JP2007005133A - Steam generator and fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a steam generator capable of constantly obtaining a stable amount of steam. <P>SOLUTION: The steam generator 30 is used for a fuel cell 1 formed by housing a fuel cell stack 3 constituted by stacking many power generation cells in a heat insulating housing 2. The steam generator 30 has a heat exchanger 20 installed in the lower part of the housing 2 and using exhausted gas from the fuel cell stack 3 as a heat source, and a water passage through which supply water from the outside is passed from the lower part to the upper part is installed in the heat exchanger 20, and heat conductive beads are filled in the water passage. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は燃料電池に用いる水蒸気発生器に関し、特に、安定した水蒸気量を得ることができる水蒸気発生器に関するものである。   The present invention relates to a steam generator used in a fuel cell, and more particularly to a steam generator that can obtain a stable amount of water vapor.

近年、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池は、高効率でクリーンな発電装置として注目されている。特に、固体酸化物形燃料電池は、発電効率が高く、且つ、排熱を有効に利用できるなどの多くの利点を有することから、第三世代の発電用燃料電池として研究開発が進めらている。   In recent years, fuel cells that directly convert chemical energy of fuel into electrical energy have attracted attention as highly efficient and clean power generators. In particular, solid oxide fuel cells have many advantages such as high power generation efficiency and effective use of exhaust heat, and therefore research and development are underway as third-generation fuel cells for power generation. .

この固体酸化物形燃料電池は、酸化物イオン導電体から成る固体電解質層を両側から空気極層(カソード)と燃料極層(アノード)で挟み込んだ積層構造を有し、発電時には、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガス(酸素) が、また燃料極層側に燃料ガス (H2、CO、CH4等) が供給される。空気極層と燃料極層は、反応用ガスが固体電解質層との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされている。 This solid oxide fuel cell has a laminated structure in which a solid electrolyte layer made of an oxide ion conductor is sandwiched between an air electrode layer (cathode) and a fuel electrode layer (anode) from both sides. As described above, an oxidant gas (oxygen) is supplied to the air electrode layer side, and a fuel gas (H 2 , CO, CH 4, etc.) is supplied to the fuel electrode layer side. The air electrode layer and the fuel electrode layer are both porous layers so that the reaction gas can reach the interface with the solid electrolyte layer.

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

ところで、固体酸化物形燃料電池では、発電セルの電気化学反応が約650〜1000℃の高温酸化性雰囲気中で行われることがら、起動時の電池反応を活性化するため、反応用ガスとして外部より供給される酸素(空気)と燃料ガスを必要温度に予熱する必要がある。また、モジュール内部に燃料改質器を備える内部改質式の燃料電池の場合は、予熱した反応用ガスに加え、燃料改質用に高温度の水蒸気を供給する必要があるため、水蒸気を得るための水蒸気発生器を備えているものが一般的である。
尚、特許文献1には、改質反応に必要な高温水蒸気を供給するための水蒸気発生器を一体的に備えた改質器が開示されている。
特開2003−63803号公報
By the way, in the solid oxide fuel cell, the electrochemical reaction of the power generation cell is performed in a high-temperature oxidizing atmosphere at about 650 to 1000 ° C. It is necessary to preheat oxygen (air) and fuel gas supplied more to a required temperature. In addition, in the case of an internal reforming fuel cell having a fuel reformer inside the module, it is necessary to supply high-temperature steam for fuel reforming in addition to the preheated reaction gas, so that steam is obtained. It is common to have a steam generator for this purpose.
Patent Document 1 discloses a reformer that is integrally provided with a steam generator for supplying high-temperature steam necessary for the reforming reaction.
JP 2003-63803 A

ところで、改質器における改質反応は吸熱反応であるため、十分な改質反応を生じさせて水素豊富な燃料ガスを得るには、高温度の水蒸気を改質器に安定して供給する必要がある。水蒸気の供給量が変動すると、改質反応が不安定となって未改質ガスが発生し、この未改質ガスが燃料ガスとして発電セルに供給されることにより、電極に炭素が析出して電池性能(出力)が低下するという問題が生じる。   By the way, since the reforming reaction in the reformer is an endothermic reaction, it is necessary to stably supply high-temperature steam to the reformer in order to generate a sufficient reforming reaction and obtain a hydrogen-rich fuel gas. There is. When the supply amount of water vapor fluctuates, the reforming reaction becomes unstable and unreformed gas is generated. This unreformed gas is supplied as fuel gas to the power generation cell, so that carbon is deposited on the electrodes. There arises a problem that the battery performance (output) is lowered.

