JP2007128718A - Fuel cell module and operation method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池モジュールの排気機構および当排気機構を備える燃料電池モジュールおよびその運転方法に関するものである。 The present invention relates to an exhaust mechanism for a fuel cell module, a fuel cell module including the exhaust mechanism, and an operation method thereof.
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、運転時に燃料電池スタックに反応用ガスを供給して発電反応を生じさせる燃料電池モジュールが知られている。 There is known a fuel cell module in which a fuel cell stack configured by laminating a large number of power generation cells is housed in a heat insulating housing, and a reaction gas is supplied to the fuel cell stack during operation to cause a power generation reaction.
係る構造の燃料電池モジュールは、発電反応で生じた排ガスをモジュール外に排出するための排気機構を備えており、例えば、引用文献1、引用文献2には、モジュール内の高温排ガスを直接外部に排出する排気機構と、モジュール内の排ガスを熱交換器を通して燃料ガスや空気等の予熱用熱源として使用(熱リサイクル)した後にモジュール外に排出する排気機構とをそれぞれ個々に備えた構成が開示されている。
ところが、上記した特許文献1、特許文献2の排気機構は次のような解決すべき問題を有していた。
However, the exhaust mechanisms disclosed in
すなわち、燃料電池モジュール内の排ガス温度は500〜600℃と高温であるため、排ガスが上記した複数の排気機構を通して排出されると、排ガスの熱によりガス排出部付近の温度が上昇して燃料電池モジュールの側面温度が過度に上昇してしまうという不都合が生じる。
これを防止するには、温度上昇部分の断熱材を他の部分より厚くする等の熱対策(断熱対策)が必要であるが、これによりモジュールが大型化する。また、モジュール内に排気機構を複数設けることにより構造が複雑化し、これもまたモジュールの大型化に繋がる。
That is, since the exhaust gas temperature in the fuel cell module is as high as 500 to 600 ° C., when the exhaust gas is exhausted through the plurality of exhaust mechanisms described above, the temperature in the vicinity of the gas exhaust unit rises due to the heat of the exhaust gas. There is a disadvantage that the side temperature of the module rises excessively.
In order to prevent this, it is necessary to take measures against heat (insulation measures) such as making the heat insulating material in the temperature rising portion thicker than other portions, but this increases the size of the module. Further, providing a plurality of exhaust mechanisms in the module complicates the structure, which also leads to an increase in the size of the module.
また、従来、燃料電池モジュールの温度制御(燃料電池スタックの冷却)は、スタック内に供給する空気の量を調整することにより行っているが、特に高出力タイプの燃料電池の場合は、排気機構での熱リサイクルがモジュール温度を上昇させることから、空気冷却による効果的な温度制御が難しくなるという問題もある。
特許文献2では、各排気管に開閉バルブを設けて排ガスの外部排出量を調整することにより、このような温度制御に係わる弊害を回避するようにしているが、この排ガス流量の調整機構もまた、モジュールの構造を複雑にしていた。空冷効果を向上するには、空気の供給量を増やすことが考えられるが、このことは空気導入のためのブロアやモータ等の補機動力を増加させることになり、曳いては、システム全体の発電効率を低下させることになる。
Conventionally, the temperature control of the fuel cell module (cooling of the fuel cell stack) is performed by adjusting the amount of air supplied into the stack. However, particularly in the case of a high-power type fuel cell, the exhaust mechanism There is also a problem that effective temperature control by air cooling becomes difficult because the heat recycling at the temperature increases the module temperature.
In
本発明の目的は、熱交換器を有する熱リサイクルのための排気機構と排ガスを直接外部に排出する排気機構とを一体化して一箇所に集約したコンパクトな排ガスの排気機構を提供することであり、また別の目的は、当排気機構を用いることでモジュール構造の複雑化やモジュール温度の制御の問題等を解消した燃料電池モジュールを提供することであり、また別の目的は、当排気機構を用いた効率的な燃料電池モジュールの運転方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a compact exhaust gas exhaust mechanism that integrates an exhaust mechanism for heat recycling having a heat exchanger and an exhaust mechanism that exhausts exhaust gas directly to the outside and consolidates them in one place. Another object is to provide a fuel cell module that eliminates the complexity of the module structure and the problem of module temperature control by using the exhaust mechanism. Another object is to provide the exhaust mechanism. It is to provide an efficient operation method of the used fuel cell module.
