JP2018060627A - Multistage fuel cell system - Google Patents

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賢志 安井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a multistage fuel cell system in which reheat for using anode off-gas for removing steam as regenerative fuel gas after cooled temporarily can be carried out without using waste-heat of the fuel cell, by a simple configuration of solid oxide fuel cell, while ensuring sufficiently high reliability during long term use.SOLUTION: A multistage fuel cell system 10 by solid oxide fuel cell using an oxide conductor in electrolyte layer, includes a fuel cell stack 11a on the prestage side and a fuel cell stack 11b on the latter stage side, a heat exchanger 12 performing heat exchange between the upstream side and downstream side of a gas line 22 for supplying anode off-gas, discharged from the fuel cell stack 11a to the fuel cell stack 11b, and a heat exchanger 13 performing heat exchange between the midstream part of the gas line 22 and cooling fluid supplied externally.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、燃料電池スタックを多段化して構成した多段式燃料電池システムに関し、特に、固体酸化物型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell。以下では「SOFC」と記すこともある)による多段式燃料電池システムに関する。   TECHNICAL FIELD The present invention relates to a multi-stage fuel cell system having a multi-stage fuel cell stack, and in particular, a multi-stage fuel cell using a solid oxide fuel cell (hereinafter sometimes referred to as “SOFC”). About the system.

固体酸化物型燃料電池は、酸化物導電体を用いた電解質層を挟んでアノード(燃料極)とカソード(空気極)とが配置されている。動作温度は、例えば700〜800℃程度である。   In a solid oxide fuel cell, an anode (fuel electrode) and a cathode (air electrode) are arranged with an electrolyte layer using an oxide conductor interposed therebetween. The operating temperature is, for example, about 700 to 800 ° C.

固体酸化物型燃料電池では、アノード側に水素などの燃料を供給するとともにカソード側に空気を供給し、電気化学反応を起こして電力を取り出す。空気供給管から供給される空気中の酸素はカソードで酸化物イオンとなり、電解質層を通ってアノードに至る。ここで燃料供給管から供給される燃料と反応して電子を放出し、電気と反応生成物(水や二酸化炭素)を生成する。   In a solid oxide fuel cell, a fuel such as hydrogen is supplied to the anode side and air is supplied to the cathode side to cause an electrochemical reaction and take out electric power. Oxygen in the air supplied from the air supply pipe becomes oxide ions at the cathode, and reaches the anode through the electrolyte layer. Here, it reacts with the fuel supplied from the fuel supply pipe and emits electrons to generate electricity and reaction products (water and carbon dioxide).

固体酸化物型燃料電池などによる燃料電池システムの高効率化のため、燃料利用率を向上させる手法として、燃料電池スタックの多段化が提案されている(例えば、特許文献1や特許文献2を参照)。すなわち、複数の燃料電池スタックを用い、前段の燃料電池スタックで未反応であった燃料ガス中から水蒸気や二酸化炭素を取り除き、反応に寄与する燃料ガスの濃度を高めた再生燃料ガスを後段の燃料電池スタックで利用するものである。   In order to improve the efficiency of a fuel cell system such as a solid oxide fuel cell, a multi-stage fuel cell stack has been proposed as a technique for improving the fuel utilization rate (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2). ). That is, using a plurality of fuel cell stacks, water vapor and carbon dioxide are removed from the unreacted fuel gas in the preceding fuel cell stack, and the regenerated fuel gas having a higher concentration of fuel gas contributing to the reaction is used as the subsequent fuel gas. Used for battery stacks.

特開2006−031989号公報JP 2006-031989 特開2016−115495号公報JP-A-2006-115495

特許文献1に記載されたSOFCシステムでは、アノードオフガスから水蒸気を除去するために、アノードオフガスを露点温度以下まで冷却して凝縮する。アノードオフガスから水蒸気を除去して再生燃料ガスとして利用するには、この再生燃料ガスを燃料電池スタックの発電温度まで再加熱する必要があり、そのための熱源として燃料電池の排熱などが利用されていた。   In the SOFC system described in Patent Document 1, in order to remove water vapor from the anode off gas, the anode off gas is cooled to a dew point temperature or less and condensed. In order to remove water vapor from the anode off-gas and use it as a regenerated fuel gas, it is necessary to reheat this regenerated fuel gas to the power generation temperature of the fuel cell stack, and the exhaust heat of the fuel cell is used as a heat source for that purpose. It was.