本発明は、上記問題に鑑み成されたもので、その目的は、常に安定した水蒸気量が得られる水蒸気発生器を提供することであり、また別の目的は、上記水蒸気発生器を用いた高性能な燃料電池を提供することである。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a water vapor generator that can always obtain a stable amount of water vapor, and another object is to provide a high water vapor generator using the water vapor generator. It is to provide a high-performance fuel cell.

すなわち、請求項1に記載の本発明は、発電セルを多数積層して構成した燃料電池スタックを断熱ハウジング内に収納し、運転時に前記燃料電池スタックの内部に反応用ガスを供給して発電反応を生じさせると共に、発電反応で生じた排ガスを外部に排気する燃料電池の水蒸気発生器であって、前記ハウジングの下部に設けられて、前記燃料電池スタックからの排ガスを熱源として導入する熱交換器を備え、この熱交換器には、外部からの供給水が下部より上部に流通する水流路が設けられており、且つ、この水流路内に伝熱性のビーズが充填されていることを特徴としている。   That is, according to the first aspect of the present invention, a fuel cell stack formed by stacking a large number of power generation cells is housed in a heat insulating housing, and a reaction gas is supplied into the fuel cell stack during operation to generate a power generation reaction. A steam generator for a fuel cell that exhausts exhaust gas generated by a power generation reaction to the outside, and is provided at a lower portion of the housing and introduces exhaust gas from the fuel cell stack as a heat source The heat exchanger is provided with a water channel through which water supplied from the outside flows from the lower part to the upper part, and the water channel is filled with heat conductive beads. Yes.

また、請求項2に記載の本発明は、請求項1に記載の水蒸気発生器において、前記ビーズは、少なくとも前記供給水が気化可能な高さまで、前記水流路の上流部から充填されていると共に、下流部のビーズ非充填部分に気化した水蒸気の誘導手段が設けられていることを特徴としている。   Further, according to a second aspect of the present invention, in the water vapor generator according to the first aspect, the beads are filled from an upstream portion of the water flow path to a height at which the supply water can be vaporized. Further, vaporized water vapor guiding means is provided in the bead non-filling portion in the downstream portion.

また、請求項3に記載の本発明は、請求項1または請求項2の何れかに記載の水蒸気発生器において、前記熱交換器として、排ガス流路と水流路を交差状、または対向状に備えたプレートフィン型熱交換器を用いたことを特徴としている。   Further, according to a third aspect of the present invention, in the steam generator according to the first or second aspect, as the heat exchanger, the exhaust gas flow channel and the water flow channel are crossed or opposed to each other. The plate fin type heat exchanger provided is used.

また、請求項4に記載の燃料電池は、請求項1から請求項3までの何れかに記載の水蒸気発生器を備えて成ることを特徴としている。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell comprising the water vapor generator according to any one of the first to third aspects.

また、請求項5に記載の本発明は、請求項4に記載の燃料電池において、前記燃料電池が、発電反応に使用されなかった残余のガスを発電セルの外周部より放出するシールレス構造の固体酸化物形燃料電池であることを特徴としている。   According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the fuel cell according to the fourth aspect, wherein the fuel cell releases a residual gas that has not been used for a power generation reaction from an outer peripheral portion of the power generation cell. It is a solid oxide fuel cell.

また、請求項6に記載の本発明は、請求項4または請求項5の何れかに記載の燃料電池において、各々が直列に接続された多段構成の改質器を備え、且つ、少なくとも最前段の改質器は、前記燃料電池スタックから離間して配設されていることを特徴としている。   According to a sixth aspect of the present invention, there is provided the fuel cell according to the fourth or fifth aspect, comprising a multi-stage reformer connected in series, and at least the foremost stage. The reformer is disposed apart from the fuel cell stack.

