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JP4849201B2 - Solid oxide fuel cell - Google Patents
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Description

本発明は固体酸化物形燃料電池の排ガス排気構造に関するものである。   The present invention relates to an exhaust gas exhaust structure of a solid oxide fuel cell.

上記固体酸化物形燃料電池は、第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでおり、現在、円筒型、モノリス型、および平板積層型の3種類が知られている。これら固体酸化物形燃料電池は、何れも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質層を両側から空気極層(カソード)と燃料極層(アノード)で挟み込んだ積層構造を有し、この積層体から成る発電セルとセパレータを交互に複数積層してタック化し、この燃料電池スタックをハウジング内に収納することによりモジュール化したものである。   The solid oxide fuel cell has been developed as a third generation fuel cell for power generation, and three types are currently known: a cylindrical type, a monolith type, and a flat plate type. Each of these solid oxide fuel cells has a laminated structure in which a solid electrolyte layer made of an oxide ion conductor is sandwiched between an air electrode layer (cathode) and a fuel electrode layer (anode) from both sides. A plurality of power generation cells and separators are alternately stacked to form a tack, and the fuel cell stack is housed in a housing to be modularized.

固体酸化物形燃料電池では、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガス(酸素) が供給され、燃料極層側に燃料ガス (H2、CO、CH4等) が供給される。空気極層と燃料極層は、反応用ガスが固体電解質層との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされている。 In a solid oxide fuel cell, an oxidant gas (oxygen) is supplied to the air electrode layer side as a reaction gas, and a fuel gas (H 2 , CO, CH 4, etc.) is supplied to the fuel electrode layer side. The air electrode layer and the fuel electrode layer are both porous layers so that the reaction gas can reach the interface with the solid electrolyte layer.

発電セル内において、空気極層側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン(O2-)にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物(H2O、CO2等)を生じ、燃料極層に電子を放出する。
このような電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。
In the power generation cell, oxygen supplied to the air electrode layer passes through the pores in the air electrode layer and reaches the vicinity of the interface with the solid electrolyte layer. It is ionized to (O 2− ). The oxide ions diffuse and move in the solid electrolyte layer toward the fuel electrode layer. Oxide ions that have reached the vicinity of the interface with the fuel electrode layer react with the fuel gas at this portion to generate reaction products (H 2 O, CO 2, etc.), and discharge electrons to the fuel electrode layer.
Electrons generated by such an electrode reaction can be taken out as an electromotive force at an external load of another route.

燃料に水素を用いた場合の電極反応は次のようになる。
空気極: 1/2 O2 + 2e- → O2-
燃料極: H2 + O2- → H2 O+2e-
全体 : H2 + 1/2 O2 → H2
The electrode reaction when hydrogen is used as the fuel is as follows.
Air electrode: 1/2 O 2 + 2e → O 2−
Fuel electrode: H 2 + O 2− → H 2 O + 2e
Overall: H 2 +1/2 O 2 → H 2 O

ところで、固体酸化物形燃料電池では、発電セルの電気化学反応が約650〜1000℃の高温酸化性雰囲気中で行われることがら、起動時の電池反応を活性化するため、反応用ガスとして外部より供給される酸素(空気)、燃料ガス、改質用の水蒸気等を予め必要温度に予熱しておく必要がある。   By the way, in the solid oxide fuel cell, the electrochemical reaction of the power generation cell is performed in a high-temperature oxidizing atmosphere at about 650 to 1000 ° C. It is necessary to preheat oxygen (air), fuel gas, steam for reforming, and the like supplied to a required temperature in advance.

従来より、反応用ガスを予熱するための熱エネルギーとして発電時に燃料電池から排出される高温排ガスを利用することにより、燃料電池のエネルギー効率を向上する数々の試みが提案されている。   Conventionally, many attempts have been made to improve the energy efficiency of a fuel cell by using high-temperature exhaust gas discharged from the fuel cell during power generation as heat energy for preheating the reaction gas.

図3は、従来の固体酸化物形燃料電池の構成を示している。符号1は発電セルを多数積層して構成した燃料電池スタックを示し、この燃料電池スタック1を断熱材31が介装されたハウジング30内に収納することによりモジュール化されている。
運転時には、この燃料電池スタック1の内部に適温に予熱された燃料ガス、空気、水蒸気等の反応用ガスが供給されて発電セル内において発電反応が生じると共に、その際に生じた高温の排ガスがハウジング30の内部空間に排出されるようになっている。
FIG. 3 shows the configuration of a conventional solid oxide fuel cell. Reference numeral 1 denotes a fuel cell stack formed by laminating a large number of power generation cells. The fuel cell stack 1 is modularized by being housed in a housing 30 in which a heat insulating material 31 is interposed.
During operation, the fuel cell stack 1 is supplied with a reaction gas such as fuel gas, air, and water vapor preheated to an appropriate temperature to cause a power generation reaction in the power generation cell, and the high-temperature exhaust gas generated at that time It is discharged into the internal space of the housing 30.