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ハウジング内に収納し、運転時に前記燃料電池スタック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出する燃料電池モジュールに用いる排ガスの排気機構であって、前記燃料電池スタックから導入された排ガスを熱源とする熱交換器を備えており、且つ、導入された排ガスを前記熱交換器を迂回して外部に排出するバイパス流路を備えることを特徴としている。 That is, according to the present invention, a fuel cell stack formed by stacking a large number of power generation cells is housed in a housing, and a reaction gas is supplied to the fuel cell stack during operation to generate a power generation reaction. And an exhaust mechanism for exhaust gas used in the fuel cell module for exhausting the exhaust gas generated by the power generation reaction to the outside, comprising a heat exchanger using the exhaust gas introduced from the fuel cell stack as a heat source, and introduced It is characterized by comprising a bypass flow path for exhausting the exhausted gas bypassing the heat exchanger to the outside.
また、請求項2に記載の本発明は、請求項1に記載の排気機構において、さらに、前記燃料電池スタックからの排ガスを熱交換器側および/またはバイパス流路側に分配・誘導するためのガス流切換手段を備えることを特徴としている。
Further, the present invention according to
また、請求項3に記載の本発明は、請求項2に記載の排気機構において、前記ガス流切換手段による排ガス分配量を可変としたことを特徴としている。 According to a third aspect of the present invention, in the exhaust mechanism according to the second aspect, an exhaust gas distribution amount by the gas flow switching means is variable.
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排気機構において、前記熱交換器は、水を導入して水蒸気を生成する水蒸気発生器であることを特徴としている。
Moreover, the present invention according to claim 4 is the exhaust mechanism according to any one of
また、請求項5に記載の燃料電池モジュールは、請求項1から請求項4までの何れかに記載の排気機構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 module comprising the exhaust mechanism 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に記載の燃料電池モジュールの運転方法であって、運転開始の際の昇温時に、前記燃料電池スタックからの排ガスを前記ガス流切換手段にて前記熱交換器側に誘導することを特徴としている。
Further, the present invention according to claim 6 is the operation method of the fuel cell module according to
また、請求項7に記載の本発明は、請求項5に記載の燃料電池モジュールの運転方法であって、運転中、前記燃料電池モジュール内の温度変化に応じ、前記ガス流切換手段にて前記熱交換器側と前記バイパス流路側への排ガスの分配・誘導量を調整することを特徴としている。
Further, the present invention according to claim 7 is the operation method of the fuel cell module according to
また、請求項8に記載の本発明は、請求項5に記載の燃料電池モジュールの運転方法であって、運転停止の際の降温時に、前記燃料電池スタックからの排ガスを前記ガス流切換手段にて前記バイパス流路側に誘導することを特徴としている。
Further, the present invention according to
本発明によれば、熱交換器(水蒸気発生器)を有する排気機構と排ガスを直接排出する排気機構(すなわち、バイパス流路)の2つの排気系統を一体化して一箇所に集約する構成としたので、従来のように、排出ガスの放熱によりモジュール側面の温度が上昇されることが防止され、よって、その為の特別な熱対策(断熱対策)が不要となることから、燃料電池モジュールの構造が簡素化され、コンパクト化が図れると共に、排出ガスの放熱が抑制される分、排気温度が上昇することから、高温の排ガスを効率良く活用したより好ましいコージェネレーション化が期待できる。 According to the present invention, the two exhaust systems of the exhaust mechanism having the heat exchanger (steam generator) and the exhaust mechanism (that is, the bypass flow path) for directly discharging the exhaust gas are integrated into one place. Therefore, it is possible to prevent the temperature on the side of the module from rising due to heat dissipation of the exhaust gas as in the past, and therefore no special heat countermeasure (heat insulation countermeasure) is required for that purpose. However, the exhaust gas temperature rises as much as the emission of the exhaust gas is suppressed, so that more preferable cogeneration using the high-temperature exhaust gas can be expected.
また、この排気機構に排ガスを熱交換器側またはバイパス流路側に分配・誘導するガス流切換手段を備えた構成としたので、このガス流切換手段により燃料電池の運転状態に応じて各排気系の排ガス量を制御することにより、起動時、停止時の昇温、降温時間を短縮できると共に、運転中は、少量の冷却空気で効果的な温度制御が行えるため補機動力が低減され、システム全体の発電効率を向上することができる。 In addition, since the exhaust mechanism is provided with gas flow switching means for distributing and guiding the exhaust gas to the heat exchanger side or the bypass flow path side, each exhaust system is provided by the gas flow switching means according to the operating state of the fuel cell. By controlling the amount of exhaust gas in the system, it is possible to shorten the temperature rise and fall times at start-up and stop, and during operation, effective temperature control can be performed with a small amount of cooling air, reducing the power of auxiliary equipment, Overall power generation efficiency can be improved.
