JP2005100821A - High temperature type fuel cell system - Google Patents

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Susumu Aikawa
進 相川
Masahiro Kuroishi
正宏 黒石
Takeshi Saito
健 斎藤
Toshiya Abe
俊哉 阿部
Kosaku Fujinaga
幸作 藤永
Kentaro Suzuki
賢太郎 鈴木
Motoyasu Miyao
元泰 宮尾
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Toto Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a suitable means in order to effectively utilize reaction heat by preventing that reaction heat generated accompanied by a power generation reaction inside a high temperature type fuel cell stack of a high temperature type fuel cell system is dissipated as a heat discharge loss through a heat-insulating and temperature reserving layer formed so as to surround the high temperature type fuel cell stack. <P>SOLUTION: In the high temperature type fuel cell system which is provided with an electrolyte, oxidizer gas supply lines for supplying the oxidizer gases to a fuel electrode, an air electrode, and the fuel cell stack at both sides of the electrolyte, a fuel gas supply line for supplying the fuel gas to the fuel cell stack, and the heat-insulating and temperature reserving layer at surroundings of the fuel cell stack, a heat utilizing measure is provided between the fuel cell stack and the heat-insulating and temperature-reserving layer or inside the heat-insulating and temperature-reserving layer. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、高温型燃料電池システムに係り、特に固体酸化物形燃料電池や溶融炭酸塩形燃料電池などのように運転温度が高い高温型燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの内部において発電反応に伴って発生する反応熱(以下、発電反応熱とも記載)を有効に利用するための好適な手段を提供する発明である。   The present invention relates to a high-temperature fuel cell system, and in particular, in a high-temperature fuel cell system having a high operating temperature such as a solid oxide fuel cell or a molten carbonate fuel cell, the power generation reaction is performed inside the fuel cell stack. It is an invention that provides a suitable means for effectively utilizing the reaction heat (hereinafter also referred to as power generation reaction heat) that is generated.

従来の高温型燃料電池システムの代表例を図4に示す。従来の高温型燃料電池システムは、燃料電池スタック1の内部において発電反応に伴って発生する反応熱を利用するために燃料改質器110を燃料電池スタック1の内部に内蔵している(例えば、特許文献1および特許文献2参照。)。高温型燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック1の運転温度が、燃料電池システムの設置されている環境温度より高いため、その運転温度を維持し断熱保温するための断熱保温層4が燃料電池スタック1の周囲に配設されている。この場合、反応熱の一部は内蔵された燃料改質器110に利用されるが、大半の反応熱は周囲に配設された断熱保温層4を通してシステム外に放熱されてしまう。この放熱により高温型燃料電池システムの燃料電池スタック1の内部において発電反応に伴って発生する反応熱の有効利用が損なわれ、総合的なエネルギー利用効率が低くなるという問題があった。   A typical example of a conventional high-temperature fuel cell system is shown in FIG. The conventional high-temperature fuel cell system incorporates a fuel reformer 110 in the fuel cell stack 1 in order to use reaction heat generated in the fuel cell stack 1 due to a power generation reaction (for example, (See Patent Document 1 and Patent Document 2.) In the high-temperature fuel cell system, since the operating temperature of the fuel cell stack 1 is higher than the environmental temperature in which the fuel cell system is installed, the heat insulating heat insulating layer 4 for maintaining the operating temperature and heat insulating is provided in the fuel cell stack. 1 is disposed around. In this case, a part of the reaction heat is used for the built-in fuel reformer 110, but most of the reaction heat is dissipated outside the system through the heat insulating and heat insulating layer 4 disposed in the surroundings. Due to this heat dissipation, there is a problem that the effective use of reaction heat generated in the fuel cell stack 1 of the high-temperature fuel cell system due to the power generation reaction is impaired, and the overall energy utilization efficiency is lowered.

また、他の従来の高温型燃料電池システムは、燃料電池スタック1の内部において発電反応に伴って発生する反応熱を利用するための熱交換器を燃料電池スタック1に組み込んでいる(例えば、特許文献3参照。)。しかしながら、この場合も、多くの反応熱は熱交換器が組み込まれていない燃料電池スタック1の周囲面の断熱保温層4を通してシステム外に放熱されてしまい、高温型燃料電池システムの燃料電池スタック1の内部において発電反応に伴って発生する反応熱の有効利用が損なわれるという問題があった。
特表2001−507501号公報(第7頁、第1図、第2図) 特開平3−216966号公報(第32頁、第1図) 特表平8−504049号公報(第15頁、第2図)
In addition, other conventional high-temperature fuel cell systems incorporate a heat exchanger in the fuel cell stack 1 for utilizing reaction heat generated in the fuel cell stack 1 due to a power generation reaction (for example, a patent) Reference 3). However, also in this case, much reaction heat is dissipated outside the system through the heat insulation layer 4 on the peripheral surface of the fuel cell stack 1 in which the heat exchanger is not incorporated, and the fuel cell stack 1 of the high temperature fuel cell system. There is a problem that the effective use of the reaction heat generated with the power generation reaction in the interior is impaired.
JP-T-2001-507501 (Page 7, FIGS. 1 and 2) JP-A-3-216966 (page 32, FIG. 1) JP-T-8-504049 (page 15, Fig. 2)

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであって、本発明の課題は、高温型燃料電池システムの燃料電池スタックの内部において発電反応に伴って発生する反応熱が、高温型燃料電池スタックの周囲に配設された断熱保温層を通して放熱ロスとして損なわれることを防止し、反応熱を有効に利用するための好適な手段を提供することである。
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to generate a high-temperature reaction heat generated in the fuel cell stack of a high-temperature fuel cell system due to a power generation reaction. An object of the present invention is to provide a suitable means for effectively utilizing reaction heat by preventing damage from heat dissipation through a heat insulating and heat insulating layer disposed around the fuel cell stack.