また、ハウジング30の下部には、断熱材31にて包囲された熱交換部20が配設されており、ハウジング30内に放出された排ガスは、この熱交換部20内に誘導されるようになっている。外部から供給される燃料ガスや空気は、一旦、この熱交換部内において高温排ガスと熱交換して必要温度に予熱され、また、外部供給水は、熱交換により高温水蒸気となる。これら反応用ガスは、それぞれ配管を通して燃料電池スタック1内に誘導されるようになっている。
一方、熱交換を終えた排ガスは低温となって熱交換部20の排気管20aよりモジュール外に排出され、外部設置の排熱回収装置にて熱回収される。
In addition, a heat exchanging unit 20 surrounded by a heat insulating material 31 is disposed at the lower part of the housing 30, and exhaust gas discharged into the housing 30 is guided into the heat exchanging unit 20. It has become. The fuel gas and air supplied from the outside are once preheated to a required temperature by exchanging heat with the high-temperature exhaust gas in the heat exchanging section, and the externally supplied water becomes high-temperature steam by heat exchange. These reaction gases are each guided into the fuel cell stack 1 through piping.
On the other hand, the exhaust gas that has undergone heat exchange becomes low temperature and is discharged out of the module through the exhaust pipe 20a of the heat exchanging unit 20, and is recovered by an externally installed exhaust heat recovery device.

このように、燃料電池スタック1から排出される排ガスを反応用ガス等の予熱エネルギーとして利用することにより、燃料電池システムのエネルギー効率を向上することができる。   Thus, the energy efficiency of the fuel cell system can be improved by using the exhaust gas discharged from the fuel cell stack 1 as preheating energy such as reaction gas.

尚、排ガスを利用することにより熱エネルギー効率の向上を図った燃料電池システムとして、特許文献1、特許文献2が開示されている。
特開2003−151609号公報 特開2003−132921号公報
Patent Documents 1 and 2 are disclosed as fuel cell systems that improve thermal energy efficiency by utilizing exhaust gas.
JP 2003-151609 A JP 2003-132922 A

ところで、固体酸化物形燃料電池の場合、作動温度が700℃前後の低温作動型でも発電時には電池スタック1より450〜600℃といった極めて高温度の排ガスが排出される。ところが、上記した熱交換後の排ガスは高温度の450〜600℃から150〜250℃と低下するため、排熱回収装置での排熱利用も限定され(例えば、店舗、家庭内での給湯エネルギー)、排熱の利用効率も満足できるものではなかった。 By the way, in the case of a solid oxide fuel cell, even at a low temperature operation type with an operating temperature of around 700 ° C., an extremely high temperature exhaust gas of 450 to 600 ° C. is discharged from the battery stack 1 during power generation. However, since the exhaust gas after the heat exchange described above falls from a high temperature of 450 to 600 ° C. to 150 to 250 ° C., the use of exhaust heat in the exhaust heat recovery device is also limited (for example, hot water supply in stores and homes) Energy) and exhaust heat utilization efficiency were not satisfactory.

本発明は、このような事情に鑑み成されたもので、熱リサイクル後の低温排ガスと共に、高温排ガスも得られる固体酸化物形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 in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell that can obtain high-temperature exhaust gas together with low-temperature exhaust gas after thermal recycling.

すなわち、請求項1に記載の本発明は、発電セルを多数積層して構成した燃料電池スタックを断熱ハウジング内に収納し、運転時に前記燃料電池スタックの内部に反応用ガスを供給して発電反応を生じさせると共に、発電反応で生じた排ガスを前記断熱ハウジング内に排気するシールレス構造の固体酸化物形燃料電池において、前記断熱ハウジングの上部に、前記燃料電池スタックからの前記排ガスの一部を直接外部に排気する排気管を設け、前記断熱ハウジングの下部に、底板によって当該断熱ハウジングの内部と仕切られるとともに断熱材で包囲された空間であって、かつ前記排ガスを熱源として外部から供給される水、燃料ガスおよび空気を予熱する熱交換器類を備えた熱交換部を配設するとともに、前記底板に前記断熱ハウジング内の前記排ガスの一部を前記熱交換部に誘導する排気口を設け、かつ前記熱交換部に前記熱交換器類から排出された熱交換後の排ガスを排出する排気管を設けたことを特徴としている。 That is, according to the first aspect of the present invention, a fuel cell stack formed by stacking a large number of power generation cells is housed in a heat insulating housing, and a reaction gas is supplied into the fuel cell stack during operation to generate a power generation reaction. together causes, in the solid oxide fuel cell sealless structure for exhausting the exhaust gas generated in the power generation reaction in the adiabatic housing, on top of the heat insulating housing, a portion of the exhaust gas from the fuel cell stack An exhaust pipe that exhausts directly to the outside is provided, and is a space that is partitioned from the inside of the heat insulating housing by a bottom plate at the lower part of the heat insulating housing and surrounded by a heat insulating material, and is supplied from the outside using the exhaust gas as a heat source A heat exchanging part having heat exchangers for preheating water, fuel gas and air is disposed, and the bottom plate is provided with an inside of the heat insulating housing. It is characterized in that the part of exhaust gases to the exhaust port is provided to divert to the heat exchanger, and provided with an exhaust pipe for discharging the exhaust gas after heat exchange is discharged from the heat exchanger such to the heat exchanger unit Yes.

請求項1に記載の構成では、熱リサイクル時の熱交換作用に影響されることなく、排ガス排気機構からは高温の排ガスが得られるようになり、例えば、この高温排ガスは、工場等においてスチーム発生用の熱エネルギー等として利用できる。
加えて、ハウジングの外側に熱交換部を設けることにより、モジュール内温度に影響を及ぼすことなく、熱交換部において熱リサイクルのための熱交換が可能となる。同時に別の排ガス排気機構からは高温の排ガスが得られる。
In the configuration according to claim 1, high-temperature exhaust gas can be obtained from the exhaust gas exhaust mechanism without being affected by the heat exchange action during heat recycling. For example, this high-temperature exhaust gas is generated by steam in a factory or the like. It can be used as thermal energy.
In addition , by providing the heat exchange part outside the housing, heat exchange for heat recycling can be performed in the heat exchange part without affecting the temperature in the module. At the same time, high temperature exhaust gas is obtained from another exhaust gas exhaust mechanism.

以上説明したように、本発明によれば、燃料電池スタックからの排ガスの一部を熱リサイクルとして利用すると共に、残りの排ガスを直接モジュール外に排気する構成としたので、熱リサイクル後の低温排ガスと共に、高温排ガスも同時に得ることができ、これにより、排ガスの熱エネルギーを有効に利用でき、発電システムの効率をより一層高めることができる。   As described above, according to the present invention, a part of the exhaust gas from the fuel cell stack is used for heat recycling, and the remaining exhaust gas is directly exhausted outside the module. At the same time, high-temperature exhaust gas can be obtained at the same time, whereby the thermal energy of the exhaust gas can be used effectively and the efficiency of the power generation system can be further enhanced.

以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。
図1は本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の構成を示し、図2は燃料電池スタックの運転時のガスの流れを示している。尚、説明を簡略化するため、以下の説明において従来と共通する部材については同一の符号を用いた。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a configuration of a solid oxide fuel cell to which the present invention is applied, and FIG. 2 shows a gas flow during operation of the fuel cell stack. In addition, in order to simplify description, the same code | symbol was used about the member common in the past in the following description.

図1、図2に示すように、燃料電池スタック1は、固体電解質層2の両面に燃料極層3と空気極層4を配した発電セル5と、燃料極層3の外側に配した燃料極集電体6と、空気極層4の外側に配した空気極集電体7と、各集電体6、7の外側に配したセパレータ8とで構成された単セル10を縦方向に多数積層したものである。   As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell stack 1 includes a power generation cell 5 in which a fuel electrode layer 3 and an air electrode layer 4 are disposed on both surfaces of a solid electrolyte layer 2, and a fuel disposed on the outside of the fuel electrode layer 3. A single cell 10 composed of an electrode current collector 6, an air electrode current collector 7 arranged outside the air electrode layer 4, and a separator 8 arranged outside each current collector 6, 7 is vertically arranged. Many are stacked.

ここで、固体電解質層2はイットリアを添加した安定化ジルコニア(YSZ)等で構成され、燃料極層3はNi、Co等の金属あるいはNi−YSZ、Co−YSZ等のサーメットで構成され、空気極層4はLaMnO3、LaCoO3等で構成され、燃料極集電体6はNi基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体7はAg基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ8はステンレス等で構成されている。 Here, the solid electrolyte layer 2 is composed of stabilized zirconia (YSZ) or the like to which yttria is added, and the fuel electrode layer 3 is composed of a metal such as Ni or Co or a cermet such as Ni—YSZ or Co—YSZ, and air. The electrode layer 4 is made of LaMnO 3 , LaCoO 3 or the like, the fuel electrode current collector 6 is made of a sponge-like porous sintered metal plate such as a Ni-based alloy, and the air electrode current collector 7 is made of an Ag-based alloy or the like. The separator 8 is made of stainless steel or the like.

セパレータ8は、発電セル5間を電気的に接続すると共に、発電セル5に対して反応用ガスを供給する機能を有するもので、燃料ガスをセパレータ8の外周面から導入してセパレータ8の燃料極集電体6に対向する面のほぼ中央部11aから吐出する燃料ガス通路11と、酸化剤ガスをセパレータ8の外周面から導入してセパレータ8の空気極集電体7に対向する面のほぼ中央12aから吐出する酸化剤ガス通路12を備えている。   The separator 8 has a function of electrically connecting the power generation cells 5 and supplying a reaction gas to the power generation cells 5. The fuel of the separator 8 is introduced by introducing fuel gas from the outer peripheral surface of the separator 8. The fuel gas passage 11 discharged from the substantially central portion 11a of the surface facing the electrode current collector 6 and the surface of the surface of the separator 8 facing the air electrode current collector 7 by introducing oxidant gas from the outer peripheral surface of the separator 8 An oxidant gas passage 12 that discharges from approximately the center 12a is provided.

上記構成の燃料電池スタック1を断熱材31が介装された筒状のハウジング30に収納してモジュール化することにより、固体酸化物形燃料電池(燃料電池モジュール)が構成されている。   A solid oxide fuel cell (fuel cell module) is configured by storing the fuel cell stack 1 having the above configuration in a cylindrical housing 30 in which a heat insulating material 31 is interposed and modularizing the fuel cell stack 1.

また、この固体酸化物形燃料電池は、発電セル5の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造とされており、運転時には、図2に示すように、燃料ガス通路11および酸化剤ガス通路12を通してセパレータ8の略中心部から発電セル5に向けて供給される燃料ガスおよび酸化剤ガス(空気)を、発電セル5の外周方向に拡散させながら燃料極層3および空気極層4の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった余剰ガス(排ガス)を発電セル5の外周部からハウジング30内に自由に放出するようになっている。   In addition, this solid oxide fuel cell has a sealless structure in which a gas leakage prevention seal is not provided on the outer peripheral portion of the power generation cell 5, and during operation, as shown in FIG. The fuel electrode layer 3 and the air electrode layer 4 are diffused in the outer peripheral direction of the power generation cell 5 while the fuel gas and the oxidant gas (air) supplied from the substantially central portion of the separator 8 through the gas passage 12 toward the power generation cell 5 are diffused. The power generation reaction is caused to spread over the entire surface of the gas generator, and a surplus gas (exhaust gas) that has not been consumed in the power generation reaction is freely discharged from the outer peripheral portion of the power generation cell 5 into the housing 30. .

このハウジング30の上部には、その内部空間に放出された高温度(作動温度が700℃前後の固体酸化物形燃料電池の場合、450〜600℃)の排ガスを直接モジュール外に排出するための排気管30aが設けてある。この高温排ガスは外部設置の熱回収装置にて熱回収され、例えば、工場内で用いるスチーム発生用の熱エネルギー等として利用される。   The upper portion of the housing 30 is for exhausting exhaust gas of high temperature (450 to 600 ° C. in the case of a solid oxide fuel cell having an operating temperature of around 700 ° C.) discharged into the internal space directly outside the module. An exhaust pipe 30a is provided. This high-temperature exhaust gas is heat-recovered by an external heat-recovery device, and is used, for example, as heat energy for generating steam used in a factory.

また、ハウジング30の下部には、底板25によってハウジング30内と仕切られるとともに高温排ガスを熱源とする熱交換部20が配設されている。
この熱交換部20は、断熱材32で包囲された空間内に外部供給水、燃料ガス、空気等を個々に予熱するための熱交換器類(図示せず)を備えており、これら水、燃料ガス、空気等が各熱交換器内において底板25に形成された排気口21を介して導入されたハウジング30内の高温排ガスと熱交換して高温水蒸気や予熱燃料ガス、予熱空気となり、各配管を通して燃料電池スタック1内に誘導されるようになっている。
一方、熱交換を終えた各熱交換器からの排ガスは低温(150〜250℃)となって熱交換部20の排気管20aよりモジュール外に排出され、外部設置の排熱回収装置にて熱回収される。回収された熱は、例えば、店舗、家庭内において、給湯用の熱エネルギーとして利用することができる。
A heat exchanging unit 20 that is partitioned from the inside of the housing 30 by the bottom plate 25 and that uses high-temperature exhaust gas as a heat source is disposed at the lower part of the housing 30 .
The heat exchange unit 20 includes heat exchangers (not shown) for individually preheating externally supplied water, fuel gas, air, and the like in a space surrounded by the heat insulating material 32. Fuel gas, air, etc. exchange heat with the high temperature exhaust gas in the housing 30 introduced through the exhaust port 21 formed in the bottom plate 25 in each heat exchanger to become high temperature steam, preheated fuel gas, preheated air, It is guided into the fuel cell stack 1 through piping.
On the other hand, the exhaust gas from each heat exchanger that has completed heat exchange becomes low temperature (150 to 250 ° C.) and is discharged out of the module through the exhaust pipe 20a of the heat exchanging unit 20, and is heated by an external heat recovery device. Collected. The recovered heat can be used as heat energy for hot water supply, for example, in stores and homes.

このように、燃料電池スタック1からの排ガスの一部を熱交換部20に誘導して熱リサイクルする一方で、残りの排ガスは熱交換しないで直接モジュール外に排気する構成とすると、排熱回収装置にあっては、熱リサイクル後の低温度の排ガスと共に、この熱リサイクルに影響されることなく高温度の排ガスも同時に得ることができ、これにより、排ガスの熱エネルギーを有効に利用でき、発電システムの効率をより一層高めることができる。   In this way, when a part of the exhaust gas from the fuel cell stack 1 is guided to the heat exchanging unit 20 for heat recycling, the remaining exhaust gas is exhausted directly outside the module without exchanging heat. In the equipment, together with the low temperature exhaust gas after heat recycling, high temperature exhaust gas can be obtained at the same time without being affected by this heat recycling. The efficiency of the system can be further increased.

本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の構成を示す図。The figure which shows the structure of the solid oxide fuel cell to which this invention was applied. 燃料電池スタックの運転時のガスの流れを示す図。The figure which shows the flow of the gas at the time of operation | movement of a fuel cell stack. 従来の固体酸化物形燃料電池の構成を示す図。The figure which shows the structure of the conventional solid oxide fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池スタック
5 発電セル
20 熱交換部
25 底板
30 ハウジング
20a、30a 排気管
1 Fuel cell stack 5 Power generation cell 20 Heat exchange section
25 Bottom plate 30 Housing 20a, 30a exhaust pipe

Claims (1)

発電セルを多数積層して構成した燃料電池スタックを断熱ハウジング内に収納し、運転時に前記燃料電池スタックの内部に反応用ガスを供給して発電反応を生じさせると共に、発電反応で生じた排ガスを前記断熱ハウジング内に排気するシールレス構造の固体酸化物形燃料電池において、
前記断熱ハウジングの上部に、前記燃料電池スタックからの前記排ガスの一部を直接外部に排気する排気管を設け、
前記断熱ハウジングの下部に、底板によって当該断熱ハウジングの内部と仕切られるとともに断熱材で包囲された空間であって、かつ前記排ガスを熱源として外部から供給される水、燃料ガスおよび空気を予熱する熱交換器類を備えた熱交換部を配設するとともに、前記底板に前記断熱ハウジング内の前記排ガスの一部を前記熱交換部に誘導する排気口を設け、かつ前記熱交換部に前記熱交換器類から排出された熱交換後の排ガスを排出する排気管を設けたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
A fuel cell stack formed by stacking a large number of power generation cells is housed in a heat insulating housing, and during operation, a reaction gas is supplied into the fuel cell stack to cause a power generation reaction, and an exhaust gas generated by the power generation reaction is generated. In a solid oxide fuel cell having a sealless structure that exhausts into the heat insulating housing ,
Wherein the top of the heat insulating housing is provided with an exhaust pipe for exhausting a part of the exhaust gas from the fuel cell stack directly to the outside,
Heat that is separated from the inside of the heat insulating housing by a bottom plate at the lower part of the heat insulating housing and is surrounded by a heat insulating material, and preheats water, fuel gas, and air supplied from the outside using the exhaust gas as a heat source. A heat exchanging part provided with exchangers is provided, an exhaust port for guiding a part of the exhaust gas in the heat insulating housing to the heat exchanging part is provided on the bottom plate, and the heat exchanging part is provided with the heat exchanging part. A solid oxide fuel cell, characterized in that an exhaust pipe for discharging exhaust gas after heat exchange discharged from the vessels is provided .
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