JP2004139960A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関し、特に、発電セルに供給する反応用のガス(燃料ガス、酸化剤ガス)の予熱機構に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
前記燃料電池として固体酸化物形燃料電池(SOFC)は第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。この固体酸化物形燃料電池は、円筒型、モノリス型、及び平板積層型の3種類が提案されており、いずれも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質を電極となる空気極(カソード)と燃料極(アノード)との間に挟んだ積層構造を有する。この積層体から成る発電セルを、インターコネクタ(セパレータ)を介して多数接続してスタックを構成し、必要によりガス供給用のディストリビュータを介在させる。これらスタック、ディストリビュータを断熱材や耐熱金属、或いはセラミックス等で構成される函体に収納してい燃料電池モジュールを構成している。
【0003】
固体酸化物形燃料電池では、空気極側に酸素 (空気) が、燃料極側に燃料ガス(H2 、CO、CH4 等) が供給される。空気極と燃料極は、ガスが固体電解質との界面に到達することができるように、いずれも多孔質の層とされている。
【0004】
空気極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、燃料極の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極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(H2 O、CO2 等)を生じ、燃料極に電子を放出する。この電子を外部に電気として取り出し、起電力を得る。
【0005】
固体電解質層は、酸化物イオンの移動媒体であると同時に、燃料ガスと空気を直接接触させないための隔壁としても機能するので、ガス不透過性の緻密な構造となっている。この固体電解質層は、酸化物イオン伝導性が高く、空気極側の酸化性雰囲気から燃料極側の還元性雰囲気までの条件下で化学的に安定で、熱衝撃に強い材料から構成する必要があり、かかる要件を満たす材料として、イットリアを添加した安定化ジルコニア(YSZ)が一般的に使用されている。
【0006】
一方、電極である空気極層と燃料極層は、何れも電子伝導性の高い材料から構成する必要がある。空気極材料は、1000℃前後の酸化性雰囲気中で化学的に安定でなければならないため、金属は不適当であり、電子伝導性を持つペロブスカイト型酸化物材料、具体的にはLaMnO3 もしくはLaCoO3 、または、これらのLaの一部をSr、Ca等に置換した固溶体が一般に使用されている。また、燃料極材料としては、Ni、Coなどの金属、或いはNi−YSZ、Co−YSZなどのサーメットが一般的である。
【0007】
ところで、既述したように、発電セルにおける電気化学反応は1000℃前後の高温の酸化性雰囲気中で行われるが、この際の電池反応を活性化するため、反応用のガスとなる酸素(空気)や燃料ガスを必要温度(例えば、数百℃)まで予熱する必要がある。
【0008】
従来では、燃料電池モジュールを構成する函体の周囲に空気予熱管や燃料ガス予熱管を配置して外部からの導入ガスを予熱していた。これら空気予熱管や燃料ガス予熱管は、例えば、2重管構造を有し、外部より供給される空気や燃料ガスをそれぞれ2重管の内管側より導入すると共に、外管側には、排気ガスとして外部に排出される内部燃焼ガスを通過させることにより、内管を通過する低温のガスを高温の排気ガスで予熱(熱交換)するというものである。
