及びSKD11から成る金型を装備したプレス装置にセットして、80トンのプレス荷重をかけてプレス加工を行った。このプレス加工により得られたセル板2及びセパレータ板3の外径は125mmであり、セル板2及びセパレータ板3の各外周縁部同士をレーザ溶接を用いて接合して、厚さ1.5mmの固体電解質型燃料電池ユニット1とした。また、セル板2及びセパレータ板3間の空間Sに収容する集電体4には、インコネル製金属メッシュから成るものを用い、セル板2及びセパレータ板3に対してその周縁部をレーザ溶接により接合した。
In this example, the
一方、流路部品5にもSUS430を用い、セル板2及びセパレータ板3に対しては、接合温度を1000℃以下とした真空中での拡散接合により固定し、接合時の変形を防いでいる。なお、拡散接合に代えてYAGレーザを用いたレーザ溶接による接合も可能であり、この際、セル板2及びセパレータ板3が薄板状を成していることから、表側からレーザを照射しても接合することができる。また、流路部品5の流路パターンは、エッチングや研削加工やレーザ加工により形成することができるほか、エッチング部品を積層して接合することによっても形成することができる。
On the other hand, SUS430 is also used for the
この実施例に係る燃料電池10において、スタック構造体11は、上記固体電解質型燃料電池ユニット1を間隔1.5mmで40層(図1では4段に省略して示している)積層して成っていて、図4にも示すように、積層した複数の固体電解質型燃料電池ユニット1を上下からフランジ13,14で挟み込み、セル板2及びセパレータ板3の各ガス導入孔21,31の周囲に形成した複数のガス排出孔22,32に図示しない複数本のスタッドボルトをそれぞれ挿通して、燃料ガスの導入配管13aを具備した上側のフランジ13にスタッドボルトの一端部をねじ込むと共に、燃料ガスの排気配管14aを具備した下側のフランジ14から外部に突出するスタッドボルトの他端部に皿ばねを介してナットをねじ込むことにより、互いに積層した固体電解質型燃料電池ユニット1同士を締結するようにしている。
In the
この際、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニット1の各中心部分間には、シール接合材としてのセラミックス系接着材17が二重リング状に塗布してある。なお、シール接合材として、ガラス系の接着材や、ガラスにセラミックス繊維やフィラーを加えて成型したガスケットを使用することができるほか、この実施例のように、単セル6がドーナツ状を成す場合には、金属粉が混在するペースト状接着材や、ガスケット状のろう材や、金属ガスケットを使用することが可能である。
At this time, a ceramic adhesive 17 as a seal bonding material is applied in a double ring shape between the central portions of the solid oxide
そして、この燃料電池10において、SUS430製の円筒形状を成すケース12の本体部分にスタック構造体11を収容すると共に、ケース12のガス排出部12bの部分に改質器40を収容するようにしており、この際、空気が通過するスタック構造体11の複数の固体電解質型燃料電池ユニット1間の総断面積よりも、空気の排気流が通過する改質器40の空気流路43の流路総断面積を小さくすることにより、改質器40での圧力損失を大きくするようにしている。
In the
この燃料電池10において、図1〜図3に示すように、改質器40の改質触媒を担持した改質流路41を通過した燃料ガスFは、フランジ13の導入配管13a及び固体電解質型燃料電池ユニット1の各ガス導入孔21,31を通してセル板2及びセパレータ板3間に形成される各空間S内に導入され、上記空間S内を流れた後、各ガス排出孔22,32及びフランジ14の排気配管14aを通して排気される。
In this
一方、空気Aiは、ガス導入部12aからケース12内に導入されると、スタック構造体11の積層した固体電解質型燃料電池ユニット1間、すなわち、カソード側である層間に位置する集電体15を通過する。そして、固体電解質型燃料電池ユニット1間を流れて高温となった空気Aiの排気流は、改質器40の空気流路43を通過することで、改質器40の改質流路41を流れる燃料ガスに熱を供与した後、ガス排出部12bを通して排気される。
On the other hand, when the air Ai is introduced into the
上記したように、この燃料電池10では、改質器40の改質流路41を通過する燃料ガスFと熱交換を行う空気Aiの排気流は、互いに混ざり合うことがないので、新らたに改質器40に導入される改質前の燃料ガスF又は改質後の燃料ガスFに対して、上記フランジ14の排気配管14aを通して排気される燃料ガスFの排気流中の未使用分を混合させて、再度スタック構造体11に導入し得ることとなる。
As described above, in the
すなわち、未使用の燃料を含む燃料ガスFの排気流を運転状態に応じて有効に活用する、例えば、後段の燃料電池の起動や発電に利用したり、排気ガス浄化用バーナーに導入したりすることができるので、負荷の変動に対する制御性が良好なものとなって、燃料利用率を低下させることなく、運転を行い得ることとなる。 That is, the exhaust flow of the fuel gas F containing unused fuel is effectively utilized according to the operating state, for example, used for starting a fuel cell in the subsequent stage, generating electricity, or introducing it into an exhaust gas purification burner. Therefore, the controllability with respect to the fluctuation of the load becomes good, and the operation can be performed without reducing the fuel utilization rate.