本発明によれば、水蒸気発生器内(水流路内)に伝熱性ビーズを充填することにより流体(外部供給水)に対する伝熱面積を大きくできるため、熱交換性能が向上し、排熱を利用して効率良く高温度の水蒸気を得ることができる。
また、ビーズの充填により、水流路内を流通する流体が乱流となって混合されるため、熱交換性能がより一層向上すると共に、常に安定した水蒸気量が得られるようになる。
また、外部供給水を水蒸気発生器の下部より上部に流通させると、ビーズの充填は気化可能な高さで良いことになり、よって、必要最小限のビーズを用いて、安定した高温水蒸気を得ることが可能となる。
According to the present invention, the heat transfer area for the fluid (externally supplied water) can be increased by filling the water vapor generator (in the water flow path) with the heat conductive beads, thereby improving the heat exchange performance and utilizing the exhaust heat. Thus, high temperature water vapor can be obtained efficiently.
Moreover, since the fluid flowing through the water flow path is mixed as a turbulent flow by filling the beads, the heat exchange performance is further improved, and a stable water vapor amount can always be obtained.
In addition, when externally supplied water is circulated from the lower part to the upper part of the steam generator, the bead filling needs to be a vaporizable height, so that stable high-temperature steam can be obtained using the minimum necessary beads. It becomes possible.

以下、図1〜図3に基づいて本発明の一実施形態を説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1は本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部構成を示し、図2は本発明に係る水蒸気発生器の内部構造を示し、図3は燃料電池スタックの要部構成を示している。   FIG. 1 shows the internal structure of a solid oxide fuel cell to which the present invention is applied, FIG. 2 shows the internal structure of a steam generator according to the present invention, and FIG. 3 shows the main structure of a fuel cell stack. Yes.

図1において、符号1は固体酸化物形燃料電池、符号2は内壁に断熱材18を付装したハウジング(缶体)、符号3は積層方向を縦にしてハウジング2の内部に配設された燃料電池スタックである。本実施形態は、ハウジング2内に複数(例えば、8基)の燃料電池スタック3を集合・配置して高出力型の燃料電池モジュールを構成している。この燃料電池モジュール(固体酸化物形燃料電池1)が架台40の上に設置されている。また、ハウジング2内の各燃料電池スタック3には、反応用ガスとして外部から供給される燃料ガスおよび酸化剤ガス(空気)を各燃料電池スタック3内に導入するための燃料ガス供給管15と酸化剤ガス供給管16が接続されている。
尚、燃料ガス供給管15は、ハウジング2内において、予熱用の燃料熱交換器33や改質器32等を介して各燃料電池スタック3に接続され、酸化剤ガス供給管16は予熱用の空気熱交換器34を介して各燃料スタック3に接続されている。
In FIG. 1, reference numeral 1 is a solid oxide fuel cell, reference numeral 2 is a housing (can body) in which a heat insulating material 18 is attached to the inner wall, and reference numeral 3 is disposed inside the housing 2 with the stacking direction being vertical. It is a fuel cell stack. In the present embodiment, a plurality of (for example, eight) fuel cell stacks 3 are assembled and arranged in the housing 2 to constitute a high output type fuel cell module. The fuel cell module (solid oxide fuel cell 1) is installed on the mount 40. Each fuel cell stack 3 in the housing 2 has a fuel gas supply pipe 15 for introducing a fuel gas and an oxidant gas (air) supplied from the outside as reaction gases into the fuel cell stack 3. An oxidant gas supply pipe 16 is connected.
The fuel gas supply pipe 15 is connected to each fuel cell stack 3 in the housing 2 via a preheating fuel heat exchanger 33, a reformer 32, etc., and the oxidant gas supply pipe 16 is used for preheating. Each fuel stack 3 is connected via an air heat exchanger 34.

燃料電池スタック3は、図3に示すように、固体電解質層4の両面に燃料極層5および空気極層(酸化剤極層)6を配した発電セル7と、燃料極層5の外側の燃料極集電体8と、空気極層6の外側の空気極集電体(酸化剤極集電体)9と、各集電体8、9の外側のセパレータ10を順番に多数積層した構造を有する。   As shown in FIG. 3, the fuel cell stack 3 includes a power generation cell 7 in which a fuel electrode layer 5 and an air electrode layer (oxidant electrode layer) 6 are disposed on both surfaces of a solid electrolyte layer 4, and an outer side of the fuel electrode layer 5. A structure in which a fuel electrode current collector 8, an air electrode current collector (oxidant electrode current collector) 9 outside the air electrode layer 6, and a large number of separators 10 outside each current collector 8, 9 are stacked in order. Have