上記目的を達成するために、請求項1記載の発明では、電解質と、該電解質の両側に燃料極と空気極と、を備えた燃料電池セルを複数接続してなる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給ラインと、前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料電池スタックの周囲に配設された断熱保温層と、を備える高温型燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックと前記断熱保温層との間または前記断熱保温層中に熱利用手段を備えた。高温型燃料電池システムの燃料電池スタックの内部において発電反応に伴って発生する反応熱が、高温型燃料電池システムの周囲に配設された断熱保温層を通して放熱ロスとして損なわれることをを防止し、反応熱を有効に利用することを可能とした。
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, an electrolyte, a fuel cell stack formed by connecting a plurality of fuel cells each having a fuel electrode and an air electrode on both sides of the electrolyte, and the fuel An oxidant gas supply line for supplying an oxidant gas to the battery stack; a fuel gas supply line for supplying a fuel gas to the fuel cell stack; and a heat insulating heat insulating layer disposed around the fuel cell stack. In the high-temperature fuel cell system, heat utilization means is provided between the fuel cell stack and the heat insulation heat insulation layer or in the heat insulation heat insulation layer. Preventing reaction heat generated by the power generation reaction inside the fuel cell stack of the high-temperature fuel cell system from being damaged as a heat dissipation through the heat insulating thermal insulation layer disposed around the high-temperature fuel cell system, The reaction heat can be used effectively.

請求項2記載の発明によれば、燃料電池スタックと断熱保温層との間、もしくは断熱保温層中に燃料改質器を設置したことにより、従来断熱保温層を通して放熱していた反応熱を燃料改質の吸熱反応に有効利用することを可能とした。   According to the second aspect of the present invention, the reaction heat that has been radiated through the heat insulating heat insulation layer by the fuel reformer is installed between the fuel cell stack and the heat insulating heat insulating layer or in the heat insulating heat insulating layer. It was made possible to use it effectively for the endothermic reaction of reforming.

ここでいう燃料改質器は、天然ガスや炭化水素ガスなどの原燃料ガスを水素リッチガスに変換するものであって、一般的には改質触媒が内蔵され、原燃料入口と水素リッチガス出口を有する金属容器で構成されている。燃料改質器の構成材料としては、耐熱合金鋼や耐熱ステンレス鋼などの耐熱金属が好適である。改質触媒は、ペレット状や球状などの粒状触媒の他、波状やハニカム状の金属板表面にニッケルやルテニウムなどの適切な金属をコーティングしたものを燃料改質器内部に構成することもできる。   The fuel reformer referred to here converts raw fuel gas such as natural gas or hydrocarbon gas into hydrogen rich gas, and generally has a reforming catalyst built therein, and connects the raw fuel inlet and the hydrogen rich gas outlet. It is comprised with the metal container which has. As a constituent material of the fuel reformer, a heat resistant metal such as a heat resistant alloy steel or a heat resistant stainless steel is suitable. As the reforming catalyst, in addition to a granular catalyst such as a pellet or sphere, a corrugated or honeycomb metal plate surface coated with an appropriate metal such as nickel or ruthenium can also be configured inside the fuel reformer.

請求項3の発明によれば、燃料電池スタックと断熱保温層との間、もしくは断熱保温層中に燃料改質器を設置し、さらに燃料改質器を燃料ガス供給ラインの途中に設けたことにより、従来断熱保温層を通して放熱していた反応熱を高温型燃料電池システムに供給される原燃料ガスの燃料改質の吸熱反応に有効利用することを可能とした。高温型燃料電池システムに供給される燃料ガスは好ましくは水素ガスであるが、入手性の点から一般的には天然ガスや炭化水素ガスなどが原燃料ガスとして使用される。この場合燃料電池スタックに導入する前に燃料改質を行って水素リッチガスに変換する必要がある。燃料改質反応は吸熱反応であるため、この熱源として従来断熱保温層を通して放熱していた反応熱を有効利用することが可能となる。   According to the invention of claim 3, the fuel reformer is installed between the fuel cell stack and the heat insulation heat insulation layer or in the heat insulation heat insulation layer, and the fuel reformer is provided in the middle of the fuel gas supply line. As a result, the reaction heat that has been radiated through the heat insulation and heat insulation layer can be effectively used for the endothermic reaction in the fuel reforming of the raw fuel gas supplied to the high temperature fuel cell system. The fuel gas supplied to the high-temperature fuel cell system is preferably hydrogen gas, but natural gas or hydrocarbon gas is generally used as the raw fuel gas from the viewpoint of availability. In this case, before introduction into the fuel cell stack, it is necessary to reform the fuel and convert it into hydrogen-rich gas. Since the fuel reforming reaction is an endothermic reaction, it is possible to effectively utilize the reaction heat that has been radiated through the heat insulating and heat insulating layer as a heat source.

請求項4の発明によれば、燃料電池スタックと断熱保温層との間、もしくは断熱保温層中に気体加熱器を設置したことにより、従来断熱保温層を通して放熱していた反応熱を気体の加熱に有効利用することを可能とした。   According to the fourth aspect of the present invention, the reaction heat that has been radiated through the heat insulating heat insulating layer is heated by the gas heating by installing the gas heater between the fuel cell stack and the heat insulating heat insulating layer or in the heat insulating heat insulating layer. It was possible to use it effectively.

ここでいう気体加熱器は入口と出口を有する密閉容器である。燃料電池スタックと断熱保温層との間、もしくは断熱保温層中に設置することで、入口から低温の気体を導入し反応熱を用いて気体の温度を上昇させ、出口から高温の気体を排出するものである。この容器自体には加熱手段を備えていなくてもよい。容器内部にフィンなどの伝熱促進手段を設けても良い。気体加熱器の構成材料は、一般的に金属材料であるが、使用温度などの使用条件に応じて適切な材料を選択することができる。本発明において、気体加熱器の加熱手段として発電反応に伴って発生する反応熱を利用することにより、高温の気体を得ることができる。   The gas heater here is a closed container having an inlet and an outlet. Installed between or in the fuel cell stack and the heat insulation layer, introduces a low temperature gas from the inlet, raises the temperature of the gas using reaction heat, and discharges the high temperature gas from the outlet Is. The container itself may not be provided with heating means. Heat transfer promoting means such as fins may be provided inside the container. The constituent material of the gas heater is generally a metal material, but an appropriate material can be selected according to use conditions such as use temperature. In the present invention, a high-temperature gas can be obtained by utilizing the reaction heat generated with the power generation reaction as the heating means of the gas heater.