また、上記した燃料電池10では、スタック構造体11の複数の固体電解質型燃料電池ユニット1の積層方向と、改質器40の改質流路41の方向とを互いに平行にすることで、改質器40及びスタック構造体11のコンパクトな配置を実現しているので、排気流の顕熱を損失なく改質に利用可能となって、効率の向上が図られることとなる。
In the
加えて、上記した燃料電池10では、空気Aiが通過するスタック構造体11の複数の固体電解質型燃料電池ユニット1間の総断面積よりも、空気Aiの排気流が通過する改質器40の空気流路43の流路総断面積を小さくすることにより、改質器40での圧力損失を大きくするようにしているので、単セル6を配置した固体電解質型燃料電池ユニット1間において、ガス流速分布やガス流量分布が均一になって空気Aiが隅々まで到達することとなり、その結果、高い発電効率を維持し得ることとなる。
In addition, in the
上記した実施例の燃料電池10におけるスタック構造体11の固体電解質型燃料電池1では、セル板2及びセパレータ板3が互いにほぼ同一形状を成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、図7示すように、単セル6を取り付けるセル板2が円形凸状段差部23のみを有する形状を成し且つセパレータ板3が通常の約二倍の高さの環状段差部34を有する形状を成していてもよい。
In the solid
また、この実施例では、単セル6がドーナツ状を成す場合を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、図8(a)に示すように、接合時の作業性を考慮して、セル板2の中心部分と外周縁部との間のドーナツ状を成す領域に、円形状を成す複数個の単セル6Aを貼り付けることができる他、図8(b)に示すように、セル板2の円形凸状段差部23及び環状段差24にそれぞれ接合したプレス加工済の内側リング7及び外側リング8を径方向部材9で連結して成るフレームに扇形の単セル6Bを固定することも可能である。
Further, in this embodiment, the case where the
さらに、この実施例では、改質器40が直方体形状を成すマニホルダ部42を有していて、改質触媒を担持した改質流路41が、固体電解質型燃料電池ユニット1の積層方向に沿う管状を成している場合を示したが、他の構成として、例えば、図9に示すように、改質器40Aが断面三日月形状を成すマニホルダ部42Aを有していて、このマニホルダ部42A内においてスタック構造体11の外周縁部に沿うように配置した改質流路41Aが、固体電解質型燃料電池ユニット1の積層方向に沿う管状を成している場合であってもよいほか、図10に示すように、改質器40Bが直方体形状を成すマニホルダ部42Bを有していて、改質触媒を担持した改質流路41Bが、固体電解質型燃料電池ユニット1の積層方向に沿う平板状を成している場合であってもよい。
Further, in this embodiment, the
図11は、本発明の燃料電池の他の実施例を示している。図11に示すように、この燃料電池110は、先の実施例と同じ構成の固体電解質型燃料電池ユニット1を複数積層して成るスタック構造体11と、ガス導入部112a及びガス排出部112bを具備し且つスタック構造体11を収容した状態でガス導入部112aから空気を導入してガス排出部112bに流す円筒形状を成すケース112と、燃料ガスを改質する改質器140を備えている。
FIG. 11 shows another embodiment of the fuel cell of the present invention. As shown in FIG. 11, the
この実施例において、改質器140は、上記固体電解質型燃料電池ユニット1で用いるセパレータ板3,3同士を接合することで両者間に形成される改質流路141に改質触媒を担持させて成る平板型改質ユニット101を複数積層した構成を成しており、隣接する平板型改質ユニット101,101間を空気流路143としている。そして、これらの平板型改質ユニット101の改質触媒を担持した各改質流路141とスタック構造体11の複数の固体電解質型燃料電池ユニット1の積層方向とを互いに直交させるべく、改質器140及びスタック構造体11を互いに積層した状態でケース112に収容してある。
In this embodiment, the
この場合、ケース112は、改質器収容部112A及びスタック構造体収容部112Bに仕切ってあり、改質器140をケース112のガス排出部112b側である改質器収容部112Aに配置することで、スタック構造体11の複数の固体電解質型燃料電池ユニット1間を通過する空気の排気流Aiと改質器140の改質流路141を通過する燃料ガスFとの間で熱交換を行わせるようにしてある。
In this case, the
