JP3364069B2 - Solid oxide fuel cell module - Google Patents
Solid oxide fuel cell moduleInfo
- Publication number
- JP3364069B2 JP3364069B2 JP28172595A JP28172595A JP3364069B2 JP 3364069 B2 JP3364069 B2 JP 3364069B2 JP 28172595 A JP28172595 A JP 28172595A JP 28172595 A JP28172595 A JP 28172595A JP 3364069 B2 JP3364069 B2 JP 3364069B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel
- power generation
- fuel cell
- stack
- solid oxide
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は固体電解質型燃料電池モ
ジュールに関し、特に供給された炭化水素燃料の固体電
解質型燃料電池の発電に支障を生じない燃料ガスへの改
質を発電室内で行うようにした固体電解質型燃料電池モ
ジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】メタンを主成分とする天然ガス等の炭化
水素燃料と水蒸気を直接供給して、高温の固体電解質型
燃料電池の燃料極（Ｎｉ電極）でメタンの水蒸気改質反
応を生じさせ、固体電解質燃料電池の発電によって発生
する熱の一部をこの反応熱（吸熱）として利用する技術
を内部改質技術という。下記式はその反応式を示す。
【０００３】
ＣＨ4 ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2 −Ｑ …(1)
しかし、この内部改質技術は、固体電解質型燃料電池で
は、作動温度が約８００〜１０００℃と高く、燃料極で
カーボン発生するようにするため、性能低下が生じる。
このため、図１に示すように、燃料供給室中に水蒸気改
質触媒を設置し、モジュール内で固体電解質燃料電池ス
タックに天然ガスが供給される前に燃料供給室にてその
天然ガスを部分的に水蒸気改質し、一部燃料ガスにした
後、固体電解質燃料電池スタックに供給するようにし
て、前述の不具合を解消している。
【０００４】図中の符番１は、容器２に設けられた発電
室を示す。この発電室１には、内側に燃料極，外側に空
気極を配置した固体電解質燃料電池を複数直列に接続し
てなる円筒型の高温固体電解質燃料電池スタック３が配
置されている。前記発電室１の上方には、上部管板４，
下部管板５を用いて燃料供給室６，燃料排出室７が設け
られている。前記燃料供給室６内には水蒸気改質触媒８
が設置されている。なお、前記燃料供給室６及び燃料排
出室７を総称して燃料ヘッダ９と呼ぶ。前記燃料供給室
６からは上部管板４に支持された燃料供給管10が円筒型
スタック３の下端部まで伸びている。
【０００５】前記発電室１には、空気排出管11を介して
空気熱交換器12が接続されている。前記燃料供給室５に
は燃料導入管13が連通され、前記燃料排出室６には燃料
排出管14が連通されている。前記発電室１の下部には空
気導入管15が連通され、前記空気熱交換器11には空気排
出管16が連通されている。なお、図中の符番17は、固体
電解質燃料電池モジュール18の内部に配置された断熱材
である。また、ＳＡは供給空気、ＥＡは排空気、ＳＦは
燃料ガス、ＥＦは排燃料、ＮＧは炭化水素燃料（天然ガ
ス）、ＳＴは水蒸気である。なお、図１は、後述する図
２のシステムをコンパクト化し、モジュール内で発生し
た熱を利用して天然ガスの水蒸気改質を行なうものであ
る。
【０００６】また、従来、図２に示す固体電解質燃料電
池モジュール21が知られている。この技術では、固体電
解質燃料電池モジュールへ天然ガスを供給する前に上流
側に改質装置22を設け、ここで天然ガスを部分的に水蒸
気改質し、燃料ガスにした後、固体電解質燃料電池モジ
ュールへ供給するようにしている。
【０００７】更に、図３に示すように、燃料供給管10中
に水蒸気改質触媒31を入れておき、スタック３に天然ガ
スが供給される前に燃料供給管10中にてその天然ガスを
部分的に水蒸気改質し、一部燃料ガスにした後、スタッ
ク２に供給するようにして前述の不具合点を解消しよう
とした構成の固体電解質燃料電池モジュール32が知られ
ている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術によれば、以下に述べる問題点を有していた。図２で
示す固体電解質燃料電池モジュールに使用する燃料ガス
を得るためには、天然ガスの水蒸気改質反応に使用する
改質装置22を別体として外部に設置する必要がある他、
次のような不具合がある。
【０００９】(1) 天然ガスの水蒸気改質反応は吸熱反応
であり（上記式(1) ）、発電室１からの排空気ＥＡや燃
料排出室７からの排燃料ＥＦ又は燃料ガスＳＦの一部を
燃焼させるなどして改質装置22を加熱する必要があり、
このため、システムの効率が低下する。
【００１０】(2) 発電室１の温度は９００〜１０００℃
であり、スタック３及び燃料供給管10を支持する，下部
管板５，上部管板４の温度が高温となるため、厚肉化や
高級材料の使用が必要となる。
【００１１】一方、図１で示される技術では、水蒸気改
質触媒８を燃料供給室６内に設置するため、発電室１か
ら燃料排出室７を経て燃料供給室６に放熱される発熱分
の一部が天然ガスの水蒸気改質反応の吸熱分として使用
されている。このため、燃料ヘッダ９内の温度，つまり
上部管板４，下部管板５の温度が下がり、上記(1) ，
(2) の問題点については改善される。しかし、この技術
では、燃料ヘッダ９の温度を直接下げるため、発電室１
内で上部付近の温度まで下がってしまい、軸方向で温度
分布がつき、このことで燃料電池スタック３の性能が低
下する。このことは、図５の温度−発電室内軸方向の特
性図から明らかである。また、図１では、天然ガス改質
用の水蒸気をボイラ等により作って供給する必要があ
る。
【００１２】更に、図３で示される技術では、固体電解
質型燃料電池スタックに使用する燃料ガスを得るために
は天然ガスの水蒸気改質反応に使用する水蒸気改質触媒
31を燃料供給管10の内側に入れるため、スタックでの発
電反応により発生したＨ2 Ｏを利用することができず、
固体電解質型燃料電池モジュールとは別体で水蒸気改質
反応用の水蒸気（Ｈ2 Ｏ）を供給するためのボイラが必
要となる。
【００１３】Ｈ2 ＋１／２Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ（スタックでの