ここで、固体電解質層4はイットリアを添加した安定化ジルコニア(YSZ)等で構成され、燃料極層5はNi等の金属あるいはNi−YSZ等のサーメットで構成され、空気極層6はLaMnO3、LaCoO3等で構成され、燃料極集電体8はNi等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体9はAg等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ10はステンレス等で構成されている。 Here, the solid electrolyte layer 4 is composed of stabilized zirconia (YSZ) to which yttria is added, the fuel electrode layer 5 is composed of a metal such as Ni or a cermet such as Ni—YSZ, and the air electrode layer 6 is LaMnO 3. , is composed of LaCoO 3 or the like, the fuel electrode current collector 8 is composed of a sponge-like porous sintered metal plate such as Ni, the air electrode current collector 9 sponge-like porous sintered metal plate such as Ag The separator 10 is made of stainless steel or the like.

セパレータ10は、発電セル7間を電気的に接続すると共に、発電セル7に反応用ガスを供給する機能を有し、上記した燃料ガス供給管15を通して供給される燃料ガスをセパレータ10の外周面から導入してセパレータ10の燃料極集電体8に対向するほぼ中央部から吐出する燃料ガス通路11と、上記した酸化剤ガス供給管16を通して供給される酸化剤ガスをセパレータ10の外周面から導入してセパレータ10の空気極集電体9に対向する面のほぼ中央部から吐出する酸化剤ガス通路12を備えている。   The separator 10 electrically connects the power generation cells 7 and has a function of supplying a reaction gas to the power generation cells 7. The fuel gas supplied through the fuel gas supply pipe 15 is supplied to the outer peripheral surface of the separator 10. The oxidant gas supplied through the oxidant gas supply pipe 16 and the fuel gas passage 11 that is introduced from the outlet and discharged from the substantially central portion of the separator 10 facing the fuel electrode current collector 8 is supplied from the outer peripheral surface of the separator 10. An oxidant gas passage 12 is provided that is introduced and discharged from substantially the center of the surface of the separator 10 that faces the air electrode current collector 9.

また、この固体酸化物形燃料電池1は、発電セル7の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造とされており、運転時には、図3に示すように、燃料ガス通路11および酸化剤ガス通路12を通してセパレータ10の略中心部から発電セル7に向けて吐出される燃料ガスおよび酸化剤ガス(空気)を、発電セル7の外周方向に拡散させながら燃料極層5および空気極層6の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった残余のガス(排ガス)を発電セル7の外周部から外に自由に放出するようになっている。そして、図1に示すように、ハウジング2の上部に、ハウジング2の内部空間に放出された高温度の排ガス(作動温度が700℃前後の固体酸化物形燃料電池の場合、450〜600℃)を外部に排出するための排気管19aが設けられている。   Further, the solid oxide fuel cell 1 has a sealless structure in which no gas leakage prevention seal is provided on the outer peripheral portion of the power generation cell 7, and during operation, as shown in FIG. The fuel electrode layer 5 and the air electrode layer are diffused while the fuel gas and the oxidant gas (air) discharged from the substantially central portion of the separator 10 through the agent gas passage 12 toward the power generation cell 7 are diffused in the outer peripheral direction of the power generation cell 7. 6 is distributed over the entire surface with a good distribution to generate a power generation reaction, and the remaining gas (exhaust gas) that has not been consumed by the power generation reaction is freely released from the outer periphery of the power generation cell 7 to the outside. . Then, as shown in FIG. 1, high temperature exhaust gas discharged into the internal space of the housing 2 at the top of the housing 2 (450 to 600 ° C. in the case of a solid oxide fuel cell having an operating temperature of around 700 ° C.) An exhaust pipe 19a is provided for discharging the gas to the outside.

また、ハウジング2の下部中央には、上部の燃料電池スタック3から排出される高温排ガスを熱源とする水蒸気発生器30が配設されている。   In addition, a steam generator 30 that uses high-temperature exhaust gas discharged from the upper fuel cell stack 3 as a heat source is disposed at the lower center of the housing 2.