請求項5の発明によれば、燃料電池スタックと断熱保温層との間、もしくは断熱保温層中に気体加熱器を設置し、さらに気体加熱器を燃料ガス供給ラインの途中に設けたことにより、従来断熱保温層を通して放熱していた反応熱を高温型燃料電池システムに供給される燃料の予熱に有効利用することを可能とした。高温型燃料電池システムの運転温度は高いため、供給される燃料ガスは予熱して運転温度に近づけておくことが好ましく、燃料ガスの予熱の熱源として従来断熱保温層を通して放熱していた反応熱を有効利用することが可能となる。   According to the invention of claim 5, by installing a gas heater between the fuel cell stack and the heat insulation heat insulation layer or in the heat insulation heat insulation layer, and further providing the gas heater in the middle of the fuel gas supply line, The reaction heat that has been radiated through the heat insulation layer can be effectively used for preheating the fuel supplied to the high temperature fuel cell system. Since the operating temperature of the high-temperature fuel cell system is high, it is preferable to preheat the supplied fuel gas and bring it close to the operating temperature. It can be used effectively.

請求項6の発明によれば、燃料電池スタックと断熱保温層との間、もしくは断熱保温層中に気体加熱器を設置し、さらに気体加熱器を酸化剤ガス供給ラインの途中に設けたことにより、従来断熱保温層を通して放熱していた反応熱を高温型燃料電池システムに供給される酸化剤ガスの予熱に有効利用することを可能とした。高温型燃料電池システムの運転温度は高いため、供給される酸化剤ガスは予熱して運転温度に近づけておくことが好ましく、酸化剤ガスの予熱の熱源として従来断熱保温層を通して放熱していた反応熱を有効利用することが可能となる。   According to the invention of claim 6, the gas heater is installed between the fuel cell stack and the heat insulating heat insulating layer or in the heat insulating heat insulating layer, and the gas heater is provided in the middle of the oxidant gas supply line. The reaction heat, which has been radiated through the heat insulating layer, can be effectively used for preheating the oxidant gas supplied to the high temperature fuel cell system. Since the operating temperature of the high-temperature fuel cell system is high, it is preferable to preheat the supplied oxidant gas and keep it close to the operating temperature, and the reaction that has been dissipated through the conventional heat insulation layer as a heat source for preheating the oxidant gas. Heat can be used effectively.

請求項7の発明によれば、燃料電池スタックと断熱保温層との間、もしくは断熱保温層中に液体加熱器を設置したことにより、従来断熱保温層を通して放熱していた反応熱を液体の加熱に有効利用することを可能とした。例えば、液体加熱器に水を供給して加熱することにより従来断熱保温層を通して放熱していた反応熱を温水として回収し有効利用することが可能となる。   According to the seventh aspect of the present invention, a liquid heater is installed between the fuel cell stack and the heat insulating heat insulating layer, or in the heat insulating heat insulating layer, so that the reaction heat that has been radiated through the heat insulating heat insulating layer is heated by the liquid. It was possible to use it effectively. For example, by supplying water to a liquid heater and heating it, it is possible to recover and effectively use the reaction heat that has been radiated through the heat insulating and heat insulating layer as warm water.

ここでいう液体加熱器は、入口と出口を有する密閉容器である。燃料電池スタックと断熱保温層との間、もしくは断熱保温層中に設置することで、入口から低温の液体を導入し、反応熱で液体の温度を上昇させ、出口から高温の液体を排出する。この容器自体には加熱手段を備えていなくてもよい。容器内部にフィンなどの伝熱促進手段を設けても良い。液体加熱器の構成材料は、一般的に金属材料であるが、使用温度などの使用条件に応じて適切な材料を選択することができる。   The liquid heater here is a sealed container having an inlet and an outlet. By installing between the fuel cell stack and the heat insulating heat insulating layer or in the heat insulating heat insulating layer, a low temperature liquid is introduced from the inlet, the temperature of the liquid is raised by reaction heat, and the high temperature liquid is discharged from the outlet. The container itself may not be provided with heating means. Heat transfer promoting means such as fins may be provided inside the container. The constituent material of the liquid heater is generally a metal material, but an appropriate material can be selected according to use conditions such as use temperature.

請求項8の発明によれば、燃料電池スタックと断熱保温層との間、もしくは断熱保温層中に蒸気発生器を設置したことにより、従来断熱保温層を通して放熱していた反応熱を液体の加熱蒸発に有効利用することを可能とした。例えば、液体加熱器に水を供給して加熱蒸発させることにより従来断熱保温層を通して放熱していた反応熱を水蒸気として回収し有効利用することが可能となる。また、前記の燃料改質器が水蒸気改質反応を利用している場合には、この水蒸気を燃料改質器に導入することにより改質反応に必要な水蒸気として利用することも可能となる。   According to the eighth aspect of the present invention, the reaction heat that has been radiated through the heat insulating heat insulating layer is heated by heating the liquid generator between the fuel cell stack and the heat insulating heat insulating layer or in the heat insulating heat insulating layer. It can be used effectively for evaporation. For example, by supplying water to the liquid heater and evaporating it by heating, it is possible to recover and effectively use the reaction heat that has been radiated through the heat insulating and heat insulating layer as steam. Further, when the fuel reformer uses a steam reforming reaction, the steam can be used as steam necessary for the reforming reaction by introducing the steam into the fuel reformer.

蒸気発生器は、入口と出口を有する密閉容器であって、入口から低温の液体を導入し反応熱を利用して液体の温度を上昇させ蒸発させ、出口から高温の気体を排出するものである。容器内部にフィンなどの伝熱促進手段を設けても良い。液体が蒸発することに伴う体積増加によって容器内部の圧力上昇が発生するため、容器を耐圧構造にしたり、安全弁などの安全装置を設置することが好ましい。液体加熱器の構成材料は、一般的に金属材料であるが、使用温度、使用圧力などの使用条件に応じて適切な材料を選択することができる。   A steam generator is a sealed container having an inlet and an outlet, which introduces a low-temperature liquid from the inlet, raises the temperature of the liquid using reaction heat, evaporates, and discharges a high-temperature gas from the outlet. . Heat transfer promoting means such as fins may be provided inside the container. Since the pressure inside the container increases due to the increase in volume accompanying the evaporation of the liquid, it is preferable to make the container a pressure resistant structure or install a safety device such as a safety valve. The constituent material of the liquid heater is generally a metal material, but an appropriate material can be selected according to use conditions such as use temperature and use pressure.

請求項9の発明によれば、燃料電池スタックと断熱保温層との間、もしくは断熱保温層中に蓄熱器を設置したことにより、従来断熱保温層を通して放熱していた反応熱を蓄熱して有効利用することを可能とした。   According to the invention of claim 9, by installing a heat accumulator between the fuel cell stack and the heat insulation heat insulation layer or in the heat insulation heat insulation layer, the heat of reaction that has been radiated through the heat insulation heat insulation layer is stored and effective. It was possible to use it.

蓄熱器は、蓄熱材料を内蔵し、熱を貯蔵し必要な時に取り出すための機能を有する蓄熱装置をいう。蓄熱器には、物質の温度変化を利用して蓄熱する顕熱蓄熱方式と物質の相変化を利用して蓄熱する潜熱蓄熱方式がある。顕熱蓄熱方式に用いられる固体顕熱蓄熱材料としては、レンガ、コンクリート、小石、金属の塊などがあり、液体顕熱蓄熱材料として水、熱媒油などがある。潜熱蓄熱方式に用いられる潜熱蓄熱材料としては、塩化ナトリウム、塩化カルシウムなどの水和塩、パラフィンワックス、脂肪酸、氷、ポリエチレンなどがあり、これらの遷移熱(固体−固体)、融解熱(固体−液体)、蒸発熱(液体−気体)を利用している。蓄熱器の設置場所の温度条件などに応じて、適切な蓄熱材料を選択することができる。   The heat accumulator refers to a heat accumulator having a function of storing heat storage material and storing heat and taking it out when necessary. There are two types of heat accumulators: a sensible heat storage system that stores heat using a temperature change of a substance, and a latent heat storage system that stores heat using a phase change of a material. Solid sensible heat storage materials used in the sensible heat storage system include bricks, concrete, pebbles, metal blocks, and liquid sensible heat storage materials include water and heat transfer oil. Latent heat storage materials used in the latent heat storage system include hydrated salts such as sodium chloride and calcium chloride, paraffin wax, fatty acids, ice, polyethylene, etc., and their transition heat (solid-solid), heat of fusion (solid- Liquid) and heat of evaporation (liquid-gas). An appropriate heat storage material can be selected according to the temperature condition of the installation location of the heat storage device.

請求項10の発明によれば、燃料電池スタックと断熱保温層との間、もしくは断熱保温層中に、燃料電池スタックに囲設されたジャケット容器からなる熱利用手段を設置したことにより、従来断熱保温層を通して放熱していた反応熱の大部分を有効利用することを可能とした。ジャケット容器は、燃料電池スタックを覆うようにその周囲に設置された密閉容器であって、断熱保温層の大部分の面に、熱利用手段を容易に設置することが可能となる。   According to the invention of claim 10, heat insulation means comprising a jacket container surrounded by the fuel cell stack is installed between the fuel cell stack and the heat insulation heat insulation layer or in the heat insulation heat insulation layer. It was possible to effectively use most of the heat of reaction that radiated heat through the thermal insulation layer. The jacket container is a sealed container installed around the fuel cell stack so as to cover the fuel cell stack, and heat utilization means can be easily installed on the most surface of the heat insulating and heat insulating layer.

請求項11の発明によれば、燃料電池スタックと断熱保温層との間、もしくは断熱保温層中に、燃料電池スタックに囲設されたコイル状容器からなる熱利用手段を設置したことにより、従来断熱保温層を通して放熱していた反応熱の大部分を有効利用することを可能とした。コイル状容器は、一般的な配管材料などの管状材料ををコイル状に燃料電池スタックの周囲に設置したものであって、断熱保温層の大部分の面に、熱利用手段を容易に設置することが可能となる。   According to the invention of claim 11, the heat utilization means comprising the coiled container surrounded by the fuel cell stack is installed between the fuel cell stack and the heat insulation heat insulation layer or in the heat insulation heat insulation layer. It was made possible to effectively use most of the reaction heat radiated through the heat insulation layer. The coiled container is a tubular material such as a general piping material that is installed around the fuel cell stack in a coil shape, and heat utilization means are easily installed on the most part of the heat insulation layer. It becomes possible.

請求項12の発明によれば、燃料電池スタックと断熱保温層との間、もしくは断熱保温層中に熱電変換素子を設置したことにより、従来断熱保温層を通して放熱していた反応熱を電力に変換して有効利用することを可能とした。熱電変換素子はゼーベック効果に基づき、熱(温度差)を電力に変換する素子であるため、これを高温の燃料電池スタックと低温の断熱保温層の外部との間に設置することにより電力として回収し有効利用することが可能となる。   According to the twelfth aspect of the present invention, the thermoelectric conversion element is installed between the fuel cell stack and the heat insulating heat insulating layer or in the heat insulating heat insulating layer, thereby converting the heat of reaction conventionally radiated through the heat insulating heat insulating layer into electric power. It was possible to use it effectively. A thermoelectric conversion element is an element that converts heat (temperature difference) into electric power based on the Seebeck effect, so it is recovered as electric power by installing it between the high-temperature fuel cell stack and the outside of the low-temperature heat insulation layer. It can be used effectively.

請求項13の発明によれば、燃料電池スタックと断熱保温層との間、もしくは断熱保温層中に請求項1〜12に記載の熱利用手段を組み合わせて設置したことにより、従来断熱保温層を通して放熱していた反応熱のほとんどすべてを有効利用することを可能とした。
According to the invention of claim 13, by installing the heat utilization means according to claims 1 to 12 between the fuel cell stack and the heat insulation heat insulation layer or in the heat insulation heat insulation layer, the conventional heat insulation heat insulation layer is passed through. It was possible to effectively use almost all of the reaction heat that was dissipating heat.

本発明によれば、高温型燃料電池システムの燃料電池スタックの内部において発電反応に伴って発生する反応熱が、高温型燃料電池スタックの周囲に配設された断熱保温層を通して放熱ロスとして損なわれることを大幅に防止することができ、発電反応に伴って発生する反応熱を有効に利用することができる。従って、高温型燃料電池システムの総合的なエネルギー利用効率を高めることができる。
According to the present invention, the reaction heat generated by the power generation reaction inside the fuel cell stack of the high temperature fuel cell system is lost as a heat dissipation loss through the heat insulating heat insulating layer disposed around the high temperature fuel cell stack. This can be largely prevented, and the reaction heat generated with the power generation reaction can be used effectively. Therefore, the overall energy utilization efficiency of the high-temperature fuel cell system can be increased.

以下に図面を参照して本発明をより具体的に説明する。
本発明の第一の実施形態を図1および図2に示す。図1は円筒形固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池スタック1と断熱保温層4との間に第一ジャケット容器6と第二ジャケット容器7を設置して熱利用を行った実施例の縦断面図である。図2は図1のA−A’断面における横断面図である。燃料電池セル101は円筒形で、図1の上方が開放端、下方が封止端となっており、複数の燃料電池セル101が接続部材(図示しない)によって接続されている。燃料電池セル101の電解質(図示しない)の内側には空気極(図示しない)、外側には燃料極(図示しない)が形成されている。それぞれの燃料電池セル101の内側には空気導入管102が挿入されており、空気供給ライン2から空気分配器103と空気導入管102を経由して、それぞれの燃料電池セル101の空気極に空気が供給されている。空気は酸化剤ガスとして使用される。一方、燃料ガスは燃料電池セル101の下方から燃料電池セル101の燃料極に供給されており、スタック容器105で囲まれた発電室104において発電反応が起こり、電力と反応熱と水が生成される。電力は空気極と燃料極とに接続されたリード線(図示しない)を介して外部に取り出されて利用される。排ガスは、排ガス排出ライン8を通ってスタック容器105の外部に排出される。固体酸化物形燃料電池の運転温度は700〜1000℃程度であるため、スタック容器105の構成材料には耐熱合金鋼や耐熱ステンレス鋼などが用いられる。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to the drawings.
A first embodiment of the present invention is shown in FIGS. FIG. 1 shows a longitudinal section of an embodiment in which heat is utilized by installing a first jacket vessel 6 and a second jacket vessel 7 between a fuel cell stack 1 and a heat insulation layer 4 in a cylindrical solid oxide fuel cell system. FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. The fuel battery cell 101 has a cylindrical shape, and an upper end in FIG. 1 is an open end and a lower end is a sealed end, and a plurality of fuel battery cells 101 are connected by a connecting member (not shown). An air electrode (not shown) is formed inside the electrolyte (not shown) of the fuel cell 101 and a fuel electrode (not shown) is formed outside. An air introduction tube 102 is inserted inside each fuel cell 101, and air is supplied from the air supply line 2 to the air electrode of each fuel cell 101 via the air distributor 103 and the air introduction tube 102. Is supplied. Air is used as the oxidant gas. On the other hand, the fuel gas is supplied from below the fuel cell 101 to the fuel electrode of the fuel cell 101, and a power generation reaction occurs in the power generation chamber 104 surrounded by the stack container 105, generating electric power, reaction heat, and water. The Electric power is taken out and used through a lead wire (not shown) connected to the air electrode and the fuel electrode. The exhaust gas is discharged outside the stack container 105 through the exhaust gas discharge line 8. Since the operating temperature of the solid oxide fuel cell is about 700 to 1000 ° C., a heat resistant alloy steel, a heat resistant stainless steel, or the like is used as a constituent material of the stack container 105.

スタック容器105の下方側面外側および下面外側には第一ジャケット容器6が設置されており、水供給ライン5から水が供給され、発電反応熱によって加熱され蒸発して水蒸気が発生する。発生した水蒸気は水蒸気取出ライン501を介して後述する第二ジャケット容器7に接続され供給されている。水蒸気取出ライン501は断熱保温層4中に埋設することも可能である。また、発生した水蒸気の一部を外部に取り出して利用することも可能である。水蒸気と第二ジャケット容器7に供給する水蒸気の比率は、流量制御弁(図示しない)などを用いて調節することができる。第一ジャケット容器6は、一般的にスタック容器105と同等の構成材料を用いて構成されておりスタック容器105の外表面に溶接などの接合方法によって設置されている。   The first jacket container 6 is installed on the outer side of the lower side surface and the lower surface of the stack container 105. Water is supplied from the water supply line 5, heated by power generation reaction heat, and evaporated to generate water vapor. The generated water vapor is connected and supplied to a second jacket vessel 7 described later via a water vapor extraction line 501. The water vapor extraction line 501 can be embedded in the heat insulating and heat insulating layer 4. It is also possible to take out a part of the generated water vapor and use it. The ratio of the water vapor and the water vapor supplied to the second jacket container 7 can be adjusted using a flow rate control valve (not shown). The first jacket container 6 is generally configured using the same constituent material as that of the stack container 105 and is installed on the outer surface of the stack container 105 by a joining method such as welding.