反応（発電））
ＣＨ4 ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2 （メタンの水蒸気改質反
応）
また、図１の技術よりも、図３の技術の方がよりスタッ
クに近い所で水蒸気改質反応を起こさせることができ、
スタックでの発電による発熱を利用するという点では、
温度分布がつきにくい方向に改善されているものの、燃
料供給管内面で極端にガス流速が早いため熱が伝わりに
くい。更に、組立上あるいは施工上燃料供給管10の内側
に水蒸気改質触媒を入れるのは困難であり、スタックへ
の燃料供給上悪影響を及ぼす可能性がある。
【００１４】この発明はこうした事情を考慮してなされ
たもので、発電室内の上部付近の極端な温度低下を無く
し、発電室の軸方向温度分布を小さくしてスタックの性
能を向上を成しえる固体電解質型燃料電池モジュールを
提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】この発明は、メタンを主
成分とするガス、高次の炭化水素ガス及びアルコール類
を燃料とする固体電解質型燃料電池モジュールにおい
て、この燃料を水蒸気と反応させて水素と一酸化炭素に
改質する水蒸気改質触媒を発電室内の燃料供給管の外表
面に形成することにより、燃料電池スタックの発電によ
る発熱と水蒸気を改質反応に利用することを特徴とする
固体電解質型燃料電池モジュールである。ここで、メタ
ンを主成分とするガスとは、例えば天然ガスを意味す
る。また、高次の炭化水素ガスとは、例えばエタン，ブ
タンを意味する。更に、アルコール類とは例えばメタノ
ールを意味する。
【００１６】この発明においては、上述した手段によ
り、発電室内のスタックの内部で水蒸気改質反応が起こ
り、供給された炭化水素燃料が水蒸気と反応し、一部、
水素と一酸化炭素に変化した燃料ガスに改質される。こ
のときの反応は吸熱反応であり、反応熱は発電室内のス
タックの発電による発熱分で賄われる。
【００１７】これにより、発電室内の温度分布及び温度
上昇を抑えることができ、ひいては燃料ヘッダ部の上部
管板，下部管板の高温化も防止できる。つまり、スタッ
クの性能は維持しつつ、管板の厚肉化，もしくは高級材
料の使用が不必要となることで、軽量化及び低コスト化
も達成できる。また、発生熱を有効に利用する点では、
図２の従来技術に対して熱効率の改善もでき、システム
効率向上の面でも有効である。更に、スタックでの発電
による発熱をスタックに非常に近い所で水蒸気改質反応
に利用できる。ガス流速が流路が広い分熱を得やすい。
さらには、燃料供給管外面へのコーティングは施工容器
であり、スタックへの燃料供給を阻害する恐れもない。
【００１８】この発明によれば、図１の技術では、天然
ガス改質用の水蒸気をボイラなどにより作って供給する
必要があるのに対して、スタックで発電によりできる水
蒸気（Ｈ2 Ｏ）を改質反応にしようすることができるた
め、その分効率的なシステムとなる。
Ｈ2 ＋１／２Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ（スタックでの反応（発
電））
ＣＨ4 ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2 （メタンの水蒸気改質反
応）
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施例を図４
を参照して説明する。図中の符番40は、容器41に設けら
れた発電室を示す。この発電室40には、内側に燃料極
（−極），外側に空気極（＋極）を配置した固体電解質
燃料電池を複数直列に接続してなる円筒型のスタック42
が鉛直状態に配置されている。このスタック42の下端は
閉鎖され、前記発電室40とは遮断されている。前記発電
室40の上方には、上部管板43，下部管板44を用いて前記
容器41が仕切られ、燃料供給室45，燃料排出室46となっ
ている。ここで、前記燃料供給室45及び燃料排出室46を
総称して燃料ヘッダ47と呼ぶ。前記燃料供給室45からは
上部管板43に支持され、両端が開放された燃料供給管48
が前記スタック42内部の軸心部に設置され、スタック42
の下端部まで伸びている。この燃料供給管48の外表面に
は、水蒸気改質触媒（例えば、Ｎｉ，Ｐｔ，Ｒｕ，Ｐｒ
等）49がコーティングされている。
【００２０】前記発電室40の底部には、該発電室40の下
方を区画する輻射変換体50が設けられている。また、前
記発電室40の下部には、輻射変換体50を突き抜けように
設けられた空気排出管51を介して空気熱交換器52が接続
されている。前記燃料供給室45には燃料導入管53が連通
され、前記燃料排出室54には燃料排出管53が連通されて
いる。前記発電室40の下部には空気導入管55が連通さ
れ、前記空気熱交換器52には空気排出管56が連通されて
いる。なお、図中の符番57は、固体電解質燃料電池モジ
ュール58の内部に配置された断熱材である。また、ＳＡ
は供給空気、ＥＡは排空気、ＳＦは燃料ガス、ＥＦは排
燃料、ＮＧは炭化水素燃料（天然ガス）、ＳＴは水蒸気
である。
【００２１】こうした構成の固体電解質型燃料電池モジ
ュールにおける作用は、次の通りである。即ち、外部か
らの天然ガスＮＧ（と必要に応じて若干の水蒸気）は、
燃料導入管53を通じて発電室40の上部に設置された燃料
供給室45に供給される。又、燃料供給室45に導入された
天然ガスＮＧは、燃料供給管48の内部を通してスタック
42の下端まで導かれ、ここでリターンフローとなってス
タック42の内部を燃料排出室46へ向って流れていく間に
燃料供給管48の外表面にコーティングされた水蒸気改質
触媒49により水蒸気（Ｈ2 Ｏ）と反応して、主成分であ
るメタンの一部が水素と一酸化炭素の燃料ガスに分解さ
れ、改質されながらスタックの発電に使用される。スタ
ックによる発電を示す式は次の通りである。
【００２２】Ｈ2 ＋１／２Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
ＣＯ＋１／２Ｏ2 →ＣＯ2
このとき、スタック42の発電により発生する水蒸気と発
熱分、逐次スタック42内に導入された天然ガスＮＧ中の
主成分であるメタン（ＣＨ4 ）の水蒸気改質（吸熱反
応）に使用される。
【００２３】ＣＨ4 ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2 −Ｑ
その後、スタック42の発電反応に使用されたガスは、ス
タック42の上端が開口した燃料排出室46へ集められ、燃
料排出室46中央の上端に連結された燃料排出管53より排
燃料ＥＦとして外部へ排出される。
【００２４】一方、供給空気ＳＡは、発電室40の下部に
設置された空気熱交換器51により空気排出管50で発電室