この水蒸気発生器30は、断熱材21で包囲された空間内に収容された熱交換器20から構成されており、給水管17通して外部供給水が、この熱交換器20の下部から導入されて上方に流通する過程で熱交換器20内において上部の排ガス導入口22より導入されたハウジング2内の高温排ガスと熱交換して高温水蒸気となり、上端部の配管23を通して燃料電池スタック1内に誘導されるようになっている。また、上部の排ガス導入口22より導入された排ガスは、下方に流通する過程で供給水との熱交換を終え、150〜250℃の低温ガスとなって下部の排気管19bより外部に排出される。   The water vapor generator 30 is composed of a heat exchanger 20 accommodated in a space surrounded by a heat insulating material 21, and externally supplied water is introduced from the lower part of the heat exchanger 20 through a water supply pipe 17. In the process of circulating upward, heat exchange with the high-temperature exhaust gas in the housing 2 introduced from the upper exhaust gas inlet 22 in the heat exchanger 20 results in high-temperature steam, and enters the fuel cell stack 1 through the pipe 23 at the upper end. It is supposed to be guided. The exhaust gas introduced from the upper exhaust gas inlet 22 finishes heat exchange with the supply water in the process of flowing downward, becomes a low-temperature gas of 150 to 250 ° C., and is discharged to the outside from the lower exhaust pipe 19b. The

本実施形態では、上記熱交換器20として、図2に示すように、燃料電池スタック3からの排ガスが流通するフィン26付きの排ガス流路24と外部からの供給水が流通するフィン26付きの水流路25をプレート単位で交差状、または、対向状に配設したプレートフィン型の熱交換器を用いており、且つ、水流路25内のフィン26の隙間には、ビーズ27が充填されている。このビーズ27として、1〜2mm径の熱伝導性に優れるアルミナビーズを使用している。   In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the heat exchanger 20 has an exhaust gas passage 24 with fins 26 through which exhaust gas from the fuel cell stack 3 circulates and a fin 26 with fins 26 through which externally supplied water circulates. A plate fin type heat exchanger is used in which the water flow paths 25 are arranged in a cross-like manner or opposed to each other in units of plates, and the gaps between the fins 26 in the water flow paths 25 are filled with beads 27. Yes. As this bead 27, an alumina bead having a diameter of 1 to 2 mm and excellent in thermal conductivity is used.

このように、熱交換器20内(水流路25内)に伝熱性のビーズ27を充填することにより、水流路25内の伝熱面積を大きくできるため、熱交換器としての熱容量が増加し、熱交換性能を向上することができる。これにより、外部からの供給水を効率良く加熱・気化して多量の高温水蒸気を得ることができる。
また、水流路25内にビーズ27が充填されることによって水流路25が狭ばめられると、ビーズ充填領域において加熱された水が乱流となって混合されるため、熱交換性能がより一層向上すると共に、流路内の水流も均一化されることから、常に安定した水蒸気量が得られるようになる。
Thus, by filling the heat exchanger 20 (in the water flow path 25) with the heat conductive beads 27, the heat transfer area in the water flow path 25 can be increased, so the heat capacity as the heat exchanger increases, Heat exchange performance can be improved. Thereby, the supply water from the outside can be efficiently heated and vaporized to obtain a large amount of high-temperature steam.
Further, when the water flow path 25 is narrowed by filling the water flow path 25 with the beads 27, the heated water in the bead filling area is mixed in a turbulent flow, so that the heat exchange performance is further improved. In addition to the improvement, the water flow in the flow path is made uniform, so that a stable amount of water vapor can always be obtained.

加えて、本実施形態の水蒸気発生器30は、ハウジング2の底部に設置して熱源となる高温排ガスを上方より下方に流通させると共に、外部供給水を熱交換器20の下方(上流部)より上方(下流部)に向けて流通させ、且つ、流通過程において気化された水蒸気を熱交換器の下流端部より放出する構造としたため、ビーズ27は、水流路25内において、上流部より少なくとも気化可能な高さまで充填すれば十分であり、よって、必要最小限のビーズを用いて、安定した水蒸気量を得ることが可能となる。尚、水流路25内において気化した水蒸気は、最下流部であるビーズ非充填領域より取り出すことができる。   In addition, the water vapor generator 30 of the present embodiment is installed at the bottom of the housing 2 to circulate high-temperature exhaust gas serving as a heat source downward from above, and externally supplied water from below (upstream) of the heat exchanger 20. The bead 27 is vaporized at least from the upstream portion in the water flow path 25 because it is configured to circulate upward (downstream) and to release water vapor evaporated in the distribution process from the downstream end of the heat exchanger. It is sufficient to fill up to a possible height. Therefore, it is possible to obtain a stable amount of water vapor using a minimum number of beads. In addition, the water vapor | steam vaporized in the water flow path 25 can be taken out from the bead non-filling area | region which is the most downstream part.