スタック容器105の上方側面外側および上面外側には別の第二ジャケット容器7が設置されており、燃料ガス供給ライン3から天然ガスが供給されている。第二ジャケット容器7の内部には改質触媒(図示しない)が充填されているため、水蒸気改質反応が起こり、天然ガスは水素リッチガスに変換され、水素リッチガスライン301を通してスタック容器105の内部の発電室104に供給される。改質触媒としてはアルミナなどの担体にニッケルやルテニウムなどの適切な金属を担持したペレット状のものが一般的であるが、他の金属を担持したもの、あるいは球状など他の形状のものであっても使用することができる。水蒸気改質反応に必要な水蒸気は第一ジャケット容器6で発生した水蒸気が使用される。水蒸気改質反応の吸熱反応の熱源としては、発電反応熱が利用される。第二ジャケット容器7も、一般的にスタック容器105と同等の耐熱合金鋼や耐熱ステンレス鋼などの構成材料を用いて構成されており、スタック容器105の外表面に溶接などの接合方法によって設置されている。本実施例では、第二ジャケット容器7の内部には改質触媒が充填されるため、改質触媒を充填したり交換したりするためのメンテナンス口を設けることが好ましい。   Another second jacket container 7 is installed outside the upper side surface and the upper surface outside the stack container 105, and natural gas is supplied from the fuel gas supply line 3. Since the inside of the second jacket vessel 7 is filled with a reforming catalyst (not shown), a steam reforming reaction takes place, the natural gas is converted into a hydrogen rich gas, and the inside of the stack vessel 105 is passed through the hydrogen rich gas line 301. It is supplied to the power generation chamber 104. The reforming catalyst is generally in the form of a pellet in which an appropriate metal such as nickel or ruthenium is supported on a support such as alumina. However, the reforming catalyst is supported on other metal or in other shapes such as a spherical shape. Can also be used. As the steam necessary for the steam reforming reaction, steam generated in the first jacket vessel 6 is used. Power generation reaction heat is used as a heat source for the endothermic reaction of the steam reforming reaction. The second jacket container 7 is also generally made of a constituent material such as heat-resistant alloy steel or heat-resistant stainless steel equivalent to the stack container 105, and is installed on the outer surface of the stack container 105 by a joining method such as welding. ing. In the present embodiment, since the reforming catalyst is filled in the second jacket vessel 7, it is preferable to provide a maintenance port for filling or replacing the reforming catalyst.

図2は図1のA−A’断面における横断面図である。図2から明らかなように第二ジャケット容器7は、燃料電池スタック1の外周全体を覆うように囲設されている。図2では断面形状が四角形のスタック容器を例示しているが、他の多角形や円形などであっても同様にジャケット容器を設置することができる。   2 is a cross-sectional view taken along the line A-A 'of FIG. As apparent from FIG. 2, the second jacket container 7 is surrounded so as to cover the entire outer periphery of the fuel cell stack 1. Although FIG. 2 illustrates a stack container having a quadrangular cross-sectional shape, a jacket container can be similarly installed even if it is another polygonal shape or a circular shape.

図1および図2から分かるように、第一ジャケット容器6と第二ジャケット容器7は、燃料電池スタック1の外表面のうち、燃料ガスや空気の供給と排ガスの排出に必要なスペース以外のほとんどの部分に設置されている。従って、従来断熱保温層4を通して放熱していた反応熱のほとんどを第二ジャケット容器7の水蒸気改質反応の吸熱反応の熱源として有効利用することができる。
さらに、第三ジャケット容器(図示しない)を気体加熱器として設置して、反応熱によって例えば空気(酸化剤ガス)の予熱を行っても良い。
As can be seen from FIGS. 1 and 2, the first jacket container 6 and the second jacket container 7 are almost all of the outer surface of the fuel cell stack 1 except for the space necessary for supplying fuel gas and air and discharging exhaust gas. It is installed in the part of. Therefore, most of the reaction heat that has been radiated through the heat insulation and heat insulation layer 4 can be effectively used as a heat source for the endothermic reaction of the steam reforming reaction of the second jacket vessel 7.
Furthermore, a third jacket container (not shown) may be installed as a gas heater, and for example, air (oxidant gas) may be preheated by reaction heat.

本発明の第二の実施形態を図3に示す。図3は、第一コイル状容器9と第二コイル状容器10による熱利用手段を設置した例であって、燃料電池スタック1の周囲に配設された断熱保温層4中に熱利用手段を設置した場合に該当する。第一コイル状容器9は、スタック容器105の下方外側の断熱保温層4中に設置されており、水供給ライン5から水が供給され、発電反応熱によって加熱され蒸発して水蒸気が発生する。発生した水蒸気は水蒸気取出ライン501を介して後述する第二コイル状容器10に接続され供給されている。水蒸気取出ライン501は、断熱保温層4中に埋設することもできる。発生した水蒸気の一部は外部に取り出して利用することもできる。   A second embodiment of the present invention is shown in FIG. FIG. 3 is an example in which heat utilization means by the first coiled container 9 and the second coiled container 10 is installed, and the heat utilization means is provided in the heat insulating heat insulating layer 4 disposed around the fuel cell stack 1. Applicable when installed. The first coiled container 9 is installed in the heat insulating and heat insulating layer 4 on the lower outer side of the stack container 105. Water is supplied from the water supply line 5, heated by power generation reaction heat, and evaporated to generate water vapor. The generated water vapor is connected and supplied to a second coiled container 10 described later via a water vapor extraction line 501. The water vapor extraction line 501 can also be embedded in the heat insulating and heat insulating layer 4. Part of the generated water vapor can be taken out and used.