40から導入された排空気ＥＡとの間で再生熱交換を行
い、予熱された後、発電室40の下方を区画する輻射変換
体50を通過して、さらに加熱されて発電室40内に供給さ
れ、発電に使用される。
【００２５】発電反応により９００〜１０００℃に加熱
された排空気ＥＡは空気排出管51を通して空気熱交換器
52に送られ、前述の通り供給空気ＳＡと熱交換した後、
空気排出管56で外部へ排気される。発電室40内は９００
〜１０００℃の高温に保つ必要があり、発電室40全体は
断熱材57により保温される。
【００２６】なお、燃料ヘッダ47の下部管板44は、固体
電解質燃料電池スタック42を支持すると同時に排燃料Ｓ
Ｅと発電室40内の供給空気ＳＡ，もしくは排空気ＥＡが
混合燃焼するのを防止している。また、上部管板45は燃
料供給管48を支持すると共に燃料供給室45と燃料排出室
46との隔壁となっている。
【００２７】このような固体電解質型燃料電池モジュー
ル58において、発電において発生する発電分と水蒸気を
利用して天然ガスＮＧを部分改質してスタック42の燃料
極（−極）において、カーボンを析出することなく内部
改質発電を行わせることができる。
【００２８】上記実施例に係る固体電解質型燃料電池モ
ジュールによれば、次の効果が得られる。
(1) 高温の固体電解質型燃料電池モジュール58の発電室
40内に水蒸気改質触媒49が設置されているため、メタン
を主成分とする天然ガスなどの炭化水素燃料を固体電解
質燃料電池の燃料ガスに改質するため別体で設置される
改質装置の設置が不要となる。また、発電室40での発生
熱（スタックでの発熱）を利用して水蒸気改質反応を起
こすことが可能で、改質用の燃料や排燃料の燃焼ガスに
よる加熱が不要であり、システムを熱効率を向上でき
る。
【００２９】(2) 水蒸気改質反応の吸熱により、若干燃
料ヘッダ部の温度を下げることができ、高温時におい
て、管板強度維持に必要であった肉厚が低減でき、ある
いは材料の低級化を図ることができる。
【００３０】(3) 発電室40内のスタック42での発電によ
り発生する水蒸気を改質反応に使用することができ、外
部から水蒸気を投入する必要がなくなるか、あるいは投
入水蒸気量を極端に少なくすることができ、ボイラなど
による水蒸気発生の系統をなくせるか、極端に小形化す
ることができ、システムとしてコンパクト化とシステム
効率の向上が図れる。
【００３１】
【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
発電室内の上部付近の極端な温度低下を無くし、発電室
の軸方向温度分布を小さくしてスタックの性能を向上を
成しえる固体電解質型燃料電池モジュールを提供でき
る。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid oxide fuel cell module and, more particularly, to a fuel gas which does not hinder power generation of a solid oxide fuel cell using a supplied hydrocarbon fuel. The present invention relates to a solid oxide fuel cell module in which reforming into a fuel cell is performed in a power generation chamber. 2. Description of the Related Art Steam reforming reaction of methane at a fuel electrode (Ni electrode) of a high-temperature solid oxide fuel cell by directly supplying hydrocarbon fuel such as natural gas containing methane as a main component and steam. Is called internal reforming technology in which a part of the heat generated by the power generation of the solid oxide fuel cell is used as the heat of reaction (endothermic). The following formula shows the reaction formula. CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 -Q (1) However, this internal reforming technology has a high operating temperature of about 800 to 1000 ° C. in a solid oxide fuel cell and generates carbon at the fuel electrode. As a result, performance degradation occurs.
For this reason, as shown in FIG. 1, a steam reforming catalyst is installed in the fuel supply chamber, and the natural gas is partially separated in the fuel supply chamber before the natural gas is supplied to the solid oxide fuel cell stack in the module. The above-mentioned problem is solved by performing steam reforming to partially convert the fuel gas into a fuel gas and then supplying the fuel gas to the solid electrolyte fuel cell stack. [0004] Reference numeral 1 in the figure denotes a power generation chamber provided in the container 2. In the power generation chamber 1, there is disposed a cylindrical high-temperature solid electrolyte fuel cell stack 3 in which a plurality of solid electrolyte fuel cells having a fuel electrode inside and an air electrode outside are connected in series. Above the power generating chamber 1, an upper tube sheet 4,
