JP2009193808A - Solid oxide fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide fuel cell module which recovers a thermal energy effectively without damaging a piping or a preheating unit or the like. <P>SOLUTION: The solid oxide fuel cell includes a fuel cell module having a group of fuel battery unit cells in which an anode to which fuel gas is supplied and a cathode to which oxidizer gas is supplied are formed with a solid oxide electrolyte layer in-between and a single layer or a plurality of layers of a heat insulation material surrounding an outer portion of the group, one or a plurality of heat insulating outer walls forming preheating passages which are arranged outside of the fuel cell module and in which the fuel gas or the oxidizer gas flow, and a porous body arranged between the insulating out walls and the fuel cell module. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は放熱による熱エネルギー損失を効果的に低減することができる固体酸化物形燃料電池に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell that can effectively reduce thermal energy loss due to heat dissipation.

通常、固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード及びカソードを配置している。また、セル形状によっては、積層時にアノードまたはカソードと電気的接続の役割をするインターコネクタを備えている。この燃料電池は通常、単セルとセパレータとは、所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。   In general, a solid oxide fuel cell (SOFC) uses an oxide ion conductor, for example, stabilized zirconia, as an electrolyte, and an anode and a cathode are arranged on both sides of the electrolyte. In addition, depending on the cell shape, an interconnector that serves as an electrical connection with the anode or the cathode during stacking is provided. This fuel cell is normally used as a fuel cell stack in which a predetermined number of single cells and separators are stacked.

従来においてはSOFCの発電温度が約1000℃と非常に高温であり、その高温を維持するために断熱材を充填してなる断熱構造がとられているが、断熱材の枚数が嵩み、燃料電池モジュール本体は大がかりなものとなってしまった。また、燃料電池の内部温度は均一化することが好ましく、作動条件によっては内部において温度分布が生じることを防止することが好ましい。   Conventionally, the power generation temperature of SOFC is very high at about 1000 ° C., and in order to maintain the high temperature, a heat insulating structure filled with a heat insulating material has been taken. The battery module body has become a large scale. Further, the internal temperature of the fuel cell is preferably made uniform, and it is preferable to prevent the temperature distribution from occurring inside depending on the operating conditions.

このような断熱構造では、燃料電池等で発生する反応熱を断熱する手段として、例えば特許文献1記載のように、電池発熱反応に伴い発生する熱を燃料電池に供給する燃料ガス又は酸化剤ガスと熱交換して回収する手段が提案されている。   In such a heat insulating structure, as a means for insulating the reaction heat generated in the fuel cell or the like, as described in Patent Document 1, for example, a fuel gas or an oxidant gas that supplies the heat generated by the cell exothermic reaction to the fuel cell Means for heat exchange and recovery have been proposed.

単に断熱、冷却するだけであれば、モジュール外部を断熱材で覆い、更に冷却装置を組み込むことで容易に解決することができるが、家庭用を想定した場合はコンパクト化が望まれる。   If it is only heat insulation and cooling, it can be easily solved by covering the outside of the module with a heat insulating material and further incorporating a cooling device. However, in the case of home use, downsizing is desired.

特開平09−07624公報JP 09-07624 A 特開平08−273686号公報Japanese Patent Laid-Open No. 08-273686

そこで、燃料電池モジュールをコンパクトにするために、燃料ガス又は酸化剤ガスの配管又は予熱容器を発電モジュールに隣接して配置する必要がある。しかし、約1000℃という高温で稼動し続けると高温配管の熱膨張差によって配管又は予熱容器が破損する恐れがあるという問題を有していた。   Therefore, in order to make the fuel cell module compact, it is necessary to arrange fuel gas or oxidant gas piping or a preheating container adjacent to the power generation module. However, if the operation is continued at a high temperature of about 1000 ° C., there is a problem that the pipe or the preheating container may be damaged due to a difference in thermal expansion of the high-temperature pipe.

本発明の目的は、配管又は予熱機器等の破損をなくして熱エネルギーを効果的に回収することができる固体酸化物燃料電池モジュールを提供することである。   An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell module that can effectively recover thermal energy without damaging piping or preheating equipment.