第二コイル状容器10は、スタック容器105の上方外側の断熱保温層4中に設置されており、燃料ガス供給ラインから天然ガスが供給されている。第二コイル状容器10の内部には改質触媒(図示しない)が充填されており、水蒸気改質反応が起こり、天然ガスは水素リッチガスに変換され、水素リッチガスライン301を通してスタック容器105の内部の発電室104に供給される。水蒸気改質反応に必要な水蒸気は第一コイル状容器9で発生した水蒸気が使用される。発電反応熱を水蒸気改質反応の吸熱反応の熱源として有効利用することができる。   The second coiled container 10 is installed in the heat insulating and heat insulating layer 4 above the stack container 105, and natural gas is supplied from the fuel gas supply line. The inside of the second coiled vessel 10 is filled with a reforming catalyst (not shown), a steam reforming reaction takes place, the natural gas is converted into a hydrogen rich gas, and the inside of the stack vessel 105 is passed through the hydrogen rich gas line 301. It is supplied to the power generation chamber 104. As the steam necessary for the steam reforming reaction, steam generated in the first coiled container 9 is used. The power generation reaction heat can be effectively used as a heat source for the endothermic reaction of the steam reforming reaction.

第一コイル状容器9および第二コイル状容器10は、配管用炭素鋼鋼管、配管用合金鋼鋼管、配管用ステンレス鋼鋼管など一般的な金属配管材料の他、ボイラ用鋼管、耐熱合金鋼管などを、螺旋状あるいは渦巻状にしてスタック容器105を取り囲むように囲設して構成することができる。第一コイル状容器9および第二コイル状容器10は、燃料電池スタック1の形状が、円筒形や多角筒形、その他複雑な形状であっても容易に設置することが可能である。コイルのピッチを調整することにより、ほぼ隙間なく燃料電池スタック1の外表面に設置することが可能である。さらに第一コイル状容器9および第二コイル状容器10は熱膨張に対する追随性が良いため、熱応力の発生を大幅に緩和することもできる。第一コイル状容器9および第二コイル状容器10の材質、形状、寸法などの詳細は、燃料電池スタック1の種類・運転温度・規模、熱利用手段の種類・温度などの設計条件に応じて適宜選択することができる。   The first coiled container 9 and the second coiled container 10 are made of carbon steel tubes for piping, alloy steel tubes for piping, stainless steel tubes for piping, and other general metal piping materials, as well as steel tubes for boilers, heat-resistant alloy steel tubes, etc. Can be formed so as to surround the stack container 105 in a spiral or spiral shape. The first coiled container 9 and the second coiled container 10 can be easily installed even if the fuel cell stack 1 has a cylindrical shape, a polygonal cylindrical shape, or other complicated shapes. By adjusting the coil pitch, it can be installed on the outer surface of the fuel cell stack 1 with almost no gap. Furthermore, since the first coiled container 9 and the second coiled container 10 have good followability to thermal expansion, the generation of thermal stress can be greatly reduced. Details of the material, shape, dimensions, etc. of the first coiled container 9 and the second coiled container 10 depend on the design conditions such as the type / operating temperature / scale of the fuel cell stack 1 and the type / temperature of the heat utilization means. It can be selected appropriately.

本発明において、複数の熱利用手段を組み合わせることが可能である。例えば、燃料改質器、気体加熱器、液体加熱器、蒸気発生器、蓄熱器、熱電変換素子を適宜組み合わせて使用することができる。また、燃料電池スタックの形状や燃料電池システムの構成上の要求により、複数の熱利用手段の構成をジャケット容器とコイル状容器とを組み合わせることもできる。さらに、それぞれのジャケット容器やコイル状容器は一体型である必要はなく、燃料電池スタックの形状や燃料電池システムの構成上の要求により、分割型とすることもできる。燃料電池スタックを運転する際には、燃料ガスの供給条件や酸化剤ガスの供給条件、燃料電池スタック内部での発電反応の条件により、温度分布が発生することがある。このような場合には、燃料電池スタックの温度分布の状況に応じて、複数の適切な熱利用手段を、適切な構成によって、適切な場所に設置することが好適である。   In the present invention, a plurality of heat utilization means can be combined. For example, a fuel reformer, a gas heater, a liquid heater, a steam generator, a heat accumulator, and a thermoelectric conversion element can be used in appropriate combination. Moreover, the jacket container and the coil-shaped container can be combined with the structure of the plurality of heat utilization means depending on the shape of the fuel cell stack and the configuration requirements of the fuel cell system. Furthermore, each jacket container and coil-shaped container do not need to be an integral type, but can be divided according to the shape of the fuel cell stack and the configuration requirements of the fuel cell system. When the fuel cell stack is operated, temperature distribution may occur depending on the fuel gas supply conditions, the oxidant gas supply conditions, and the power generation reaction conditions inside the fuel cell stack. In such a case, it is preferable to install a plurality of appropriate heat utilization means at an appropriate location with an appropriate configuration in accordance with the temperature distribution state of the fuel cell stack.

熱電変換素子は、ゼーベック効果に基づき、熱(温度差)を電力に変換する素子である。熱電変換材料としてはBi−Te系、シリサイド系など、熱電変換素子のモジュール構成としてはスケルトン型、モノリシック型などが各種提案されている。例えば、第一の実施形態において、第一ジャケット容器および/または第二ジャケット容器の外表面に熱電変換素子を設置して、第一ジャケット容器および/または第二ジャケット容器で回収した残りの反応熱を電力として回収しても良い。熱電変換素子の設置場所の温度や温度差などの使用条件に応じて適切なものを選択することができる。   A thermoelectric conversion element is an element that converts heat (temperature difference) into electric power based on the Seebeck effect. Various thermoelectric conversion materials, such as Bi-Te type and silicide type, and various skeleton type and monolithic type have been proposed as the module configuration of the thermoelectric conversion element. For example, in the first embodiment, a thermoelectric conversion element is installed on the outer surface of the first jacket container and / or the second jacket container, and the remaining reaction heat recovered by the first jacket container and / or the second jacket container. May be recovered as electric power. An appropriate one can be selected according to the use conditions such as the temperature and temperature difference of the installation place of the thermoelectric conversion element.

熱利用手段によって回収された熱エネルギーや電気エネルギーは、当該高温型燃料電池システムで利用することも可能であるが、外部の他の用途に利用することも可能である。   The thermal energy and electrical energy recovered by the heat utilization means can be used in the high temperature fuel cell system, but can also be used for other external applications.