A fuel supply chamber 6 and a fuel discharge chamber 7 are provided using the lower tube sheet 5. In the fuel supply chamber 6, a steam reforming catalyst 8 is provided.
Is installed. The fuel supply chamber 6 and the fuel discharge chamber 7 are collectively called a fuel header 9. A fuel supply pipe 10 supported by the upper tube sheet 4 extends from the fuel supply chamber 6 to the lower end of the cylindrical stack 3. [0005] An air heat exchanger 12 is connected to the power generation chamber 1 through an air discharge pipe 11. A fuel introduction pipe 13 is connected to the fuel supply chamber 5, and a fuel discharge pipe 14 is connected to the fuel discharge chamber 6. An air introduction pipe 15 is connected to a lower portion of the power generation chamber 1, and an air discharge pipe 16 is connected to the air heat exchanger 11. Reference numeral 17 in the drawing is a heat insulating material disposed inside the solid oxide fuel cell module 18. SA is supply air, EA is exhaust air, SF is fuel gas, EF is exhaust fuel, NG is hydrocarbon fuel (natural gas), and ST is steam. FIG. 1 shows a system in which the system of FIG. 2 described later is made compact, and steam reforming of natural gas is performed using heat generated in the module. Conventionally, a solid oxide fuel cell module 21 shown in FIG. 2 is known. In this technology, a reforming device 22 is provided upstream before supplying natural gas to a solid oxide fuel cell module, in which natural gas is partially steam-reformed and converted into a fuel gas, and then the solid oxide fuel cell is Supply to module. Further, as shown in FIG. 3, a steam reforming catalyst 31 is placed in the fuel supply pipe 10, and the natural gas is supplied into the fuel supply pipe 10 before the natural gas is supplied to the stack 3. There is known a solid electrolyte fuel cell module 32 having a configuration in which the above-mentioned disadvantages are solved by partially steam reforming and partially converting the fuel gas to the fuel gas and then supplying the fuel gas to the stack 2. [0008] However, the prior art has the following problems. In order to obtain the fuel gas used in the solid oxide fuel cell module shown in FIG. 2, it is necessary to separately install a reforming device 22 used for the steam reforming reaction of natural gas outside,
There are the following problems. (1) The steam reforming reaction of natural gas is an endothermic reaction (Equation (1) above), and one of the exhaust air EA from the power generation chamber 1 and the fuel EF or fuel gas SF from the fuel discharge chamber 7 is discharged. It is necessary to heat the reformer 22 by burning parts,
This reduces the efficiency of the system. (2) The temperature of the power generation chamber 1 is 900 to 1000 ° C.