上記改質器140の製造にあたっては、互いに重なり合う平板型改質ユニット101,101の隣接するセパレータ板3,3間に、図12に示す熱交換フィン144(厚さ0.1mmのパンチングボードを波板状に折り曲げ加工したフィン)を介在させた状態で、セパレータ板3,3の各円形凸状段差部33,33同士をニッケルロウ付けにより接合すると共に両セパレータ板3,3の各外側面に熱交換フィン144を同じくニッケルロウ付けにより接合した後、改質触媒を担持した顆粒状又はペレット状の触媒担体を各々の改質流路141,141にそれぞれ詰めながら順次積層し、最終工程として、各環状段差34,34同士をレーザ溶接によって接合して袋綴じを行うようにしている。
When the
この際、セパレータ板3の各改質流路141側の面に、アルミナや、酸化マグネシウムや、ジルコニアなどの酸化被膜をコーティングすることで、炭素の析出を防ぐようにしている。また、互いに重なり合う平板型改質ユニット101,101間は、電気的に絶縁する必要がないので、導電性の接合材で接合したり、固体電解質型燃料電池ユニット1間に用いた接合材で接合したりすることができる。
At this time, the surface of the
上記改質器140は、平板型改質ユニット101を間隔1.5mmで20層(図11では3段に省略して示している)積層して成っていて、図13にも示すように、互いに積層した複数の平板型改質ユニット101及び複数の固体電解質型燃料電池ユニット1を上下からフランジ13,14で挟み込み、セル板2及びセパレータ板3の各ガス導入孔21,31の周囲に形成した複数のガス排出孔22,32に図示しない複数本のスタッドボルトをそれぞれ挿通して、燃料ガスの導入配管13aを具備した上側のフランジ13にスタッドボルトの一端部をねじ込むと共に、燃料ガスの排気配管14aを具備した下側のフランジ14から外部に突出するスタッドボルトの他端部に皿ばねを介してナットをねじ込むことにより、互いに積層した平板型改質ユニット101及び固体電解質型燃料電池ユニット1同士を締結するようにしている。
The
そして、この燃料電池110において、SUS430製の円筒形状を成すケース112のスタック構造体収容部112Bにスタック構造体11を収容すると共に、ケース112のガス排出部112b側である改質器収容部112Aの部分に改質器140を収容するようにしており、この際、空気Aiが通過するスタック構造体11の複数の固体電解質型燃料電池ユニット1間の総断面積よりも、空気Aiの排気流が通過する改質器140の空気流路143の流路総断面積を小さくすることにより、改質器140での圧力損失を大きくするようにしている。
In the
この燃料電池110において、図11及び図13に示すように、フランジ13の導入配管13aを通して改質器140における複数の平板型改質ユニット101の改質触媒を担持した各改質流路141に導入された燃料ガスFは、改質された後スタック構造体11の固体電解質型燃料電池ユニット1の各ガス導入孔21,31を通してセル板2及びセパレータ板3間に形成される各空間S内に導入され、上記空間S内を流れた後、各ガス排出孔22,32及びフランジ14の排気配管14aを通して排気される。
In this
一方、空気Aiは、ガス導入部112aからケース112内に導入されると、スタック構造体11の積層した固体電解質型燃料電池ユニット1間、すなわち、カソード側である層間に位置する集電体15を通過する。そして、固体電解質型燃料電池ユニット1間を流れて高温となった空気Aiの排気流は、スタック構造体収容部112Bからガス排出部112b側である改質器収容部112Aに流れ、改質器140における複数の平板型改質ユニット101間の空気流路143を通過することで、改質器140の改質流路141を流れる燃料ガスFに熱を供与した後、ガス排出部112bを通して排気される。
On the other hand, when the air Ai is introduced into the
上記したように、この実施例における燃料電池110においても、改質器140の改質流路141を通過する燃料ガスFと熱交換を行う空気Aiの排気流は、互いに混ざり合うことがないので、新らたに改質器140に導入される改質前の燃料ガスF又は改質後の燃料ガスFに対して、上記フランジ14の排気配管14aを通して排気される燃料ガスFの排気流中の未使用分を混合させて、再度スタック構造体11に導入し得ることとなる。
As described above, also in the
すなわち、未使用の燃料を含む燃料ガスFの排気流を運転状態に応じて有効に活用する、例えば、後段の燃料電池の起動や発電に利用したり、排気ガス浄化用バーナーに導入したりすることができるので、負荷の変動に対する制御性が良好なものとなって、燃料利用率を低下させることなく、運転を行い得ることとなる。 That is, the exhaust flow of the fuel gas F containing unused fuel is effectively utilized according to the operating state, for example, used for starting a fuel cell in the subsequent stage, generating electricity, or introducing it into an exhaust gas purification burner. Therefore, the controllability with respect to the fluctuation of the load becomes good, and the operation can be performed without reducing the fuel utilization rate.
また、上記した燃料電池110では、スタック構造体11の複数の固体電解質型燃料電池ユニット1の積層方向と、改質器140の改質流路141の方向とを互いに直交させているので、類似するユニットを互いに積層する構造を採用し得ることとなり、その結果、燃料組成や要求される改質度や発電出力などの諸条件に応じて、積層段数を自由に設計することができ、加えて、触媒反応管である改質器の改質ガス流路の設置パターンを制御することによって、固体電解質型燃料電池ユニット1間のガスの流れを均一化することができるので、発電効率が向上することとなる。
In the
図14は、本発明の燃料電池のさらに他の実施例を示している。図14に模式的に示すように、この燃料電池210は、スタック構造体211及び改質器240を備えていて、改質した燃料ガスFaとの間で熱交換を行う排気流として、スタック構造体211から排気される燃料ガスFbの排気流を用いるようにしており、この場合には、改質器240の熱が供与される部位に、結露水の回収機能を設置することができ、これにより、発電に伴って燃料ガスの排気流から生成される水をコンパクトな構造で回収し得ることとなる。
FIG. 14 shows still another embodiment of the fuel cell of the present invention. As schematically shown in FIG. 14, this
1 固体電解質型燃料電池ユニット
2 セル板
3 セパレータ板
6 単セル
10 燃料電池
11 スタック構造体
12,112 ケース
12a,112a ガス導入部
12b,112b ガス排出部
40,140,240 改質器
41,141 改質流路
DESCRIPTION OF
Claims (7)
単セルを保持していると共に上記改質器で改質した燃料ガス及び空気のうちの一方のガスの導入孔及び排出孔を有するセル板と、上記改質器で改質した燃料ガス及び空気のうちの一方のガスの導入孔及び排出孔を有し且つその外縁部をセル板の外縁部に接合させたセパレータ板を具備した固体電解質型燃料電池ユニットを複数積層して成り、導入孔から一方のガスを導入して各固体電解質型燃料電池ユニット内を通して排出孔から排気するスタック構造体と、
ガス導入部及びガス排出部を具備し且つスタック構造体を収容した状態でガス導入部から上記改質器で改質した燃料ガス及び空気のうちの他方のガスを導入して互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニット間を通してガス排出部に流すケースを備え、
上記スタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニット内を通過する一方のガスの排気流及びスタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニット間を通過する他方のガスの排気流のうちのいずれかの排気流中に改質器を位置させて、該排気流と改質器の改質流路を通過する燃料ガスとの間で熱交換を行わせることを特徴とする燃料電池。 A reformer having a reforming channel filled or supported with a catalyst for reforming fuel gas;
A cell plate holding a single cell and having an introduction hole and a discharge hole for one of the fuel gas and air reformed by the reformer, and the fuel gas and air reformed by the reformer A plurality of solid oxide fuel cell units each having a separator plate having an introduction hole and a discharge hole for one of the gas plates and having an outer edge joined to an outer edge of the cell plate. A stack structure that introduces one gas and exhausts it from the discharge hole through each solid oxide fuel cell unit;