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
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概略構成を示し、図2は燃料電池スタックの要部構成を示し、図3〜図7は排気機構の様々な例を示している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an internal schematic configuration of a solid oxide fuel cell to which the present invention is applied, FIG. 2 shows a main configuration of a fuel cell stack, and FIGS. 3 to 7 show various examples of exhaust mechanisms. Yes.
本実施形態の固体酸化物形燃料電池1(燃料電池モジュール1)は、内壁に保温用の断熱材34を配したハウジング2(缶体)を有し、この断熱ハウジング2内の中央に発電反応を生じさせる燃料電池スタック3が配設され、且つ、この燃料電池スタック3の周部に燃料改質器40が配設されている。
The solid oxide fuel cell 1 (fuel cell module 1) of this embodiment has a housing 2 (can body) in which a
燃料改質器40内には炭化水素改質触媒が充填されており、外部から供給される炭化水素系の燃料ガス(例えば、都市ガス)が水素主体の燃料ガスに改質される。
燃料改質器40の入口側には、外部より燃料ガスを導入するための燃料ガス供給管15が接続されており、出口側は配管により燃料電池スタック内部に配設された燃料ガスマニホールド13に接続されている。また、燃料電池スタック内部の酸化剤ガスマニホールド14には外部から空気を導入するための酸化剤ガス供給管16が接続されている(図1、図2参照)。
The
A fuel
燃料電池スタック3は、図2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. 2, the
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。
The solid electrolyte layer 4 is composed of stabilized zirconia (YSZ) or the like 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、上述した燃料ガスマニホールド13より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、上述した酸化剤ガスマニホールド14より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とを備えている。
The
また、この燃料電池モジュール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2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の外周部から放出する。
モジュール内の排ガスは、底部の排気機構30を介してモジュール外に自由に排出されるようになっている。因みに、作動温度が700℃前後の固体酸化物形燃料電池モジュール1の場合、排ガスの温度は450〜600℃である。
Further, the
The exhaust gas in the module is freely discharged outside the module through the
この排気機構30内には、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熱交換器20(水蒸気発生器20)が配設されている。
この熱交換器20は、断熱材35で包囲された空間内に収容されており、給水管17通して外部供給水がこの熱交換器20の下方より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31より導入された高温排ガスと熱交換して高温水蒸気となる。高温水蒸気は、熱交換器20の上端より配管33を通して燃料電池モジュール1内に誘導され、モジュール内において燃料ガス供給管15からの燃料ガスと合流・混合されて混合ガスとなって燃料改質器40に導入されると共に、熱交換器20にて熱交換を終えた排ガスは低温(150〜250℃)となって排気機構30の排気口32よりモジュール外に排出され、この排ガスは後述する排熱回収装置に誘導されるようになっている。
In the
The
また、排気機構30は、図3、図4に示すように、排ガス導入口31より導入された排ガスを熱交換器20を迂回して外部に排出するバイパス流路22を備え、且つ、排ガスを熱交換器20側および/またはバイパス流路22側に分配・誘導するためのガス流切換手段23(本実施形態ではダンパ23を使用)を備えている。
尚、このガス流切換手段23としては、上述のダンパの他、切換弁や邪魔板等を使用することも勿論可能である。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
As the gas flow switching means 23, it is of course possible to use a switching valve, a baffle plate or the like in addition to the above-described damper.