Since the temperature of the lower tube sheet 5 and the upper tube sheet 4 supporting the stack 3 and the fuel supply pipe 10 becomes high, it is necessary to increase the thickness and use a high-grade material. On the other hand, according to the technique shown in FIG. 1, since the steam reforming catalyst 8 is installed in the fuel supply chamber 6, the heat generated from the power generation chamber 1 through the fuel discharge chamber 7 to the fuel supply chamber 6 is released. Some are used as endotherms in the steam reforming reaction of natural gas. For this reason, the temperature in the fuel header 9, that is, the temperature of the upper tube sheet 4 and the lower tube sheet 5 decreases, and the above (1),
Problem (2) will be improved. However, in this technique, since the temperature of the fuel header 9 is directly lowered, the power generation chamber 1
In this case, the temperature of the fuel cell stack 3 is lowered to a temperature near the upper portion, and a temperature distribution is formed in the axial direction. This is clear from the characteristic diagram of the temperature versus the axial direction of the power generation chamber in FIG. In FIG. 1, it is necessary to produce and supply steam for natural gas reforming using a boiler or the like. Further, in the technique shown in FIG. 3, in order to obtain a fuel gas used for a solid oxide fuel cell stack, a steam reforming catalyst used for a steam reforming reaction of natural gas is used.
Since 31 is placed inside the fuel supply pipe 10, H 2 O generated by the power generation reaction in the stack cannot be used,
A boiler for supplying steam (H 2 O) for a steam reforming reaction is required separately from the solid oxide fuel cell module. H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O (reaction in stack (power generation)) CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (steam reforming reaction of methane) The technology allows the steam reforming reaction to take place closer to the stack,
In terms of utilizing the heat generated by power generation in the stack,
Although the temperature distribution is improved in a direction in which the temperature distribution is difficult to be obtained, heat is not easily transmitted because the gas flow velocity is extremely high inside the fuel supply pipe. Furthermore, it is difficult to put the steam reforming catalyst inside the fuel supply pipe 10 during assembly or construction, and there is a possibility that fuel supply to the stack may be adversely affected. The present invention has been made in view of such circumstances, and it is possible to improve the performance of a stack by eliminating an extreme temperature drop near the upper portion of a power generation chamber and reducing the axial temperature distribution of the power generation chamber. An object is to provide a solid oxide fuel cell module. According to the present invention, methane is mainly used.
In a solid oxide fuel cell module using fuel as a component gas, higher hydrocarbon gas and alcohols, steam reforming in which this fuel is reacted with steam to reform hydrogen and carbon monoxide A solid oxide fuel cell module characterized in that a catalyst is formed on an outer surface of a fuel supply pipe in a power generation chamber, so that heat generated by power generation of a fuel cell stack and steam are used for a reforming reaction. Where meta
The gas mainly composed of natural gas means, for example, natural gas.
You. Higher order hydrocarbon gases include, for example, ethane,
Means tongue. Further, alcohols include, for example, methano
Means In the present invention, a steam reforming reaction takes place inside the stack in the power generation chamber by the above-described means, and the supplied hydrocarbon fuel reacts with steam to partially
The fuel gas is reformed into hydrogen and carbon monoxide. The reaction at this time is an endothermic reaction, and the reaction heat is covered by heat generated by power generation of the stack in the power generation chamber. As a result, the temperature distribution and temperature rise in the power generation chamber can be suppressed, and the upper tube sheet and the lower tube sheet of the fuel header can be prevented from becoming hot. That is, while maintaining the performance of the stack, it is not necessary to increase the thickness of the tube sheet or use a high-grade material, so that it is possible to achieve weight reduction and cost reduction. In addition, in terms of utilizing the generated heat effectively,
The thermal efficiency can be improved as compared with the prior art shown in FIG. 2, and this is also effective in improving the system efficiency. Further, heat generated by power generation in the stack can be used for a steam reforming reaction very close to the stack. It is easy to obtain heat because the gas flow velocity is wide and the flow path is wide.