A solid electrolyte type comprising a gas introduction part and a gas discharge part and introducing the other gas of the fuel gas and air reformed by the reformer from the gas introduction part while containing the stack structure and overlapping each other It has a case that flows to the gas discharge part through between the fuel cell units,
Either of the exhaust flow of one gas passing through the plurality of solid oxide fuel cell units of the stack structure and the exhaust flow of the other gas passing between the plurality of solid oxide fuel cell units of the stack structure A fuel cell, wherein a reformer is positioned in the exhaust flow, and heat exchange is performed between the exhaust flow and a fuel gas passing through a reforming passage of the reformer.
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013525948A (en) * | 2010-04-09 | 2013-06-20 | フラウンホーファー・ゲゼルシャフト・ツール・フェルデルング・デア・アンゲヴァンテン・フォルシュング・エー・ファウ | System having a high temperature fuel cell |
| JP2013254631A (en) * | 2012-06-06 | 2013-12-19 | Denso Corp | Fuel cell system |
| KR20140089900A (en) * | 2013-01-08 | 2014-07-16 | 에스케이이노베이션 주식회사 | Stack Module for Solid Oxide Fuel Cell |
| JP2019220391A (en) * | 2018-06-21 | 2019-12-26 | 東京瓦斯株式会社 | Fuel cell system and heat exchanger |
| CN114730894A (en) * | 2019-11-27 | 2022-07-08 | 株式会社电装 | Fuel cell module |
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Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013525948A (en) * | 2010-04-09 | 2013-06-20 | フラウンホーファー・ゲゼルシャフト・ツール・フェルデルング・デア・アンゲヴァンテン・フォルシュング・エー・ファウ | System having a high temperature fuel cell |
| US9005833B2 (en) | 2010-04-09 | 2015-04-14 | Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. | System having high-temperature fuel cells |
| JP2013254631A (en) * | 2012-06-06 | 2013-12-19 | Denso Corp | Fuel cell system |
| KR20140089900A (en) * | 2013-01-08 | 2014-07-16 | 에스케이이노베이션 주식회사 | Stack Module for Solid Oxide Fuel Cell |
| KR102093267B1 (en) * | 2013-01-08 | 2020-03-25 | 에스케이이노베이션 주식회사 | Stack Module for Solid Oxide Fuel Cell |
| JP2019220391A (en) * | 2018-06-21 | 2019-12-26 | 東京瓦斯株式会社 | Fuel cell system and heat exchanger |
| CN114730894A (en) * | 2019-11-27 | 2022-07-08 | 株式会社电装 | Fuel cell module |
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