本発明において、高温型燃料電池とは主に運転温度が700〜1000℃程度の固体酸化物形燃料電池、運転温度が650℃程度の溶融炭酸塩形燃料電池をいう。しかし本発明の主旨を逸脱しない範囲で、運転温度が250℃程度のリン酸形燃料電池や運転温度が80℃程度の固体高分子形燃料電池などに適用することは可能である。
In the present invention, the high temperature fuel cell mainly refers to a solid oxide fuel cell having an operating temperature of about 700 to 1000 ° C. and a molten carbonate fuel cell having an operating temperature of about 650 ° C. However, the present invention can be applied to a phosphoric acid fuel cell having an operating temperature of about 250 ° C. or a polymer electrolyte fuel cell having an operating temperature of about 80 ° C. without departing from the gist of the present invention.

本発明の第一の実施形態の高温型燃料電池システムの縦断面図である。1 is a longitudinal sectional view of a high temperature fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第一の実施形態の高温型燃料電池システムの横断面図である。1 is a cross-sectional view of a high temperature fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第二の実施形態の高温型燃料電池システムの縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the high temperature type fuel cell system of 2nd embodiment of this invention. 従来の高温型燃料電池システムの縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the conventional high temperature type fuel cell system.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池スタック、2 酸化剤ガス供給ライン、空気供給ライン、3 燃料ガス供給ライン、4 断熱保温層、5 水供給ライン、 6 第一ジャケット容器、7 第二ジャケット容器、8 排ガス排出ライン、9 第一コイル状容器、10 第二コイル状容器、101 燃料電池セル、102 空気導入管、103 空気分配器、104 発電室、105 スタック容器、110 燃料改質器、301 水素リッチガスライン、501 水蒸気ライン

1 fuel cell stack, 2 oxidant gas supply line, air supply line, 3 fuel gas supply line, 4 heat insulation layer, 5 water supply line, 6 first jacket vessel, 7 second jacket vessel, 8 exhaust gas discharge line, 9 First coiled container, 10 Second coiled container, 101 Fuel cell, 102 Air introduction pipe, 103 Air distributor, 104 Power generation chamber, 105 Stack container, 110 Fuel reformer, 301 Hydrogen rich gas line, 501 Water vapor line

Claims (13)

電解質と、該電解質の両側に燃料極と空気極と、を備えた燃料電池セルを複数接続してなる燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給ラインと、
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、
前記燃料電池スタックの周囲に配設された断熱保温層と、
を備える高温型燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックと前記断熱保温層との間または前記断熱保温層中に熱利用手段を備えたことを特徴とする高温型燃料電池システム。
A fuel cell stack formed by connecting a plurality of fuel cells each including an electrolyte and a fuel electrode and an air electrode on both sides of the electrolyte;
An oxidant gas supply line for supplying an oxidant gas to the fuel cell stack;
A fuel gas supply line for supplying fuel gas to the fuel cell stack;
A heat insulating and heat insulating layer disposed around the fuel cell stack;
In a high temperature fuel cell system comprising:
A high-temperature fuel cell system comprising heat utilization means between the fuel cell stack and the heat insulation heat insulation layer or in the heat insulation heat insulation layer.
前記熱利用手段が燃料改質器であることを特徴とする請求項1に記載の高温型燃料電池システム。 The high-temperature fuel cell system according to claim 1, wherein the heat utilization means is a fuel reformer. 前記燃料改質器が前記燃料ガス供給ラインの途中に設けられたことを特徴とする請求項2に記載の高温型燃料電池システム。 The high-temperature fuel cell system according to claim 2, wherein the fuel reformer is provided in the middle of the fuel gas supply line. 前記熱利用手段が気体加熱器であることを特徴とする請求項1に記載の高温型燃料電池システム。 The high-temperature fuel cell system according to claim 1, wherein the heat utilization means is a gas heater. 前記燃料改質器が前記燃料ガス供給ラインの途中に設けられたことを特徴とする請求項4に記載の高温型燃料電池システム。 The high-temperature fuel cell system according to claim 4, wherein the fuel reformer is provided in the middle of the fuel gas supply line. 前記気体加熱器が前記酸化剤ガス供給ラインの途中に設けられたことを特徴とする請求項4に記載の高温型燃料電池システム。 The high-temperature fuel cell system according to claim 4, wherein the gas heater is provided in the middle of the oxidant gas supply line. 前記熱利用手段が液体加熱器であることを特徴とする請求項1に記載の高温型燃料電池システム。 The high-temperature fuel cell system according to claim 1, wherein the heat utilization means is a liquid heater. 前記熱利用手段が蒸気発生器であることを特徴とする請求項1に記載の高温型燃料電池システム。 The high-temperature fuel cell system according to claim 1, wherein the heat utilization means is a steam generator. 前記熱利用手段が蓄熱器であることを特徴とする請求項1に記載の高温型燃料電池システム。 The high-temperature fuel cell system according to claim 1, wherein the heat utilization means is a regenerator. 前記熱利用手段が前記燃料電池スタックに囲設されたジャケット容器であることを特徴とする請求項1〜9いずれかに記載の高温型燃料電池システム。 The high temperature fuel cell system according to any one of claims 1 to 9, wherein the heat utilization means is a jacket container surrounded by the fuel cell stack. 前記熱利用手段が前記燃料電池スタックに囲設されたコイル状容器であることを特徴とする請求項1〜9いずれかに記載の高温型燃料電池システム。 The high-temperature fuel cell system according to claim 1, wherein the heat utilization means is a coiled container surrounded by the fuel cell stack. 前記熱利用手段が熱電変換素子であることを特徴とする請求項1に記載の高温型燃料電池システム。 The high-temperature fuel cell system according to claim 1, wherein the heat utilization means is a thermoelectric conversion element. 前記熱利用手段が2種以上の熱利用手段の組み合わせであることを特徴とする請求項1〜12いずれかに記載の高温型燃料電池システム。

The high-temperature fuel cell system according to any one of claims 1 to 12, wherein the heat utilization means is a combination of two or more heat utilization means.

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