Further, the coating on the outer surface of the fuel supply pipe is a construction container, and there is no possibility that the fuel supply to the stack is obstructed. According to the present invention, in the technique of FIG. 1, steam for natural gas reforming must be produced and supplied by a boiler or the like, whereas steam (H 2 O) generated by power generation in a stack is produced. Since a reforming reaction can be used, the system becomes more efficient. H 2 + ／ O 2 → H 2 O (reaction in stack (power generation)) CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (steam reforming reaction of methane) DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION FIG. 4 shows one embodiment.
This will be described with reference to FIG. Reference numeral 40 in the figure indicates a power generation chamber provided in the container 41. The power generation chamber 40 has a cylindrical stack 42 in which a plurality of solid electrolyte fuel cells having a fuel electrode (−) inside and an air electrode (+) outside are connected in series.
Are arranged vertically. The lower end of the stack 42 is closed and is isolated from the power generation chamber 40. Above the power generation chamber 40, the container 41 is partitioned using an upper tube sheet 43 and a lower tube sheet 44, and a fuel supply chamber 45 and a fuel discharge chamber 46 are formed. Here, the fuel supply chamber 45 and the fuel discharge chamber 46 are collectively referred to as a fuel header 47. A fuel supply pipe 48 supported by the upper tube plate 43 from the fuel supply chamber 45 and having both ends opened.
Is installed at the axis inside the stack 42, and the stack 42
Extends to the lower end. On the outer surface of the fuel supply pipe 48, a steam reforming catalyst (for example, Ni, Pt, Ru, Pr)
Etc.) 49 are coated. At the bottom of the power generation chamber 40, there is provided a radiation converter 50 which partitions the lower part of the power generation chamber 40. An air heat exchanger 52 is connected to a lower portion of the power generation chamber 40 via an air discharge pipe 51 provided so as to penetrate the radiation conversion body 50. A fuel introduction pipe 53 is connected to the fuel supply chamber 45, and a fuel discharge pipe 53 is connected to the fuel discharge chamber. An air introduction pipe 55 is connected to a lower portion of the power generation chamber 40, and an air discharge pipe 56 is connected to the air heat exchanger 52. Reference numeral 57 in the drawing is a heat insulating material disposed inside the solid oxide fuel cell module 58. Also, SA
Is supply air, EA is exhaust air, SF is fuel gas, EF is exhaust fuel, NG is hydrocarbon fuel (natural gas), and ST is steam. The operation of the solid oxide fuel cell module having such a configuration is as follows. That is, the natural gas NG from the outside (and a little water vapor as needed)
The fuel is supplied to a fuel supply chamber 45 installed above the power generation chamber 40 through a fuel introduction pipe 53. The natural gas NG introduced into the fuel supply chamber 45 passes through the fuel supply pipe 48 and is stacked.
The fuel gas is guided to the lower end of the fuel supply pipe, where it is returned as a return flow. By reacting with H 2 O), part of methane as a main component is decomposed into fuel gas of hydrogen and carbon monoxide, and used for power generation of the stack while being reformed. The equation showing the power generation by the stack is as follows. H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O CO + 1 / 2O 2 → CO 2 At this time, the steam and heat generated by the power generation of the stack 42 and the main components in the natural gas NG introduced into the stack 42 successively Used for steam reforming (endothermic reaction) of methane (CH 4 ). CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 -Q Thereafter, the gas used for the power generation reaction of the stack 42 is collected in a fuel discharge chamber 46 in which the upper end of the stack 42 is opened. The fuel is discharged from the connected fuel discharge pipe 53 to the outside as discharged fuel EF. On the other hand, the supply air SA is supplied to an air discharge pipe 50 by an air heat exchanger 51 installed at a lower part of the power generation chamber 40 and the power supply chamber SA.
After performing regenerative heat exchange with the exhaust air EA introduced from 40 and preheated, it passes through the radiant converter 50 that partitions the lower part of the power generation chamber 40, and is further heated and supplied into the power generation chamber 40. And used for power generation. The exhaust air EA heated to 900 to 1000 ° C. by the power generation reaction passes through an air exhaust pipe 51 to an air heat exchanger.
52, and after heat exchange with the supply air SA as described above,
The air is exhausted to the outside by the air discharge pipe 56. 900 inside the power generation room 40
It is necessary to keep the temperature at a high temperature of １０００1000 ° C. The lower tube sheet 44 of the fuel header 47 supports the solid electrolyte fuel cell stack 42 and simultaneously
E and the supply air SA or the exhaust air EA in the power generation chamber 40 are prevented from being mixedly burned. Further, the upper tube sheet 45 supports the fuel supply pipe 48, and the fuel supply chamber 45 and the fuel discharge chamber.