また、本実施形態では、水蒸気発生器30をプレートフィン型熱交換器で構成したが、その他、チューブフィン型熱交換器やプレート熱交換器等を用いることも勿論可能である。但し、上記プレートフィン型熱交換器は、コンパクトで高性能の水蒸気発生器30を構成できるという点でメリットを有する。
また本実施形態では、複数の燃料電池スタック3を集合配置して構成した高出力型の燃料電池モジュールについて説明したが、単数の燃料電池スタック3で構成された燃料電池モジュールについても本発明が適用可能であることは勿論である。
In the present embodiment, the steam generator 30 is configured by a plate fin type heat exchanger, but other tube fin type heat exchangers, plate heat exchangers, and the like can be used. However, the plate fin type heat exchanger has an advantage in that a compact and high-performance steam generator 30 can be configured.
In the present embodiment, the high-power type fuel cell module configured by arranging and arranging a plurality of fuel cell stacks 3 has been described. However, the present invention also applies to a fuel cell module configured by a single fuel cell stack 3. Of course, it is possible.

以上説明したように、本発明の水蒸気発生器30は、排ガスの熱エネルギーを有効に利用し、常に安定した量の水蒸気を得ることができる。得られた水蒸気は誘導手段としての配管23を通して燃料ガス供給管15に誘導され、燃料ガス供給管15内において燃料ガスと混合して混合ガスとなり、この混合ガスが燃料熱交換器33で余熱された後、改質器32に導入される。そして、改質器32においては、常に水蒸気発生器30より十分な水蒸気量が供給されているため、改質触媒による好適な改質反応が行われて水素豊富な燃料ガスに改質され、各燃料電池スタック3に供給されることになり、よって、高効率、高性能の燃料電池が実現できる。   As described above, the steam generator 30 of the present invention can effectively use the thermal energy of exhaust gas and always obtain a stable amount of steam. The obtained water vapor is guided to the fuel gas supply pipe 15 through the pipe 23 as the guiding means, mixed with the fuel gas in the fuel gas supply pipe 15 to become a mixed gas, and this mixed gas is preheated by the fuel heat exchanger 33. After that, it is introduced into the reformer 32. In the reformer 32, since a sufficient amount of water vapor is always supplied from the water vapor generator 30, a suitable reforming reaction by the reforming catalyst is performed to reform the fuel gas rich in hydrogen, The fuel cell stack 3 is supplied, so that a highly efficient and high performance fuel cell can be realized.

また、本発明では、図示しないが、上記改質器32を各々が直列に接続された多段構成とすることも可能である。この場合、最前段の改質器は燃料電池スタック3から離間した場所(例えば、排気管19a内、或いはその近傍)に配設し、大きな吸熱を伴う初期段階の反応をこの最前段の改質器で行わせるのが好ましい。これにより、図1のような単体構成の改質器32を燃料電池スタック3の近傍において、その大きな吸熱により燃料電池スタック3を冷却して発電性能を低下させる不都合を回避することができると共に、この燃料電池スタック3の排熱を使用する上記水蒸気発生器30に対しては、常に高温度の排ガスを導入することができるため、常に安定した量の水蒸気を発生させることにも大いに寄与するものである。   In the present invention, although not shown, the reformer 32 may have a multistage configuration in which the reformers 32 are connected in series. In this case, the reformer in the foremost stage is disposed at a location separated from the fuel cell stack 3 (for example, in the exhaust pipe 19a or in the vicinity thereof), and the reforming in the initial stage with a large endotherm is performed. It is preferable to carry out with a vessel. As a result, it is possible to avoid the inconvenience of cooling the fuel cell stack 3 by the large heat absorption of the reformer 32 having a single structure as shown in FIG. The steam generator 30 that uses the exhaust heat of the fuel cell stack 3 can always introduce a high-temperature exhaust gas, and thus greatly contributes to always generating a stable amount of steam. It is.

本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部構成を示す図。The figure which shows the internal structure of the solid oxide fuel cell to which this invention was applied. 本発明に係る水蒸気発生器の内部構造を示す要部断面図。The principal part sectional drawing which shows the internal structure of the water vapor generator which concerns on this invention. 本発明に係る燃料電池スタックの要部概略構成図で、運転時のガスの流れを示す。It is a principal part schematic block diagram of the fuel cell stack which concerns on this invention, and shows the flow of the gas at the time of driving | operation.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池(固体酸化物形燃料電池)
2 ハウジング
3 燃料電池スタック
7 発電セル
20 熱交換器(プレートフィン型熱交換器)
23 誘導手段(配管)
24 排ガス流路
25 水流路
27 ビーズ(アルミナビーズ)
30 水蒸気発生器
32 改質器
1 Fuel cell (solid oxide fuel cell)
2 Housing 3 Fuel cell stack 7 Power generation cell 20 Heat exchanger (plate fin type heat exchanger)
23 Guidance means (piping)
24 Exhaust gas channel 25 Water channel
27 beads (alumina beads)
30 Steam generator 32 Reformer

Claims (6)

発電セルを多数積層して構成した燃料電池スタックを断熱ハウジング内に収納し、運転時に前記燃料電池スタックの内部に反応用ガスを供給して発電反応を生じさせると共に、発電反応で生じた排ガスを外部に排気する燃料電池に用いる水蒸気発生器であって、
前記ハウジングの下部に設けられて、前記燃料電池スタックからの排ガスを熱源として導入する熱交換器を備え、この熱交換器には、外部からの供給水が下部より上部に流通する水流路が設けられており、且つ、この水流路内に伝熱性のビーズが充填されていることを特徴とする水蒸気発生器。
A fuel cell stack formed by stacking a large number of power generation cells is housed in a heat insulating housing, and during operation, a reaction gas is supplied into the fuel cell stack to cause a power generation reaction, and an exhaust gas generated by the power generation reaction is generated. A steam generator used for a fuel cell exhausted outside,
A heat exchanger is provided in the lower part of the housing and introduces exhaust gas from the fuel cell stack as a heat source. The heat exchanger is provided with a water flow path through which water supplied from the outside flows from the lower part to the upper part. A water vapor generator, wherein the water flow path is filled with heat conductive beads.
前記ビーズは、少なくとも前記供給水が気化可能な高さまで前記水流路の上流部から充填されていると共に、下流部のビーズ非充填部分に気化した水蒸気の誘導手段が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の水蒸気発生器。 The beads are filled from the upstream portion of the water flow path at least to a height at which the supply water can be vaporized, and vaporized water vapor guiding means is provided in a bead unfilled portion in the downstream portion. The water vapor generator according to claim 1. 前記熱交換器として、排ガス流路と水流路を交差状、または対向状に備えたプレートフィン型熱交換器を用いたことを特徴とする請求項1または請求項2の何れかに記載の水蒸気発生器。 3. The water vapor according to claim 1, wherein a plate fin type heat exchanger provided with an exhaust gas flow channel and a water flow channel intersecting or facing each other is used as the heat exchanger. Generator. 請求項1から請求項3までの何れかに記載の水蒸気発生器を備えて成ることを特徴とする燃料電池。 A fuel cell comprising the water vapor generator according to any one of claims 1 to 3. 前記燃料電池が、発電反応に使用されなかった残余のガスを発電セルの外周部より放出するシールレス構造の固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池。 5. The fuel cell according to claim 4, wherein the fuel cell is a solid oxide fuel cell having a sealless structure that discharges residual gas that has not been used in a power generation reaction from an outer peripheral portion of the power generation cell. 各々が直列に接続された多段構成の改質器を備え、且つ、少なくとも最前段の改質器は、前記燃料電池スタックから離間して配設されていることを特徴とする請求項4または請求項5の何れかに記載の燃料電池。 5. The reformer having a multi-stage configuration, each connected in series, and at least the foremost reformer is disposed apart from the fuel cell stack. Item 6. The fuel cell according to any one of Items 5.
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