空気予熱管で予熱された空気は酸化剤ガス用ディストリビュータを介して各発電セルの空気極側に供給され、燃料ガス予熱管で予熱された燃料ガスは燃料ガス用ディストリビュータを介して各発電セルの燃料極側に供給される。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、空気予熱管や燃料ガス予熱管が上記したような2重管構造の熱交換器では十分な熱交換が行われず、排気ガスの熱を効率よく吸収して管内のガスを高温度に予熱することは難しかった。加えて、これら2重管構造の予熱管は、通常函体内周部を被包する断熱材内に埋設されていることから、構造的にも複雑であった。
【0010】
本発明は、上記従来の問題に鑑みて成されたもので、スタックから放射される熱をガスの予熱に積極的に用いる共に、ガスの予熱面積を十分確保して効率的な予熱を行える予熱機構を備えた燃料電池を提供することを目的としている。
【0011】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項1に記載の本発明は、電解質層の一方に燃料極層を、他方に酸化剤極層を形成した発電セルを複数接続してスタックを構成すると共に、当該スタックを函体に収容して燃料電池モジュールを構成し、外部より前記燃料極層および前記酸化剤極層に各々反応用のガスを供給する燃料電池において、前記スタックを囲むように前記函体の内部に前記ガスの流路となる空洞を形成し、燃料電池からの放射熱により空洞内に流入するガスを予熱する機構を有することを特徴としている。
本構成では、反応用のガス(燃料ガス、酸化剤ガス)の予熱エネルギーとして燃料電池から放射される熱を活用するため、十分な予熱が行える。また、従来の2重管構造に比べて予熱機構も簡略化される。
【0012】
また、請求項2に記載の本発明は、請求項1に記載の燃料電池において、前記空洞は、前記函体の外周方向に1層もしくは2層以上形成されており、且つ、前記ガスが外周層より導入されると共に、内側の層に向かって流通する構造を有することを特徴としている。
本構成では、外周層においては導入ガスとの熱交換で燃料電池モジュールの外観側を冷却でき、且つ、内層に向かうに連れてスタックからの放射熱にて予熱される形となる。また、空洞を多層にすることにより、ガスの予熱面積(即ち、予熱区間)を大きくすることができ、よって十分な予熱が行える。
【0013】
また、請求項3に記載の本発明は、請求項2に記載の燃料電池において、前記外周層の空洞の厚さを30mm以内としたことを特徴としている。
本構成では、最外層の空洞内を流通する導入ガスの線速度を速くすることができ、燃料電池モジュールの外観側の冷却効果を向上できると共に、内層側の熱が外観側に発散するのを阻止し、内層側を高温に保持できる。
【0014】
また、請求項4に記載の本発明は、請求項3に記載の燃料電池において、前記内側の層の空洞の厚さを前記外周層の空洞の厚さの2倍以上としたことを特徴としている。
本構成では、内側の層の空洞内を流通する導入ガスの線速度は遅い状態を維持するため、導入ガスは放射熱にて十分に予熱される。
【0015】
また、請求項5に記載の本発明は、請求項1から請求項4までの何れかに記載の燃料電池において、前記空洞の壁面にNi下地メッキによるAgメッキを施したことを特徴としている。
例えば、空洞を形成する壁材としてSUS等の耐熱金属を用い、その表面にAgメッキを施すことにより、高温酸化雰囲気下において優れた耐食性(耐酸化性)が得られ、予熱機構の寿命を向上できる。
【0016】
また、請求項6に記載の本発明は、請求項1から請求項5までの何れかに記載の燃料電池において、前記空洞の層間に断熱層を設けたことを特徴としている。本構成では、内層側の熱を外層側に逃がさず高温に保持できるため、内部の熱エネルギーを効率良く活用でき、且つ、十分な予熱が行えるようになる。
【0017】
また、請求項7に記載の本発明は、請求項1から請求項6までの何れかに記載の燃料電池において、内側に位置する前記空洞内に、排気ガスを排出するための排気管を設置したことを特徴としている。
本構成では、スタックからの放射熱と排ガスの熱により空洞内を加熱できるため、十分な予熱が行えるようになる。特に、冷風が流入する酸化剤ガス用の空洞に適用すると、より効果的である。
【0018】