It is a partition wall with 46. In such a solid oxide fuel cell module 58, natural gas NG is partially reformed by utilizing the power generated in the power generation and steam to deposit carbon on the fuel electrode (-pole) of the stack 42. Internal reforming power generation can be performed without performing. According to the solid oxide fuel cell module according to the above embodiment, the following effects can be obtained. (1) Power generation room of high temperature solid oxide fuel cell module 58
Since a steam reforming catalyst 49 is installed in 40, a reforming device is separately installed to reform hydrocarbon fuel such as natural gas mainly composed of methane into fuel gas of a solid oxide fuel cell. No need to install. In addition, it is possible to generate a steam reforming reaction by using the heat generated in the power generation chamber 40 (heat generated in the stack), and it is not necessary to heat the fuel for the reforming or the combustion gas of the exhaust fuel, thereby reducing the system. Thermal efficiency can be improved. (2) The temperature of the fuel header part can be slightly lowered by the endothermic heat of the steam reforming reaction. At high temperatures, the wall thickness required for maintaining the tube sheet strength can be reduced or the material can be reduced Can be achieved. (3) The steam generated by the power generation in the stack 42 in the power generation chamber 40 can be used for the reforming reaction, so that there is no need to input steam from outside, or the amount of input steam is extremely small. The system for generating steam by a boiler or the like can be eliminated or extremely miniaturized, so that the system can be made compact and the system efficiency can be improved. As described in detail above, according to the present invention,
It is possible to provide a solid oxide fuel cell module capable of improving the performance of a stack by eliminating an extreme temperature drop near the upper part of the power generation chamber and reducing the axial temperature distribution of the power generation chamber.
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の固体電解質型燃料電池モジュールの説明
図。
【図２】従来のその他の固体電解質型燃料電池モジュー
ルの説明図。
【図３】従来のその他の固体電解質型燃料電池モジュー
ルの説明図。
【図４】この発明の一実施例に係る固体電解質型燃料電
池モジュールの説明図。
【図５】従来の固体電解質型燃料電池モジュールに係る
温度−発電室内軸方向の特性図。
【符号の説明】
40…発電室、 41…容器、42…スタック、
43…上部管板、44…下部管板、 45
…燃料供給室、46…燃料排出室、 47…燃料ヘッ
ダ、48…燃料供給管、 49…水蒸気改質触媒、50
…輻射変換体、 51…空気排出管、52…空気熱交
換器、 53…燃料供給管、54…燃料排出管、
55…空気導入管、56…空気排出管。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an explanatory view of a conventional solid oxide fuel cell module. FIG. 2 is an explanatory diagram of another conventional solid oxide fuel cell module. FIG. 3 is an explanatory view of another conventional solid oxide fuel cell module. FIG. 4 is an explanatory view of a solid oxide fuel cell module according to one embodiment of the present invention. FIG. 5 is a characteristic diagram of a conventional solid oxide fuel cell module in a temperature-axial direction in a power generation room. [Explanation of symbols] 40: power generation room, 41: container, 42: stack,
43 ... Upper tube sheet, 44 ... Lower tube sheet, 45
... Fuel supply chamber, 46 ... Fuel discharge chamber, 47 ... Fuel header, 48 ... Fuel supply pipe, 49 ... Steam reforming catalyst, 50
... radiation converter, 51 ... air discharge pipe, 52 ... air heat exchanger, 53 ... fuel supply pipe, 54 ... fuel discharge pipe,
55 ... air introduction pipe, 56 ... air discharge pipe.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山下 晃弘 長崎県長崎市深堀町５丁目717番１号 三菱重工業株式会社長崎研究所内 (56)参考文献 特開 平３−62460（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/04 H01M 8/06 H01M 8/12 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Akihiro Yamashita 5-717-1 Fukahori-cho, Nagasaki-shi, Nagasaki Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Nagasaki Research Laboratory (56) References JP-A-3-62460 (JP, A) ( 58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01M 8/04 H01M 8/06 H01M 8/12
Claims (1)
水素ガス及びアルコール類を燃料とする固体電解質型燃
料電池モジュールにおいて、 この燃料を水蒸気と反応させて水素と一酸化炭素に改質
する水蒸気改質触媒を発電室内の燃料供給管の外表面に
形成することにより、燃料電池スタックの発電による発
熱と水蒸気を改質反応に利用することを特徴とする固体
電解質型燃料電池モジュール。(57) [Claims 1] Gas containing methane as a main component, higher order carbonization
In a solid oxide fuel cell module using hydrogen gas and alcohol as a fuel, a steam reforming catalyst for reacting this fuel with steam to reform hydrogen and carbon monoxide is provided on the outer surface of a fuel supply pipe in a power generation chamber.