一方、特許文献2に記載された多段式燃料電池システムでは、アノードオフガスから水蒸気分離膜によって水蒸気を気体の状態で除去するので、水の凝縮に必要な露点温度以下までアノードオフガスを冷却する必要はない。しかし、水蒸気を気体の状態で除去するためには、水蒸気分離膜の両側で圧力差を作る必要がある。この水蒸気分離膜は水蒸気を通して他の気体を通さない一種のフィルターであり、高温下での長期間の使用でさびや塵などによって水蒸気分離膜の表面が汚染されると、目詰まりが生じ得る。そうすると、運転に必要な水の確保が困難となり、長期使用時の信頼性が必ずしも十分ではない。   On the other hand, in the multi-stage fuel cell system described in Patent Document 2, since the water vapor is removed from the anode off gas in a gaseous state by the water vapor separation membrane, it is not necessary to cool the anode off gas to the dew point temperature or less necessary for water condensation. Absent. However, in order to remove water vapor in a gaseous state, it is necessary to create a pressure difference on both sides of the water vapor separation membrane. This water vapor separation membrane is a kind of filter that does not allow other gases to pass through water vapor, and clogging may occur when the surface of the water vapor separation membrane is contaminated by rust or dust during long-term use at high temperatures. If it does so, it will become difficult to ensure the water required for a driving | operation, and the reliability at the time of long-term use is not necessarily enough.

従来技術のこのような課題に鑑み、本発明の目的は、電解質層に酸化物導電体を用いた固体酸化物型燃料電池による簡単な構成により、水蒸気を除去するためにアノードオフガスを一旦冷却した後に再生燃料ガスとして利用するための再加熱を、燃料電池の排熱を利用せずに行うことが可能で、長期使用時の信頼性も十分に高い多段式燃料電池システムを提供することである。   In view of such problems of the prior art, the object of the present invention is to temporarily cool the anode off-gas in order to remove water vapor by a simple configuration using a solid oxide fuel cell using an oxide conductor as an electrolyte layer. To provide a multistage fuel cell system that can be reheated for later use as a regenerated fuel gas without using the exhaust heat of the fuel cell and has sufficiently high reliability during long-term use. .

上記目的を達成するため、本発明の多段式燃料電池システムは、電解質層に酸化物導電体を用いた固体酸化物型燃料電池による多段式燃料電池システムであって、発電セルとインターコネクタとが交互に複数積層されてそれぞれ構成された少なくとも1台の前段側燃料電池スタックおよび少なくとも1台の後段側燃料電池スタックと、前記前段側燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスを前記後段側燃料電池スタックへ供給するガス経路の上流部と下流部との間で熱交換を行う第1熱交換器と、前記ガス経路の中流部と外部から供給される冷却用流体との間で熱交換を行う第2熱交換器とを備えることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a multistage fuel cell system according to the present invention is a multistage fuel cell system using a solid oxide fuel cell that uses an oxide conductor in an electrolyte layer, and includes a power generation cell and an interconnector. At least one front-stage fuel cell stack and at least one rear-stage fuel cell stack, each of which is configured by alternately stacking a plurality of layers, and anode off-gas discharged from the front-stage fuel cell stack, A first heat exchanger that exchanges heat between an upstream portion and a downstream portion of a gas path to be supplied to the first gas exchanger, and a heat exchanger that exchanges heat between a midstream portion of the gas path and a cooling fluid supplied from the outside. And 2 heat exchangers.

ここで、前記第1熱交換器や前記第2熱交換器の具体例としては、プレート式熱交換器、シェル・アンド・プレート式熱交換器、またはシェル・アンド・チューブ式熱交換器などが挙げられるが、これらに限らない。   Here, specific examples of the first heat exchanger and the second heat exchanger include a plate-type heat exchanger, a shell-and-plate heat exchanger, and a shell-and-tube heat exchanger. Although it is mentioned, it is not restricted to these.

このような構成の多段式燃料電池システムによれば、水蒸気を除去するためにアノードオフガスを一旦冷却した後に再生燃料ガスとして利用するための再加熱を、冷却前のアノードオフガス自体によって行うので、燃料電池の排熱を利用しなくてよい。これにより、燃料電池の排熱を給湯などの熱源として利用でき、多段式燃料電池システム全体の効率を向上させることが可能となる。   According to the multistage fuel cell system having such a configuration, the anode offgas is once cooled to remove water vapor, and then reheated for use as a regenerated fuel gas is performed by the anode offgas itself before cooling. It is not necessary to use the exhaust heat of the battery. Thereby, the exhaust heat of the fuel cell can be used as a heat source such as hot water supply, and the efficiency of the entire multistage fuel cell system can be improved.

本発明の多段式燃料電池システムにおいて、前記前段側燃料電池スタックの台数が前記後段側燃料電池スタックの台数よりも多いことが好ましい。   In the multistage fuel cell system of the present invention, it is preferable that the number of the front-side fuel cell stacks is larger than the number of the rear-stage fuel cell stacks.

また、本発明の多段式燃料電池システムにおいて、前記第1熱交換器を構成する部材としては、例えば、ステンレス系材料またはチタン系材料などが挙げられるが、これらに限らない。前記部材どうしの接合部は、例えば、モリブデン、クロム、またはニッケルの少なくとも1つを添加した溶接材料を用いた溶接にて接合されていてもよいし、ニッケル系のろう材を用いたろう接にて接合されていてもよいし、またはレーザ溶接にて接合されていてもよい。ただし、このような接合方法に限らない。   In the multistage fuel cell system of the present invention, examples of the member constituting the first heat exchanger include, but are not limited to, a stainless steel material or a titanium material. The joints between the members may be joined by welding using a welding material to which at least one of molybdenum, chromium, or nickel is added, or by brazing using a nickel-based brazing material. It may be joined or may be joined by laser welding. However, it is not restricted to such a joining method.

本発明の多段式燃料電池システムによれば、水蒸気を除去するためにアノードオフガスを一旦冷却した後に再生燃料ガスとして利用するための再加熱を、冷却前のアノードオフガスによって行うので、燃料電池の排熱を利用しなくてよい。これにより、燃料電池の排熱を給湯などの熱源として利用でき、多段式燃料電池システム全体の効率を向上させることが可能となる。   According to the multistage fuel cell system of the present invention, the anode offgas is once cooled to remove water vapor, and then reheated for use as a regenerated fuel gas is performed by the anode offgas before cooling. It is not necessary to use heat. Thereby, the exhaust heat of the fuel cell can be used as a heat source such as hot water supply, and the efficiency of the entire multistage fuel cell system can be improved.

本発明の第1実施形態に係る多段式燃料電池システム10の概観構成図である。1 is an overview configuration diagram of a multistage fuel cell system 10 according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態に係る多段式燃料電池システム10Aの概観構成図である。It is a general | schematic block diagram of 10 A of multistage type fuel cell systems which concern on 2nd Embodiment of this invention.

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

<第1実施形態>
図1は本発明の第1実施形態に係る多段式燃料電池システム10の概観構成図である。この図1に示すように、固体酸化物型燃料電池による多段式燃料電池システム10は、前段側(図中では左側)の燃料電池スタック11aおよび後段側(図中では右側)の燃料電池スタック11bと、第1の熱交換器12と、第2の熱交換器13とを備えている。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a multistage fuel cell system 10 according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a multi-stage fuel cell system 10 using solid oxide fuel cells includes a fuel cell stack 11a on the front side (left side in the drawing) and a fuel cell stack 11b on the rear side (right side in the drawing). And a first heat exchanger 12 and a second heat exchanger 13.

燃料電池スタック11aおよび燃料電池スタック11b(特に区別が必要ないときは「燃料電池スタック11」と呼ぶ)はいずれも、発電セルとインターコネクタとが交互に複数積層されて構成されている。   Each of the fuel cell stack 11a and the fuel cell stack 11b (referred to as “fuel cell stack 11” when there is no particular distinction) is configured by alternately stacking a plurality of power generation cells and interconnectors.

これらの燃料電池スタック11では、アノード側に水素などの燃料を供給するとともにカソード側に空気を供給し、電気化学反応を起こすことで電力を取り出すことができる。空気中の酸素はカソードで酸化物イオンとなり、電解質層を通ってアノードに至って燃料と反応して電子を放出し、電気と反応生成物(水や二酸化炭素)を生成する。   In these fuel cell stacks 11, electric power can be taken out by supplying a fuel such as hydrogen to the anode side and supplying air to the cathode side to cause an electrochemical reaction. Oxygen in the air becomes oxide ions at the cathode, reaches the anode through the electrolyte layer, reacts with the fuel, emits electrons, and generates electricity and reaction products (water and carbon dioxide).

この多段式燃料電池システム10では、予熱された燃料ガスを燃料電池スタック11aへ供給する燃料ガスライン21と、燃料電池スタック11aから排出されたアノードオフガスを燃料電池スタック11bへ供給するガスライン22と、燃料電池スタック11bから排出されたアノードオフガスを排出するアノードオフガスライン23とが設けられている。   In this multistage fuel cell system 10, a fuel gas line 21 that supplies preheated fuel gas to the fuel cell stack 11a, and a gas line 22 that supplies anode off-gas discharged from the fuel cell stack 11a to the fuel cell stack 11b, An anode offgas line 23 for discharging the anode offgas discharged from the fuel cell stack 11b is provided.

なお、燃料電池スタック11aから排出されたアノードオフガスには、反応しなかった燃料が含まれているものの、反応生成物である水蒸気などによって燃料濃度が低下している。そのため、再生燃料ガスとして燃料電池スタック11bで再利用するためには、アノードオフガスから水蒸気を除去する必要がある。   The anode off-gas discharged from the fuel cell stack 11a contains fuel that has not reacted, but the fuel concentration is reduced by water vapor as a reaction product. Therefore, in order to reuse the fuel cell stack 11b as a regenerated fuel gas, it is necessary to remove water vapor from the anode off gas.

ガスライン22はさらに、上流側から下流側へと順に、ガスライン22aと、ガスライン22bと、ガスライン22cと、ガスライン22dとを有している。そして、燃料電池スタック11aのアノード側出口は、ガスライン22aによって熱交換器12の高温側入口に接続されている。熱交換器12の高温側出口は、ガスライン22bによって熱交換器13の高温側入口に接続されている。熱交換器13の高温側出口は、ガスライン22cによって熱交換器12の低温側入口に接続されている。熱交換器12の低温側出口は、ガスライン22dによって燃料電池スタック11bのアノード側入口に接続されている。   The gas line 22 further includes a gas line 22a, a gas line 22b, a gas line 22c, and a gas line 22d in order from the upstream side to the downstream side. The anode side outlet of the fuel cell stack 11a is connected to the high temperature side inlet of the heat exchanger 12 by a gas line 22a. The high temperature side outlet of the heat exchanger 12 is connected to the high temperature side inlet of the heat exchanger 13 by a gas line 22b. The high temperature side outlet of the heat exchanger 13 is connected to the low temperature side inlet of the heat exchanger 12 by a gas line 22c. The low temperature side outlet of the heat exchanger 12 is connected to the anode side inlet of the fuel cell stack 11b by a gas line 22d.

このような接続によって、熱交換器12はガスライン22の上流部と下流部との間で熱交換を行う。ガスライン22の上流部を通るアノードオフガスの温度は十分高いので、ガスライン22の下流部を通って燃料電池スタック11bに供給される再生燃料ガスを十分に再加熱することができる。熱交換器13はガスライン22の中流部と冷却水ライン24によって外部から供給される冷却水との間で熱交換を行う。つまり、熱交換器13は、熱交換器12より低温での熱交換(例えば常温冷却水との熱交換)を行うことになり、アノードオフガスを速やかに露点温度まで冷却し、アノードオフガス中の水蒸気を効率よく凝縮させることができる。   With such connection, the heat exchanger 12 performs heat exchange between the upstream portion and the downstream portion of the gas line 22. Since the temperature of the anode off-gas passing through the upstream portion of the gas line 22 is sufficiently high, the regenerated fuel gas supplied to the fuel cell stack 11b through the downstream portion of the gas line 22 can be sufficiently reheated. The heat exchanger 13 performs heat exchange between the midstream portion of the gas line 22 and the cooling water supplied from the outside by the cooling water line 24. That is, the heat exchanger 13 performs heat exchange at a lower temperature than the heat exchanger 12 (for example, heat exchange with room temperature cooling water), quickly cools the anode off gas to the dew point temperature, and water vapor in the anode off gas. Can be efficiently condensed.

なお、熱交換器13での熱交換には、必ずしも水を用いなくてもよく、他の冷却用流体も使用可能である。例えば、エチレングリコールなどの不凍液を使用してもよいし、熱交換器にファンで冷却風を送るラジエータなどを使用してもよい。ただし、これらに限らない。   It is not always necessary to use water for heat exchange in the heat exchanger 13, and other cooling fluids can be used. For example, an antifreeze such as ethylene glycol may be used, or a radiator that sends cooling air to the heat exchanger with a fan may be used. However, it is not limited to these.

高温での熱交換を行う熱交換器12を構成する部材(母材)としては、例えば、ステンレス系材料またはチタン系材料などが挙げられるが、これらに限らない。これらの部材どうしの接合部は、例えば、モリブデン、クロム、またはニッケルの少なくとも1つを添加した溶接材料を用いた溶接にて接合されていてもよいし、ニッケル系のろう材を用いたろう接にて接合されていてもよいし、レーザ溶接にて接合されていてもよい。ただし、このような接合方法に限らない。   Examples of the member (base material) constituting the heat exchanger 12 that performs heat exchange at a high temperature include, but are not limited to, a stainless steel material or a titanium material. The joint portion between these members may be joined, for example, by welding using a welding material to which at least one of molybdenum, chromium, or nickel is added, or by brazing using a nickel-based brazing material. And may be joined by laser welding. However, it is not restricted to such a joining method.

熱交換器12や熱交換器13の具体例としては、プレート式熱交換器、シェル・アンド・プレート式熱交換器、またはシェル・アンド・チューブ式熱交換器などが挙げられる。熱交換器12がプレート式熱交換器の場合は、プレート間のシールにガスケットを使用しない溶接タイプかブレージングタイプが好適である。特に、レーザ溶接によるものは、母材どうしを溶融させて接合するので高温での使用に適している点で、極めて好ましい。ただし、これらの熱交換器に限らない。   Specific examples of the heat exchanger 12 and the heat exchanger 13 include a plate heat exchanger, a shell and plate heat exchanger, and a shell and tube heat exchanger. When the heat exchanger 12 is a plate heat exchanger, a welding type or brazing type that does not use a gasket for sealing between plates is suitable. In particular, laser welding is extremely preferable because it is suitable for use at high temperatures because the base metals are melted and joined. However, it is not restricted to these heat exchangers.

多段式燃料電池システム10では、熱交換器13の高温側出口と熱交換器12の低温側入口とを接続するガスライン22cに気液分離器14が設けられており、熱交換器13の内部で生じた凝縮水を分離して、排水ライン25から排出する。気液分離器14としては、例えば、バッフル式のドレンセパレータを使用することができる。また、気液分離器14と熱交換器13の間に水蒸気分離膜を配置し、より高度にアノードオフガスから水分を除去してもよい。   In the multistage fuel cell system 10, the gas-liquid separator 14 is provided in the gas line 22 c that connects the high temperature side outlet of the heat exchanger 13 and the low temperature side inlet of the heat exchanger 12. The condensate produced in the above is separated and discharged from the drain line 25. As the gas-liquid separator 14, for example, a baffle type drain separator can be used. Further, a water vapor separation membrane may be disposed between the gas-liquid separator 14 and the heat exchanger 13 to remove moisture from the anode off gas to a higher degree.

以上で説明した第1実施形態の構成によれば、燃料電池スタック11aから排出されたアノードオフガスを、再生燃料ガスとして燃料電池スタック11bで再利用するため、熱交換器12および熱交換器13によって一旦常温近くまで冷却して水蒸気を凝縮させて除去した後、熱交換器12において冷却前のアノードオフガス自体によって燃料電池の動作温度まで再加熱することができる。アノードオフガスの再加熱に燃料電池の排熱を利用しないので、燃料電池の排熱を給湯などの熱源として利用でき、多段式燃料電池システム10全体の効率を向上させることが可能となる。また、閉塞のおそれがある水蒸気分離膜の使用は不可欠ではないので、長期使用時の信頼性も十分高く確保することができる。   According to the configuration of the first embodiment described above, the anode off-gas discharged from the fuel cell stack 11a is reused as the regenerated fuel gas in the fuel cell stack 11b, so that the heat exchanger 12 and the heat exchanger 13 After cooling to near normal temperature and condensing and removing water vapor, the heat exchanger 12 can be reheated to the operating temperature of the fuel cell by the anode off-gas itself before cooling. Since the exhaust heat of the fuel cell is not used for reheating the anode off gas, the exhaust heat of the fuel cell can be used as a heat source such as hot water supply, and the overall efficiency of the multistage fuel cell system 10 can be improved. Moreover, since the use of a water vapor separation membrane that may be clogged is not indispensable, the reliability during long-term use can be secured sufficiently high.

<第2実施形態>
上述した第1実施形態では、前段側の燃料電池スタック11aに供給された燃料ガスより排出されるアノードオフガスの流量が少なくなるため、後段側の燃料電池スタック11bへ供給される再生燃料ガスの流量も十分ではないこともあり得る。そこで、前段側の燃料電池スタックの台数を後段側の燃料電池スタックの台数より多くした構成を第2実施形態とする。
Second Embodiment
In the first embodiment described above, the flow rate of the regenerated fuel gas supplied to the downstream fuel cell stack 11b is reduced because the flow rate of the anode off-gas discharged from the fuel gas supplied to the upstream fuel cell stack 11a is reduced. May not be sufficient. Therefore, a configuration in which the number of fuel cell stacks on the front stage side is larger than the number of fuel cell stacks on the rear stage side is the second embodiment.

図2は本発明の第2実施形態に係る多段式燃料電池システム10Aの概観構成図である。なお、第2実施形態は、次に述べる点を除いては、図1を参照して説明した第1実施形態と同一であるので、同じ構成部材には同じ参照符号を付すこととし、以下では主として相違点について説明する。   FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a multistage fuel cell system 10A according to the second embodiment of the present invention. Since the second embodiment is the same as the first embodiment described with reference to FIG. 1 except for the points described below, the same reference numerals will be given to the same constituent members, and in the following. The difference will be mainly described.

この図2に示すように、固体酸化物型燃料電池による多段式燃料電池システム10Aは、前段側(図中では左側)に2台の燃料電池スタック11a、11bおよび後段側(図中では右側)に1台の燃料電池スタック11c(特に区別が必要ないときは「燃料電池スタック11」と呼ぶ)と、第1の熱交換器12と、第2の熱交換器13Aとを備えている。   As shown in FIG. 2, a multi-stage fuel cell system 10A using a solid oxide fuel cell has two fuel cell stacks 11a and 11b on the front side (left side in the figure) and the rear side (right side in the figure). In addition, one fuel cell stack 11c (referred to as “fuel cell stack 11” when there is no particular distinction), a first heat exchanger 12, and a second heat exchanger 13A are provided.

この多段式燃料電池システム10Aでは、予熱された燃料ガスを供給する燃料ガスライン21は、燃料電池スタック11a、11bへそれぞれ接続されている。また、ガスライン22aの上流側は、燃料電池スタック11a、11bの各アノード側へそれぞれ接続されている。   In the multistage fuel cell system 10A, fuel gas lines 21 for supplying preheated fuel gas are connected to the fuel cell stacks 11a and 11b, respectively. The upstream side of the gas line 22a is connected to each anode side of the fuel cell stacks 11a and 11b.

また、熱交換器13Aは、第1実施形態の気液分離器14を兼ねるものが用いられている。熱交換器13Aは、例えば、プレート式熱交換器やシェル・アンド・プレート式熱交換器であって、伝熱プレートがほぼ垂直になるようにプレートパックが配置される。そして、伝熱プレート間にアノードガスを下降流で流通させることにより、プレートパック下部のノズルから凝縮水とアノードガスを分離して排出する。分離後の凝縮水は、ガスライン22cから分岐する排水ライン25を介して排出される。   The heat exchanger 13A is also used as the gas-liquid separator 14 of the first embodiment. The heat exchanger 13A is, for example, a plate heat exchanger or a shell-and-plate heat exchanger, and a plate pack is disposed so that the heat transfer plate is substantially vertical. Then, by circulating the anode gas between the heat transfer plates in a downward flow, the condensed water and the anode gas are separated and discharged from the nozzles below the plate pack. The separated condensed water is discharged through a drain line 25 branched from the gas line 22c.

以上で説明した第2実施形態の構成によれば、燃料電池スタック11aおよび燃料電池スタック11bから排出されたアノードオフガスを、再生燃料ガスとして燃料電池スタック11cで再利用するため、熱交換器12および熱交換器13Aによって一旦常温近くまで冷却して水蒸気を凝縮させて除去した後、熱交換器12において冷却前のアノードオフガス自体によって燃料電池の動作温度まで再加熱することができる。アノードオフガスの再加熱に燃料電池の排熱を利用しないので、燃料電池の排熱を給湯などの熱源として利用でき、多段式燃料電池システム10A全体の効率を向上させることが可能となる。また、閉塞のおそれがある水蒸気分離膜の使用は不可欠ではないので、長期使用時の信頼性も十分高く確保することができる。前段側に2台の燃料電池スタック11a、11bがあるので、後段側の1台の燃料電池スタック11cへ供給される再生燃料ガスの流量を十分確保することができる。   According to the configuration of the second embodiment described above, the anode off-gas discharged from the fuel cell stack 11a and the fuel cell stack 11b is reused as a regenerated fuel gas in the fuel cell stack 11c. After cooling to near room temperature by the heat exchanger 13A and condensing and removing the water vapor, the heat exchanger 12 can be reheated to the operating temperature of the fuel cell by the anode off-gas itself before cooling. Since the exhaust heat of the fuel cell is not used for reheating the anode off gas, the exhaust heat of the fuel cell can be used as a heat source such as hot water supply, and the overall efficiency of the multistage fuel cell system 10A can be improved. Moreover, since the use of a water vapor separation membrane that may be clogged is not indispensable, the reliability during long-term use can be secured sufficiently high. Since there are two fuel cell stacks 11a and 11b on the front side, a sufficient flow rate of the regenerated fuel gas supplied to one fuel cell stack 11c on the rear side can be secured.

なお、本発明は、その主旨または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文にはなんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。   It should be noted that the present invention can be implemented in various other forms without departing from the spirit or main features thereof. Therefore, the above-mentioned embodiment is only a mere illustration in all points, and should not be interpreted limitedly. The scope of the present invention is indicated by the claims, and is not restricted by the text of the specification. Further, all modifications and changes belonging to the equivalent scope of the claims are within the scope of the present invention.

例えば、本発明の多段式燃料電池システムは、第1実施形態および第2実施形態で示した2段の燃料電池スタックからなる構成に限らず、3段以上の燃料電池スタックからなる構成とすることもできる。その場合、隣接する段間において、ガス流通方向の上流側が前段側燃料電池スタックとされ、下流側が後段側燃料電池スタックとされる。そして、隣接する段間における第1熱交換器と第2熱交換器の配列・接続関係は、各実施形態で示した構成が適用される。   For example, the multi-stage fuel cell system of the present invention is not limited to the configuration including the two-stage fuel cell stack shown in the first embodiment and the second embodiment, and includes a configuration including three or more stages of fuel cell stacks. You can also. In that case, between the adjacent stages, the upstream side in the gas flow direction is the front stage side fuel cell stack, and the downstream side is the rear stage side fuel cell stack. And the structure shown in each embodiment is applied to the arrangement / connection relationship between the first heat exchanger and the second heat exchanger between adjacent stages.

本発明は、電解質層に酸化物導電体を用いた固体酸化物型燃料電池による多段式燃料電池システムに特に好適である。   The present invention is particularly suitable for a multistage fuel cell system using a solid oxide fuel cell using an oxide conductor in an electrolyte layer.

10、10A
多段式燃料電池システム
11(11a〜11c)
燃料電池スタック
12 第1の熱交換器
13、13A
第2の熱交換器
14 気液分離器
21 燃料ガスライン
22 ガスライン
23 アノードオフガスライン
24 冷却水ライン
25 排水ライン
10, 10A
Multistage fuel cell system 11 (11a to 11c)
Fuel cell stack 12 First heat exchanger 13, 13A
Second heat exchanger 14 Gas-liquid separator 21 Fuel gas line 22 Gas line 23 Anode off-gas line 24 Cooling water line 25 Drain line

Claims (6)

電解質層に酸化物導電体を用いた固体酸化物型燃料電池による多段式燃料電池システムであって、
発電セルとインターコネクタとが交互に複数積層されてそれぞれ構成された少なくとも1台の前段側燃料電池スタックおよび少なくとも1台の後段側燃料電池スタックと、
前記前段側燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスを前記後段側燃料電池スタックへ供給するガス経路の上流部と下流部との間で熱交換を行う第1熱交換器と、
前記ガス経路の中流部と外部から供給される冷却用流体との間で熱交換を行う第2熱交換器と
を備えることを特徴とする多段式燃料電池システム。
A multi-stage fuel cell system using a solid oxide fuel cell using an oxide conductor as an electrolyte layer,
At least one front-stage fuel cell stack and at least one rear-stage fuel cell stack each configured by alternately stacking a plurality of power generation cells and interconnectors;
A first heat exchanger that performs heat exchange between an upstream portion and a downstream portion of a gas path that supplies the anode off-gas discharged from the front-stage fuel cell stack to the rear-stage fuel cell stack;
A multistage fuel cell system comprising: a second heat exchanger that exchanges heat between a midstream portion of the gas path and a cooling fluid supplied from outside.
請求項1に記載の多段式燃料電池システムにおいて、
前記前段側燃料電池スタックの台数が前記後段側燃料電池スタックの台数よりも多いことを特徴とする多段式燃料電池システム。
The multistage fuel cell system according to claim 1,
The multistage fuel cell system, wherein the number of the front stage side fuel cell stacks is larger than the number of the rear stage side fuel cell stacks.
請求項1または2に記載の多段式燃料電池システムにおいて、
前記第1熱交換器を構成する部材は、ステンレス系材料またはチタン系材料からなり、
前記部材どうしの接合部は、モリブデン、クロム、またはニッケルの少なくとも1つを添加した溶接材料を用いた溶接にて接合されていることを特徴とする多段式燃料電池システム。
The multistage fuel cell system according to claim 1 or 2,
The member constituting the first heat exchanger is made of a stainless material or a titanium material,
The multi-stage fuel cell system is characterized in that the joint portion between the members is joined by welding using a welding material to which at least one of molybdenum, chromium, or nickel is added.
請求項1または2に記載の多段式燃料電池システムにおいて、
前記第1熱交換器を構成する部材は、ステンレス系材料またはチタン系材料からなり、
前記部材どうしの接合部は、ニッケル系のろう材を用いたろう接にて接合されていることを特徴とする多段式燃料電池システム。
The multistage fuel cell system according to claim 1 or 2,
The member constituting the first heat exchanger is made of a stainless material or a titanium material,
The multi-stage fuel cell system is characterized in that the joint between the members is joined by brazing using a nickel-based brazing material.
請求項1または2に記載の多段式燃料電池システムにおいて、
前記第1熱交換器を構成する部材は、ステンレス系材料またはチタン系材料からなり、
前記部材どうしの接合部は、レーザ溶接にて接合されていることを特徴とする多段式燃料電池システム。
The multistage fuel cell system according to claim 1 or 2,
The member constituting the first heat exchanger is made of a stainless material or a titanium material,
The multistage fuel cell system, wherein the joints between the members are joined by laser welding.
請求項1〜5のいずれか1項に記載の多段式燃料電池システムにおいて、
前記第1熱交換器は、プレート式熱交換器、シェル・アンド・プレート式熱交換器、またはシェル・アンド・チューブ式熱交換器であることを特徴とする多段式燃料電池システム。
In the multistage fuel cell system according to any one of claims 1 to 5,
The multistage fuel cell system, wherein the first heat exchanger is a plate heat exchanger, a shell and plate heat exchanger, or a shell and tube heat exchanger.
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