また、請求項8に記載の本発明は、請求項1から請求項7までの何れかに記載の燃料電池において、前記燃料極層に供給する燃料ガス用の空洞と前記酸化剤極層に供給する酸化剤ガス用の空洞とを備えることを特徴としている。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、図1〜図3に基づいて本発明の実施形態を説明する。
【0020】
図1は本発明が適用された燃料電池モジュール(平板積層型の固体酸化物形燃料電池)の第1実施形態を示している。
図1に示す燃料電池モジュール10は、固体電解質層2の一方の面に燃料極層3を、他方の面に酸化剤極層4(空気極層)を配置して発電セル5を構成し、この発電セル5と後述のセパレータ8とを交互に複数積層して筒状に構成したスタック1を有する。
【0021】
前記セパレータ8は、各発電セル間を電気的に接続すると同時に各発電セル5に対して反応用のガスを供給する機能を有しており、燃料ガス(H2 )をセパレータ8の外周面から導入して燃料極層側の中央部から噴出させる燃料通路6と、酸化剤ガス(空気)をセパレータ8の外周面から導入して酸化剤極層側の中央部から噴出させる酸化剤通路7とをそれぞれ有している。
【0022】
また、スタック1の一方側には、各セパレータ8の燃料通路6に燃料ガス用接続管11を通して外部から導入される燃料ガスを分配する燃料ガス用ディストリビュータ13が、他方側には、各セパレータ8の酸化剤通路7に酸化剤ガス用接続管12を通して外部からの酸化剤ガスを分配する酸化剤ガス用ディストリビュータ14が、それぞれ発電セル5の積層方向に沿って立設されている。
【0023】
これらスタック1や各ディストリビュータ13、14等を耐熱金属製(例えば、SUS製)の函体20に収容して燃料電池モジュール10が構成されている。また、この函体20の上下両端には、スタック1の最端部に配設されたセパレータ8、8から引き出された正極端子18および負極端子19がそれぞれ相対向する形で突設されていると共に、函体20の上部に排気管17が突設されており、この排気管17の排気口17aから電池反応により生成された反応ガス(排気ガス)が外部に排出されるようになっている。
【0024】
ところで、上記構成の燃料電池モジュール10にあっては、SUS製の函体20の内壁に沿って、且つ、外周方向に向かって耐熱金属板を母材とした隔壁9aを設けてガスの流路となる予熱空洞が形成されている。本実施形態では、この隔壁9aを所定の間隔にて2重に設けて2層構造の空洞を形成し、更に、縦方向の中央付近に横方向に区画壁9bを設けてこの予熱用空洞を上下2つに分割し、各々気密状態に分離された上方部の酸化剤ガス用予熱空洞15と下方部の燃料ガス用予熱空洞16とにより、外部より導入される反応用のガスの予熱機構を構成している。
【0025】
この隔壁9aおよび区画壁9bは、例えば、耐熱性、耐腐食性に優れるSUS板を母材とし、高温酸化雰囲気下において優れた耐食性(耐酸化性)が得られるよう、その表面にNiメッキを下地としたAgメッキが施してある。これにより、予熱機構の高寿命化が図られている。
【0026】
また、酸化剤ガス用予熱空洞15においては、外側の隔壁9aに設けた通孔21によって予熱空洞を形成する外層と内層とが連通されており、酸化剤ガス供給口23より導入される酸化剤ガス(空気)が外層部から内層部に向かって流通しながら酸化剤ガス供給管25を経て前記した酸化剤ガス用ディストリビュータ14に供給されるようになっている。
一方、燃料ガス用予熱空洞16においては、外側の隔壁9aに設けた通孔22によって予熱空洞の外層と内層が連通されており、燃料ガス供給口24より導入される燃料ガス(H2 )が外層部から内層部に向かって流通しながら燃料ガス供給管26を経て前記した燃料ガス用ディストリビュータ13に供給されるようになっている。
【0027】
上記構成の燃料電池モジュール10では、スタック1における電池反応(発電)のためにセルの内部温度は900〜1000℃の高温を維持しており、よってその放射熱を受熱し、函体内に設けた燃料ガス用予熱空洞16および酸化剤ガス用予熱空洞15の内部も高温となっている。
【0028】
この様な状況下で、燃料ガス供給口24より燃料ガス用予熱空洞16に導入された低温の燃料ガス(H2 )は、矢印方向に外層部を経て内層部に向かって流通し、その流通過程において空洞内の高温雰囲気により所定温度まで加熱(予熱)されつつ、内層部の燃料ガス供給管26を経て燃料ガス用ディストリビュータ13に供給される。