By forming a solid electrolyte fuel cell module which is characterized by utilizing the heat generation and steam by the power generation of the fuel cell stack to the reforming reaction.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28172595A JP3364069B2 (en) | 1995-10-30 | 1995-10-30 | Solid oxide fuel cell module |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28172595A JP3364069B2 (en) | 1995-10-30 | 1995-10-30 | Solid oxide fuel cell module |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09129256A JPH09129256A (en) | 1997-05-16 |
| JP3364069B2 true JP3364069B2 (en) | 2003-01-08 |
Family
ID=17643118
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28172595A Expired - Fee Related JP3364069B2 (en) | 1995-10-30 | 1995-10-30 | Solid oxide fuel cell module |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3364069B2 (en) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007227390A (en) * | 2000-12-28 | 2007-09-06 | Mitsubishi Materials Corp | Hybrid power system |
| JP2002280050A (en) * | 2001-03-21 | 2002-09-27 | Toto Ltd | Fuel cell power generating device |
| JP2003086226A (en) * | 2001-09-12 | 2003-03-20 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Fuel cell system |
| JP4645876B2 (en) * | 2002-04-26 | 2011-03-09 | 日産自動車株式会社 | Solid oxide fuel cell |
| JP5312008B2 (en) * | 2003-02-25 | 2013-10-09 | 京セラ株式会社 | Fuel cell |
| GB0317575D0 (en) | 2003-07-26 | 2003-08-27 | Rolls Royce Fuel Cell Systems | A reformer module |
| JP4942292B2 (en) * | 2004-10-15 | 2012-05-30 | 東京瓦斯株式会社 | Power generator |
| US8309272B2 (en) | 2006-03-23 | 2012-11-13 | Tokyo Institute Of Technology | Solid oxide cell |
| JP2012174543A (en) * | 2011-02-22 | 2012-09-10 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Solid oxide fuel cell and temperature distribution adjustment method of solid oxide fuel cell using the same |
| KR102701091B1 (en) * | 2018-03-30 | 2024-08-29 | 오사까 가스 가부시키가이샤 | Fuel cell single cell unit, fuel cell module and fuel cell device |
| WO2024190513A1 (en) | 2023-03-10 | 2024-09-19 | 国立大学法人東京工業大学 | Carbon-air secondary battery |
-
1995
- 1995-10-30 JP JP28172595A patent/JP3364069B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09129256A (en) | 1997-05-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4374184A (en) | Fuel cell generator and method of operating same | |
| EP0600621B1 (en) | A combined reformer and shift reactor | |
| CA1292508C (en) | Fuel feed arrangement for a fuel cell generator | |
| US4946667A (en) | Method of steam reforming methanol to hydrogen | |
| US20050089731A1 (en) | Solid oxide fuel cell system | |
| JP3364069B2 (en) | Solid oxide fuel cell module | |
| JPS61285675A (en) | Fuel battery integragted with steam modifier | |
| JPH10167701A (en) | Reformer | |
| CN100542948C (en) | Hydrogen generator with dual burners and method of operation thereof | |
| JP4956946B2 (en) | Fuel cell | |
| CA2521702C (en) | Fuel reforming apparatus and method for starting said fuel reforming apparatus | |
| JP4326078B2 (en) | Solid oxide fuel cell module | |
| JPH06325783A (en) | Internal reforming type fused carbonate type fuel cell system | |
| JP2572251B2 (en) | Fuel reformer | |
| JPH1012258A (en) | Internal reforming type solid electrolyte fuel cell module | |
| JPH08287937A (en) | Solid electrolyte fuel cell module | |
| WO2007077791A1 (en) | Indirect internal reforming solid oxide fuel cell | |
| JPH0797503B2 (en) | Molten carbonate fuel cell power generator | |
| JP3458366B2 (en) | Catalytic combustion heat exchange reformer | |
| JP3763092B2 (en) | Hydrogen production equipment for fuel cells | |
| JP2002050386A (en) | Hydrogen producing device for fuel cell | |
| KR20120034943A (en) | Refoaming apparatus integrated with a humidifier and a heat exchanger, and refoaming method thereof | |
| JPH02111601A (en) | fuel cell fuel reformer | |
| JPH06104000A (en) | Fuel cell power generator | |
| JPH01320201A (en) | Fuel reformer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20020917 |
|
| S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313114 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20071025 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081025 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081025 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091025 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101025 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111025 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111025 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121025 Year of fee payment: 10 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121025 Year of fee payment: 10 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131025 Year of fee payment: 11 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |