JP2007005134A - Steam generator and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池が備える水蒸気発生器に関し、特に、排熱を効率良く利用し、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 water vapor generator provided in a fuel cell, and more particularly to a water vapor generator that can efficiently use exhaust heat and 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導入される酸素(空気)と燃料ガスを必要温度に予熱して発電セルに供給する必要がある。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にあっては、このような反応用ガスの予熱に加え、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。
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。
Patent Document 1 discloses a reformer that is integrally provided with a steam generator for supplying high-temperature steam necessary for the reforming reaction.
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、安定した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的に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と、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 stable 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. When this unreformed gas is supplied as a fuel gas to the power generation cell, carbon is deposited on the electrode, and the battery There arises a problem that the 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、排熱を効率良く利用し、且つ、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 thereof is to provide a steam generator that efficiently uses exhaust heat and always obtains a stable amount of water vapor. Is to provide a high-performance fuel cell using the water vapor generator.
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に用いる水蒸気発生器であって、前記ハウジングの端部(上部または下部)に近接して設けられて、前記燃料電池スタックからの排ガスを熱源として利用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前記ハウジングの端面に沿って平面方向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. And a steam generator for use in a fuel cell that exhausts the exhaust gas generated by the power generation reaction to the outside, provided near the end (upper or lower) of the housing, from the fuel cell stack The heat exchanger is provided with a water flow path through which water supplied from the outside flows in a planar direction along the end face of the housing. It is characterized in that a heat conductive bead is filled in the road.
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、前記熱交換器の水流路内に、水流方向と対面する複数のじゃま板を設けたことを特徴としている。
Moreover, the present invention described in
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、前記排ガスが一端から他端に向けて平面方向に流通する排ガス流通空間を備えると共に、前記熱交換器が、その上下に前記排ガスが流通するように前記排ガス流通空間内の中間部位に保持されていることを特徴としている。
Moreover, this invention of
また、請求項4に記載の本発明は、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において、前記熱交換器として、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。 The present invention described in claim 4 is characterized in that in the steam generator according to any one of claims 1 to 3, a plate fin type heat exchanger is used as the heat exchanger. Yes.
また、請求項5に記載の燃料電池は、請求項1から請求項4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 fifth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell comprising the water vapor generator according to any one of the first to fourth aspects.
また、請求項6に記載の本発明は、請求項5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。
Further, the present invention according to claim 6 is the fuel cell according to
また、請求項7に記載の本発明は、請求項5または請求項6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 seventh aspect of the present invention, there is provided the fuel cell according to any one of the fifth or sixth aspects, comprising a multi-stage reformer each 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、ハウジングの端面に沿って平面方向に流通する水流路を設けることにより、ハウジング端部からの放射熱を広範囲より効率良く吸収することができるため、熱交換器の伝熱性能が向上する。
加えて、この水流路内に伝熱性のビーズを充填することにより、流体に対する伝熱面積を大きくできると共に、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、熱交換性能はより一層向上し、常に安定した高温水蒸気量を得ることができる。
According to the present invention, by providing the water flow path that circulates in the planar direction along the end face of the housing, the radiant heat from the end of the housing can be absorbed more efficiently than a wide range, so that the heat transfer performance of the heat exchanger Will improve.
In addition, by filling the water flow path with heat transfer beads, the heat transfer area for the fluid can be increased, and the fluid flowing through the water flow path is mixed as a turbulent flow, so the heat exchange performance is It is possible to obtain a high-temperature water vapor amount that is further improved and always stable.
また、水流路内に水流方向に対面するじゃま板を設けることにより、横方向の水流に縦方向の水流を生じさせることができ、この上下流によって流体への伝熱性がより一層向上する。 Further, by providing a baffle plate facing the water flow direction in the water flow path, a vertical water flow can be generated in the horizontal water flow, and the heat transfer to the fluid is further improved by this upstream and downstream.
また、熱交換器を排ガス流通空間内の中間部位に保持することにより、ハウジング内より導入した排ガスは、この熱交換器の上下部を流通することになり、この上下の排ガス流によって流体は上下方向から効率良く加熱されるようになる。 In addition, by holding the heat exchanger at an intermediate part in the exhaust gas circulation space, the exhaust gas introduced from inside the housing flows through the upper and lower parts of the heat exchanger, and the fluid flows up and down by the upper and lower exhaust gas flows. It will be heated efficiently from the direction.
以下、図1〜図4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は水蒸気発生器の上面視、図4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 the steam generator according to the present invention, FIG. 3 is a top view of the steam generator, and FIG. The main part structure of a battery stack is shown.
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,
The fuel
燃料電池スタック3は、図4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. 4, the
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
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
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4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。
In addition, the solid oxide fuel cell 1 has a sealless structure in which a gas leakage prevention seal is not provided on the outer peripheral portion of the power generation cell 7, and during operation, as shown in FIG. The
また、ハウジング2の下部中央には、底板13を介してその近傍に、上部に設置の燃料電池スタック3より放出される高温の排ガスを熱交換用の熱源として利用する横据え付け型の水蒸気発生器30が配設されている。
Further, in the lower center of the
この水蒸気発生器30は、図2、図3に示すように、断熱材21内において、ケーシング28で包囲・形成された横長箱状の排ガス流通空間31内の中間部位に収容・保持された熱交換器20から構成されている。この熱交換器20は、内部に上部の底板13に沿って平面方向に蛇行する水流路25を備え、給水管17通して外部供給水が、この熱交換器20の右下端部から導入されて、図3の矢印のように水流路25内を折流しながら流通する過程で熱交換器20内において上部排ガス導入口22より導入されたハウジング2内の高温排ガスや底板13を伝導した放射熱と熱交換して高温水蒸気となり、左上端部の配管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、排ガス導入口22より導入された排ガスは、排ガス流通空間31内を平面方向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端部の排気管19bより外部に排出されるようになっている。
このように、水蒸気発生器30の据付を横向きにして、ハウジング2の底部空間部において熱回収を平面的に行うように構成することにより、水蒸気発生器30を扁平化でき、これにより、燃料電池モジュールの背低化(小型化)を図ることができる。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
As described above, the
本実施形態では、上記熱交換器20としてプレートフィン型の熱交換器を用い、蛇行状の水流路25内に水流方向に対面する状態で複数のじゃま板29(仕切板)を設けると共に、じゃま板29で仕切られた各小区域にビーズ27が充填されている。このビーズ27は、1〜2mm径の熱伝導性に優れるアルミナビーズを使用すると良い。また、水流路25に沿うように、上下に水蒸気発生器30の伝熱部となるプレートフィン24が設けてある。
上記じゃま板29は、水流路25の底部より垂直に起立されており、且つ、横方向の水流を確保するため、水流路25の上部に適度な隙間を設けている。
In the present embodiment, a plate fin type heat exchanger is used as the
The
このように、底板13(ハウジングの底面)に沿って横方向に流通する水流路25を設けることにより、ハウジング底部から放射される熱を直接的、且つ、広範囲で吸収することができ、この放射熱と排ガス導入口22より導入される高温排ガスの熱とで排ガス流通空間31内は好適な高温状態に保持されており、熱交換器20の伝熱性は極めて高いものとなっている。
また、熱交換器20が排ガス流通空間31内の中間部位に保持・固定されているため、排ガス流通空間31内に導入された排ガスは、この熱交換器20の上下部を流通して排気管19bより排出されることになり、よって、この上下の排ガス流により、水流路25を熱交換器20の上部と下部の両側より効率良く加熱することができる。
Thus, by providing the
Further, since the
加えて、この水流路25内に伝熱性ビーズ27が充填されているため、水流路25内の伝熱面積は極めて大きくなっており、熱交換器20の熱容量が増加すると共に、水流路25内を流通する供給水が乱流となって混合されるため、熱交換性能はより一層向上し、且つ、流路内の水流も均一化されることから、常に安定した高温水蒸気量が得られるようになる。
In addition, since the
また、水流路25内には、水流方向に対面する複数のじゃま板29が設けられているため、横方向の水流に縦方向の水流を生じさせることができ、この上下流により、供給水に対する伝熱性をより一層向上することができる。
In addition, since a plurality of
尚、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
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
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には、水蒸気発生器30より常に十分な水蒸気量が安定的に供給されているため、改質触媒による安定した改質反応が行われて水素豊富な燃料ガスに改質されており、この改質ガスが各燃料電池スタック3に供給されることにより、よって、高効率、高性能の燃料電池が実現できる。
As described above, the
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
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)
25 水流路
27 ビーズ(アルミナビーズ)
29 じゃま板
30 水蒸気発生器
31 排ガス流通空間
32 改質器
1 Fuel cell (solid oxide fuel cell)
2
25 Water channel
27 beads (alumina beads)
29
Claims (7)
前記ハウジングの端部に近接して設けられて、前記燃料電池スタックからの排ガスを熱源として利用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前記ハウジングの端面に沿って平面方向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 near the end of the housing and uses exhaust gas from the fuel cell stack as a heat source. In this heat exchanger, water supplied from the outside extends along the end surface of the housing. And a water flow path that circulates in a planar direction, and the water flow path is filled with heat conductive beads.
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Legal Events
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