予熱ガスは、一旦この燃料ガス用ディストリビュータ13に充填されて各々複数の燃料ガス用接続管11に分配され、それぞれの接続管11から各々セパレータ8の燃料通路6を介してその中心部より噴出し、各発電セル5の燃料極層3に供給される。そして、電極反応で生成された水蒸気と少量の過剰燃料(未反応ガス)はスタック1の外周部から函体内に排出される。
【0029】
一方、酸化剤ガス供給口23より酸化剤ガス用予熱空洞15に導入された低温の酸化剤ガス(空気)は、矢印方向に外層部を経て内層部に向かって流通し、流通過程において空洞内の高温雰囲気により所定温度まで加熱(予熱)された後、内層部の酸化剤ガス供給管25を経て酸化剤ガス用ディストリビュータ14に供給される。
予熱空気は、一旦この酸化剤ガス用ディストリビュータ14に充填されて複数の各酸化剤ガス用接続管12に分配され、それぞれの接続管12から各々セパレータ8の酸化剤通路7を介してその中心部より噴出し、各発電セル5の酸化剤極層4に供給される。
【0030】
この酸化剤極層4において酸素イオンとなり、固体電解質内部を拡散して前記燃料極層3に到達し、燃料ガスと反応する。この電池反応により、発電セル5(即ち、スタック1)に起電力が発生し、正極端子18と負極端子19より必要な電力が取り出される。
反応後の酸化剤ガスはスタック外に排出され、燃料極層3より排出される過剰燃料(未反応ガス)と反応してスタック1の周辺で燃焼し、その際の高温排気ガス(CO2 )が水蒸気(H2 O)と共に函体上部の排気管17を通して電池外に排出される。
【0031】
このように、本発明は燃料ガスおよび酸化剤ガスの予熱エネルギーにスタック1の発電による放射熱を利用しているため、排気ガスの熱のみを利用した従来型の予熱機構に比べて十分な予熱を行うことができ、電池反応を活性化して発電効率を向上できる。且つ、予熱機構も従来の2重管構造に比べて簡略化できる。
【0032】
加えて、燃料ガス用予熱空洞16および酸化剤ガス用予熱空洞15を2層構造とすることにより、ガスの予熱区間を十分確保することができる。特に、多層構造の予熱空洞では、外層部においては外部より導入される低温ガスとの熱交換で燃料電池モジュール外観部の冷却機能を果たすと共に、内層部における高温雰囲気中では十分な予熱が行われることになる。
【0033】
また、本実施形態では、上記構成の予熱機構において、外周層の予熱空洞15、16の厚さを30mm以内と狭くし、且つ、内側の層の予熱空洞15、16の厚さは外周層の2倍以上と広くしている。外層側を狭くすることにより、空洞内を流通する導入ガスの線速度を速くすることができ、燃料電池モジュールの外観側の冷却効果を向上できると共に、内層側の熱が外観側に発散するのを阻止し、内層側を高温に保持できる。外周層における予熱空洞の厚さは燃料電池の出力規模に依存し、大型化するに連れて厚さは増す。逆に出力1KW程度の小型機では厚さ1mm程度が好ましい。
一方、内側の層の予熱空洞15、16の厚さを外周層より広くすることにより、内側の層の予熱空洞内を流通する導入ガスの線速度は減少するため、導入ガスは放射熱にて十分に予熱されて各ディストリビュータに供給されることになる。
【0034】
次に、図2は本発明の第2実施形態を示している。この燃料電池モジュール10のスタック1は図1に示した第1実施形態と全く同じ構成であるが、予熱機構の構造が相違している。
【0035】
即ち、本実施形態では、酸化剤ガス用予熱空洞15および燃料ガス用予熱空洞16において、各予熱空洞の内、外側に位置する予熱空洞との層間に真空部27(真空断熱層27)を設け、相接する層間の熱の伝導(2層構造の場合は内層から外層への熱伝導)を抑制する構造としたものである。
本実施形態では、所定の隙間もって設けた2重構造の隔壁9c、9cにより空洞を形成し、その内部を真空状態として断熱層を形成したものである。この場合も、前記隔壁9aや区画壁9bと同様に、母材はSUS製とし、その表面にNiメッキを下地としたAgメッキが施してある。この真空断熱層27により内層側の熱を外層側に逃がさず、常に各予熱空洞15、16を高温状態に保つことができ、燃料電池の放射熱を効率よく活用できるようになる。