上述の排気機構30の内、図3に示す実施形態は、熱交換器20を迂回するように、その側方に管状のバイパス流路22を設け、このバイパス流路22内に回転式のダンパ23を設けた構成であって、ダンパ23によりバイパス流路22を全開状態とした場合は、熱交換器20の圧損により排気機構30内を流通する排ガスの殆どが熱交換器20を迂回してこのバイパス流路22を通して外部に排出される。
In the embodiment shown in FIG. 3 in the
他方、図4に示す実施形態は、熱交換器20を熱交換性能の異なる2つの熱交換部21a(熱交換性能大)と21b(熱交換性能小)とで構成し、排ガス導入口31より導入された排ガスをスライド式ダンパ23にて熱交換器20(21a、21b)、および熱交換器20に併設されたバイパス流路22(熱交換性能を有さない排ガス流路)に分配・誘導する構成としている。
On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 4, the
尚、図3および図4の何れの構成も、ダンパ23による流路の開閉動作により各部位(熱交換器20側とバイパス流路22側)への排ガス流量を任意に調整できるようになっている。
3 and 4, the exhaust gas flow rate to each part (the
また、図3、図4の他、図5〜図7に示す構成の排気機構30を用いることができる。
Moreover, the
図5に示す実施形態は、熱交換器20の前段側(排ガス導入側)にゲート式のダンパ23を設けた構成、図6に示す実施形態は、熱交換器20の後段側(排ガス放出側)にゲート式のダンパ23を設けた構成、図7に示す実施形態は、バイパス流路22内に回転式のダンパ23を設けた構成で、図4の構成に類似している。
これらの排気機構30もまた、ダンパ23による流路の開閉動作により各排気系(熱交換器20側とバイパス流路22側)への排ガス流量を任意に調整できるようになっている。
5 is a configuration in which a gate-
These
このように、本実施形態の排気機構によれば、ダンパ23の開閉動作により、燃料電池スタック3からの排ガスをバイパス流路22を介して直接外部に排出する排気系統と、排ガスを熱交換器20を介して外部に排出する排気系統と、排ガスを任意の配分量でバイパス流路22および熱交換器20に誘導して外部に排出する排気系統の3系統を一つの排気機構30内に集約して一体的に構成することができる。
係る構成であれば、従来のように、複数箇所より排出される排出ガスの放熱でモジュール側面の温度が上昇されるといった不都合が回避でき、よって、その為の特別な熱対策(断熱対策)が不要となることから、燃料電池モジュールの構造が簡素化され、コンパクト化が図れる。加えて、このようにして排出ガスの放熱が抑制される分、排気温度が上昇することから、高温の排ガスを効率良く活用したより好ましいコージェネレーション化が期待できる。
Thus, according to the exhaust mechanism of the present embodiment, the exhaust system that exhausts the exhaust gas from the
With such a configuration, it is possible to avoid the inconvenience that the temperature on the side of the module rises due to the heat radiation of the exhaust gas discharged from a plurality of places as in the prior art. Therefore, there is a special heat countermeasure (heat insulation countermeasure) for that purpose. Since it becomes unnecessary, the structure of the fuel cell module is simplified and the size can be reduced. In addition, since the exhaust gas temperature is increased by the amount of heat release of the exhaust gas in this way, more preferable cogeneration using the high-temperature exhaust gas can be expected.
次ぎに、上記構成の排気機構30を備えた燃料電池モジュール1の運転方法を図5を参照して説明する。
Next, an operation method of the
運転開始の際は、先ず、燃料電池スタック3の周辺に配設された電気ヒータやバーナ等の加熱手段(図示せず)により燃料電池スタック3の昇温が開始される。この昇温は、燃料電池スタック3を発電可能な状態(固体酸化物形燃料電池の場合では、スタック温度600〜800℃)に移行するために行う。
When the operation is started, first, the temperature rise of the
この時、排気機構30内では、図5(a)に示すように、ダンパ23がバイパス流路22側に切り換えられてバイパス流路22は閉じられた状態となっており、よって、排ガス導入口31より導入された排ガスの殆どが熱交換器20側に誘導され、上述の加熱手段に加え、熱交換器20内において外部供給水を介して排ガスの熱エネルギーが燃料電池モジュール内にリサイクルされることになり、燃料電池スタック3の予熱がより一層促進され、発電開始までの昇温時間が短縮できる。
At this time, in the
また、予熱完了後の発電時(スタック温度600〜800℃に昇温)においては、図5(b)に示すように、負荷変動等によるモジュール内温度(例えば、セパレータの温度)の変化に応じてダンパ23が矢印方向に動作し、モジュール内温度を発電可能な温度範囲内に制御する。
In addition, during power generation after completion of preheating (heating to a stack temperature of 600 to 800 ° C.), as shown in FIG. Then, the
すなわち、モジュール内温度が一定以上に上昇した場合、ダンパ23が熱交換器20側に切り換えられて、排ガスをバイパス流路22側に誘導する。これにより、熱交換器20による熱リサイクル量が減少し、モジュール内温度を一定温度範囲内に低下させることができる。他方、モジュール内温度が一定以下に低下した場合は、ダンパ23をバイパス流路22側に切り換えることにより排ガスは熱交換器20側に誘導され、熱交換器20による熱リサイクル量が増大し、モジュール内温度は一定温度範囲内に上昇する。