【0036】
次に、図3は本発明の第3実施形態を示している。この実施形態においてもスタック1の構成は図1、図2に示した実施形態と全く同様であるが、予熱機構の構造が相違している。
【0037】
即ち、本実施形態では、酸化剤ガス用予熱空洞15において、内側に位置する予熱空洞内部に排気ガスを排出するための排気管17を設置し、燃料電池からの放射熱で加熱された空洞内を更に排気ガスの熱により加熱するものである。この排気管17の排気口17aは酸化剤ガス用予熱空洞15の内層端部に位置し、排気管17は、同、内層部の他端部より外層部を貫通して函体20より突出しており、酸化剤ガス用予熱空洞15の内層部のほぼ全域をカバーするようになっている。モジュール内部の高温排気ガスは排気管17を通過する間に内層内のガスと熱交換される。
これにより、ガスの予熱がより確実に行えるようになると共に、外部に放出していた排気ガスの熱を予熱エネルギーとして利用できることから、燃料電池のエネルギー効率をより向上することができる。
【0038】
尚、この排気管17は酸化剤ガス用予熱空洞15と共に燃料ガス用予熱空洞16にも設置可能であるが、一般的に、酸化剤ガス(空気)は化学反応用ガスとしてだけでなくモジュールの冷却用としても使用されており、図示しない外部に設置のコンプレッサーやブロワ等より圧縮空気が大量に供給される傾向にあることから、このような冷風が導入される酸化剤ガス用予熱空洞15に設置する方が効果的である。
【0039】
以上の実施形態では、ジルコニア等の固体酸化物を電解質とする固体酸化物形燃料電池(SOFC)について説明したが、これに限るものではなく、燃料ガスと酸化剤ガスの電極反応で発電するものであれば良く、燐酸を電解質とする燐酸形燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、或いは、イオン交換膜を電解質とする固体高分子形燃料電池(PEFC)等にも勿論適用可能である。
【0040】
また、予熱機構となる各々予熱空洞15、16を2層構造としたが、これに限るものではなく1層、もしくは2層以上であれば良く、適用する燃料電池の種類や使用する反応用のガス等に応じて適宜好適な予熱温度が得られるよう予熱空洞を構成すれば良い。
【0041】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、函体の内部に反応用のガスの流路となる空洞を形成したので、反応用のガス(燃料ガス、酸化剤ガス)の予熱エネルギーとして燃料電池から放射される熱を効率良く活用することができ、十分な予熱が行えるようになる。また、従来の2重管構造に比べてガスの予熱区間を大きくでき、且つ予熱機構も簡略化される。
【0042】
また、予熱機構を構成する空洞の壁面にNi下地メッキによるAgメッキを施してあるので、燃料電池モジュール内部の高温酸化雰囲気下において優れた耐食性(耐酸化性)が得られ、予熱機構の寿命を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る燃料電池モジュールの内部構造を示す断面図。
【図2】本発明の第2実施形態に係る燃料電池モジュールの内部構造を示す断面図。
【図3】本発明の第3実施形態に係る燃料電池モジュールの内部構造を示す断面図。
【符号の説明】
1 スタック
2 電解質層(固体電解質層)
3 燃料極層
4 酸化剤極層
5 発電セル
10 燃料電池モジュール
15 酸化剤ガス用予熱空洞
16 燃料ガス用予熱空洞
17 排気管
20 函体
27 断熱層(真空断熱層)[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell, and more particularly, to a mechanism for preheating a reaction gas (fuel gas, oxidizing gas) supplied to a power generation cell.
[0002]
[Prior art]
As the fuel cell, a solid oxide fuel cell (SOFC) is being developed as a third-generation fuel cell for power generation. Three types of solid oxide fuel cells, a cylindrical type, a monolith type, and a flat plate type, have been proposed. In each case, a solid electrolyte composed of an oxide ion conductor is provided with an air electrode (cathode) as an electrode and a fuel. It has a laminated structure sandwiched between a pole (anode). A large number of power generation cells composed of the stacked body are connected via an interconnector (separator) to form a stack, and a gas supply distributor is interposed if necessary. These stacks and distributors are housed in a box made of a heat insulating material, a heat-resistant metal, ceramics or the like to constitute a fuel cell module.
[0003]
In a solid oxide fuel cell, oxygen (air) is supplied to the air electrode side, and fuel gas (H 2 , CO, CH 4, etc.) is supplied to the fuel electrode side. Both the air electrode and the fuel electrode are porous layers so that the gas can reach the interface with the solid electrolyte.
[0004]
Oxygen supplied to the air electrode side passes through pores in the air electrode layer and reaches near the interface with the solid electrolyte layer, where electrons are received from the air electrode and converted into oxide ions (O 2− ). Ionized. The oxide ions diffuse and move in the solid electrolyte layer toward the fuel electrode. The oxide ions that have reached the vicinity of the interface with the fuel electrode react with the fuel gas at this portion to generate a reaction product (H 2 O, CO 2, etc.), and emit electrons to the fuel electrode. The electrons are taken out as electricity to obtain an electromotive force.
[0005]
The solid electrolyte layer is a gas impermeable dense structure because it functions as a partition for preventing direct contact between fuel gas and air, as well as a moving medium for oxide ions. This solid electrolyte layer must be composed of a material that has high oxide ion conductivity, is chemically stable under the conditions from the oxidizing atmosphere on the air electrode side to the reducing atmosphere on the fuel electrode side, and is resistant to thermal shock. As a material satisfying such requirements, stabilized zirconia (YSZ) to which yttria is added is generally used.
[0006]
On the other hand, both the air electrode layer and the fuel electrode layer, which are electrodes, need to be made of a material having high electron conductivity. Since the air electrode material must be chemically stable in an oxidizing atmosphere at about 1000 ° C., a metal is inappropriate, and a perovskite-type oxide material having electron conductivity, specifically, LaMnO 3 or LaCoO 3 is used. 3 or a solid solution obtained by substituting a part of La with Sr, Ca or the like is generally used. As a fuel electrode material, a metal such as Ni or Co, or a cermet such as Ni-YSZ or Co-YSZ is generally used.
[0007]
By the way, as described above, the electrochemical reaction in the power generation cell is performed in a high-temperature oxidizing atmosphere of about 1000 ° C. In order to activate the battery reaction at this time, oxygen (air) serving as a reaction gas is used. ) And the fuel gas must be preheated to a required temperature (for example, several hundred degrees Celsius).
[0008]
Conventionally, an air preheating tube or a fuel gas preheating tube is arranged around a box constituting a fuel cell module to preheat an externally introduced gas. These air preheating pipes and fuel gas preheating pipes have, for example, a double pipe structure, and air and fuel gas supplied from the outside are respectively introduced from the inner pipe side of the double pipe, and at the outer pipe side, By passing internal combustion gas discharged to the outside as exhaust gas, low temperature gas passing through the inner pipe is preheated (heat exchange) with high temperature exhaust gas.
The air preheated by the air preheating pipe is supplied to the air electrode side of each power generation cell via the oxidizing gas distributor, and the fuel gas preheated by the fuel gas preheating pipe is supplied to each power generation cell via the fuel gas distributor. It is supplied to the fuel electrode side.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the air preheating pipe and the fuel gas preheating pipe are not sufficiently heat-exchanged in the double-pipe heat exchanger described above, and the heat in the exhaust gas is efficiently absorbed to preheat the gas in the pipe to a high temperature. It was difficult to do. In addition, these double-tube preheating tubes are structurally complicated because they are usually buried in a heat insulating material surrounding the inner periphery of the casing.
[0010]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and uses heat radiated from a stack positively for preheating of a gas, and at the same time, sufficiently secures a preheating area of a gas to perform efficient preheating. It is an object of the present invention to provide a fuel cell having a mechanism.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
That is, according to the present invention, a fuel electrode layer is formed on one of the electrolyte layers, and a plurality of power generation cells each having an oxidant electrode layer formed on the other are connected to form a stack. The fuel cell module accommodates the fuel cell module and supplies a gas for reaction to the fuel electrode layer and the oxidant electrode layer from the outside. In the fuel cell, the gas is contained inside the box so as to surround the stack. It is characterized by having a mechanism for forming a cavity serving as a flow path and preheating gas flowing into the cavity by radiant heat from the fuel cell.
In this configuration, since the heat radiated from the fuel cell is used as the preheating energy of the reaction gas (fuel gas, oxidizing gas), sufficient preheating can be performed. Further, the preheating mechanism is simplified as compared with the conventional double pipe structure.
[0012]
According to a second aspect of the present invention, in the fuel cell according to the first aspect, the cavity is formed in one or more layers in an outer circumferential direction of the box, and the gas is formed in an outer circumferential direction. It is characterized by having a structure that is introduced from the layer and flows toward the inner layer.
In this configuration, in the outer peripheral layer, the external side of the fuel cell module can be cooled by heat exchange with the introduced gas, and is preheated by radiant heat from the stack toward the inner layer. In addition, by making the cavities multilayer, the preheating area of the gas (that is, the preheating section) can be increased, and thus sufficient preheating can be performed.
[0013]
According to a third aspect of the present invention, in the fuel cell according to the second aspect, the thickness of the cavity of the outer peripheral layer is set to 30 mm or less.
In this configuration, the linear velocity of the introduced gas flowing in the outermost cavity can be increased, the cooling effect on the outer side of the fuel cell module can be improved, and the heat of the inner layer can be dissipated to the outer side. And the inner layer side can be kept at a high temperature.
[0014]
According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel cell according to the third aspect, the thickness of the cavity of the inner layer is twice or more the thickness of the cavity of the outer peripheral layer. I have.
In this configuration, the introduced gas is sufficiently preheated by radiant heat in order to maintain a low linear velocity of the introduced gas flowing in the cavity of the inner layer.
[0015]
According to a fifth aspect of the present invention, in the fuel cell according to any one of the first to fourth aspects, the wall surface of the cavity is subjected to Ag plating by Ni base plating.
For example, by using a heat-resistant metal such as SUS as a wall material for forming a cavity and applying Ag plating to the surface thereof, excellent corrosion resistance (oxidation resistance) is obtained in a high-temperature oxidizing atmosphere, and the life of the preheating mechanism is improved. it can.
[0016]
According to a sixth aspect of the present invention, in the fuel cell according to any one of the first to fifth aspects, a heat insulating layer is provided between the hollow layers. In this configuration, since the heat of the inner layer side can be maintained at a high temperature without being released to the outer layer side, the internal heat energy can be efficiently used and sufficient preheating can be performed.
[0017]
According to a seventh aspect of the present invention, in the fuel cell according to any one of the first to sixth aspects, an exhaust pipe for discharging exhaust gas is installed in the cavity located inside. It is characterized by doing.
In this configuration, since the inside of the cavity can be heated by the radiation heat from the stack and the heat of the exhaust gas, sufficient preheating can be performed. In particular, it is more effective when applied to a cavity for oxidant gas into which cool air flows.
[0018]
According to an eighth aspect of the present invention, in the fuel cell according to any one of the first to seventh aspects, a fuel gas cavity supplied to the fuel electrode layer and a fuel gas supplied to the oxidant electrode layer are provided. And a cavity for the oxidizing gas.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0020]
FIG. 1 shows a first embodiment of a fuel cell module (flat stack type solid oxide fuel cell) to which the present invention is applied.
In a
[0021]
The
[0022]
On one side of the
[0023]
The
[0024]
By the way, in the
[0025]
The
[0026]
In the oxidizing
On the other hand, in the fuel
[0027]
In the
[0028]
Under such circumstances, the low-temperature fuel gas (H 2 ) introduced into the fuel
The preheating gas is once filled in the
[0029]
On the other hand, the low-temperature oxidizing gas (air) introduced into the oxidizing
The preheated air is once filled in the oxidizing
[0030]
Oxygen ions are formed in the oxidant electrode layer 4 and diffuse inside the solid electrolyte to reach the fuel electrode layer 3 and react with the fuel gas. Due to this battery reaction, an electromotive force is generated in the power generation cell 5 (that is, the stack 1), and necessary power is taken out from the
The oxidant gas after the reaction is discharged out of the stack, reacts with excess fuel (unreacted gas) discharged from the fuel electrode layer 3 and burns around the
[0031]
As described above, since the present invention uses the radiant heat generated by the power generation of the
[0032]
In addition, since the preheating
[0033]
Further, in the present embodiment, in the preheating mechanism having the above-described configuration, the thickness of the preheating
On the other hand, by making the thickness of the preheating
[0034]
Next, FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention. The
[0035]
That is, in the present embodiment, in the preheating
In the present embodiment, a cavity is formed by the
[0036]
Next, FIG. 3 shows a third embodiment of the present invention. Also in this embodiment, the configuration of the
[0037]
That is, in the present embodiment, in the preheating
As a result, the gas can be preheated more reliably, and the heat of the exhaust gas discharged to the outside can be used as preheating energy, so that the energy efficiency of the fuel cell can be further improved.
[0038]
The
[0039]
In the above embodiment, a solid oxide fuel cell (SOFC) using a solid oxide such as zirconia as an electrolyte has been described. However, the present invention is not limited to this, and an electric power is generated by an electrode reaction between a fuel gas and an oxidizing gas. Any type of phosphoric acid fuel cell (PAFC) using phosphoric acid as an electrolyte, a molten carbonate fuel cell (MCFC) using a molten carbonate as an electrolyte, or a solid polymer fuel cell using an ion exchange membrane as an electrolyte (PEFC) and the like can of course be applied.
[0040]
Further, the preheating
[0041]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the cavity serving as the flow path of the reaction gas is formed inside the box, the fuel cell is used as the preheating energy of the reaction gas (fuel gas, oxidizing gas). The heat radiated from the air can be efficiently used, and sufficient preheating can be performed. Further, the preheating section of the gas can be made longer than in the conventional double pipe structure, and the preheating mechanism can be simplified.
[0042]
In addition, since the wall surface of the cavity constituting the preheating mechanism is plated with Ag by Ni base plating, excellent corrosion resistance (oxidation resistance) is obtained in a high-temperature oxidizing atmosphere inside the fuel cell module, and the life of the preheating mechanism is extended. Can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing the internal structure of a fuel cell module according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing the internal structure of a fuel cell module according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view showing the internal structure of a fuel cell module according to a third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1
REFERENCE SIGNS LIST 3 fuel electrode layer 4
Claims (8)
前記スタックを囲むように、前記函体の内部に前記ガスの流路となる空洞を形成し、燃料電池からの放射熱により空洞内に流入するガスを予熱する機構を有することを特徴とする燃料電池。A fuel electrode layer is formed on one of the electrolyte layers, and a plurality of power generation cells each having an oxidant electrode layer formed on the other are connected to form a stack, and the stack is housed in a box to form a fuel cell module. In a fuel cell for supplying a reaction gas to each of the fuel electrode layer and the oxidant electrode layer,
A fuel having a mechanism for forming a cavity serving as a flow path of the gas inside the box so as to surround the stack, and preheating a gas flowing into the cavity by radiant heat from a fuel cell. battery.
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