That is, when the module internal temperature rises above a certain level, the
尚、モジュール内温度に応じて適宜ダンパ23の開閉度を制御することにより、各排気系へ誘導される排ガス流量を調整することができる。従来、このような発電時におけるモジュール内温度の制御は、主として冷却用空気の供給量により行っていたが、当運転方法によれば、少量の冷却用の空気でより効果的な温度制御が行えることになり、冷却用空気導入のためのブロアやモータ等の補機動力を低減することができ、システム全体の発電効率を向上することができる。
In addition, the exhaust gas flow rate induced | guided | derived to each exhaust system can be adjusted by controlling the opening / closing degree of the
また、運転停止の際の降温時は、図5(c)に示すように、ダンパ23が熱交換器20側に切り換えられ、このダンパ23により排ガスがバイパス流路22側に誘導され、高温排ガスの殆どがこのバイパス流路22を通して直接モジュール外に排出されると共に、熱交換器20による熱リサイクルが停止されることから、降温時間が短縮できる。また、降温時間の短縮は補機動力の低減に繋がるものである。
Further, when the temperature is lowered when the operation is stopped, as shown in FIG. 5C, the
このように、燃料電池スタック3からの排ガスの一部を熱交換器20に誘導して熱リサイクルする一方で、残りの排ガスは熱交換せずに直接モジュール外に排出する構成とすることにより、熱リサイクル後の低温度の排ガスと、この熱リサイクルに影響されない高温度の排ガスが外部設置の排熱回収装置に誘導されて熱回収される。回収された熱は、例えば、店舗、家庭内において、給湯用の熱エネルギー等として有効に利用でき、発電システムの効率をより一層高めることができる。
In this way, a part of the exhaust gas from the
1 燃料電池モジュール(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(水蒸気発生器)
22 バイパス流路
23 ガス流切換手段
30 排気機構
1 Fuel cell module (solid oxide fuel cell)
2
22
Claims (8)
前記燃料電池スタックから導入された排ガスを熱源とする熱交換器を備えており、且つ、導入された排ガスを前記熱交換器を迂回して外部に排出するバイパス流路を備えることを特徴とする排気機構。 A fuel cell stack composed of a large number of power generation cells is housed in a housing, and a reaction gas is supplied to the fuel cell stack during operation to cause a power generation reaction, and exhaust gas generated by the power generation reaction is discharged to the outside. An exhaust mechanism for exhaust gas used in a fuel cell module,
It is provided with a heat exchanger that uses exhaust gas introduced from the fuel cell stack as a heat source, and further includes a bypass channel that exhausts the introduced exhaust gas around the heat exchanger and discharges it to the outside. Exhaust mechanism.
運転開始の際の昇温時に、前記燃料電池スタックからの排ガスを前記ガス流切換手段にて前記熱交換器側に誘導することを特徴とする燃料電池モジュールの運転方法。 A method for operating a fuel cell module according to claim 5,
A method of operating a fuel cell module, wherein the exhaust gas from the fuel cell stack is guided to the heat exchanger side by the gas flow switching means at the time of temperature rise at the start of operation.
運転中、前記燃料電池モジュール内の温度変化に応じ、前記ガス流切換手段にて前記熱交換器側と前記バイパス流路側への排ガスの分配・誘導量を調整することを特徴とする燃料電池モジュールの運転方法。 A method for operating a fuel cell module according to claim 5,
During operation, the fuel cell module adjusts the distribution / induction amount of the exhaust gas to the heat exchanger side and the bypass flow path side by the gas flow switching means according to the temperature change in the fuel cell module Driving method.
運転停止の際の降温時に、前記燃料電池スタックからの排ガスを前記ガス流切換手段にて前記バイパス流路側に誘導することを特徴とする燃料電池モジュールの運転方法。 A method for operating a fuel cell module according to claim 5,
A method of operating a fuel cell module, wherein the exhaust gas from the fuel cell stack is guided to the bypass flow path side by the gas flow switching means when the temperature is lowered when the operation is stopped.
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