本発明は、燃料ガスが供給されるアノードと、酸化剤ガスが供給されるカソードとが固体酸化物電解質層を介して形成された燃料電池単セルの集合体と、前記集合体の外部を包囲する単層又は複数層の断熱材を用いた断熱手段とを備えた燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールの外部に配置された前記燃料ガス又は酸化剤ガスが流れる一つ又は複数の予熱通路を形成する断熱外壁と、前記断熱外壁と前記燃料電池モジュールとの間に配置された多孔質体を備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池を提供するものである。   The present invention includes an assembly of fuel cell single cells in which an anode to which a fuel gas is supplied and a cathode to which an oxidant gas is supplied are formed via a solid oxide electrolyte layer, and surrounds the outside of the assembly. A fuel cell module provided with a heat insulating means using a single layer or a plurality of layers of heat insulating material, and one or a plurality of preheating passages arranged outside the fuel cell module through which the fuel gas or oxidant gas flows. The present invention provides a solid oxide fuel cell comprising a heat insulating outer wall to be formed and a porous body disposed between the heat insulating outer wall and the fuel cell module.

本発明によれば、配管又は予熱機器等の破損をなくして燃料電池モジュールからの熱エネルギーを効果的に回収することができる固体酸化物燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a solid oxide fuel cell capable of effectively recovering thermal energy from a fuel cell module without damaging a pipe or a preheating device.

前記断熱外壁は、前記燃料電池モジュールの外周に配置された高温用断熱体と前記予熱通路の間及びその予熱通路を取り囲むように配置された断熱外壁(図1において、21’及び21’’)とからなるものが好ましい。   The heat insulation outer wall is a heat insulation outer wall (21 ′ and 21 ″ in FIG. 1) arranged between and around the high temperature heat insulator disposed on the outer periphery of the fuel cell module and the preheat passage. Those consisting of are preferred.

本発明の対象は、燃料ガスが供給されるアノードと酸化剤ガスが供給されるカソードとを有する燃料電池単セル集合体と、その集合体の外部を断熱材で包囲した燃料電池モジュールの外部に、前記燃料ガスもしくは酸化剤ガスが流れる予熱通路を配置したものである。具体的には前記通路に供給される前記燃料ガスもしくは酸化剤ガスの入口と出口との間に多孔質体を配して前記燃料電池モジュールからの伝熱及び輻射熱をより効率的に回収することを特徴とする。   An object of the present invention is a fuel cell single cell assembly having an anode to which fuel gas is supplied and a cathode to which an oxidant gas is supplied, and outside the fuel cell module in which the outside of the assembly is surrounded by a heat insulating material. A preheating passage through which the fuel gas or oxidant gas flows is arranged. Specifically, a porous body is disposed between the inlet and the outlet of the fuel gas or oxidant gas supplied to the passage to recover heat transfer and radiant heat from the fuel cell module more efficiently. It is characterized by.

本発明の他の好ましい実施形態の1つとして、前記燃料電池モジュールの位置に応じて、前記予熱通路に配した前記多孔質体の気孔率が異なる固体酸化物形燃料電池モジュールがある。また、他の実施形態として、前記予熱通路及び前記燃料電池には温度計測手段及び反応ガス流量調整手段を設けて、前記燃料電池の温度分布に応じて前記予熱通路に供給する前記燃料ガスもしくは酸化剤ガスの流量を制御する固体酸化物形燃料電池モジュールがある。   As another preferred embodiment of the present invention, there is a solid oxide fuel cell module in which the porosity of the porous body arranged in the preheating passage varies depending on the position of the fuel cell module. As another embodiment, the preheating passage and the fuel cell are provided with a temperature measuring means and a reaction gas flow rate adjusting means, and the fuel gas or oxidation supplied to the preheating passage according to the temperature distribution of the fuel cell. There is a solid oxide fuel cell module that controls the flow rate of the agent gas.

さらに他の好ましい形態として、前記燃料電池及び前記予熱通路に備えられた温度計測手段を前記燃料電池モジュールから外部に取り出す計測用ポートに熱絶縁用端子が接続されている固体酸化物形燃料電池モジュールがある。また、前記予熱通路に流れる流体が燃料ガスの場合、前記通路の内側に配する前記多孔質体が耐還元性材料である固体酸化物形燃料電池モジュールがある。   As another preferred embodiment, a solid oxide fuel cell module in which a thermal insulation terminal is connected to a measurement port for taking out the temperature measurement means provided in the fuel cell and the preheating passage from the fuel cell module to the outside. There is. Further, when the fluid flowing through the preheating passage is fuel gas, there is a solid oxide fuel cell module in which the porous body disposed inside the passage is a reduction-resistant material.

そしてさらに、好ましい形態として、前記予熱通路に流れる流体が酸化剤ガスの場合、前記通路の内側に配する前記多孔質体が耐酸化性材料である固体酸化物形燃料電池モジュールがある。   Further, as a preferred embodiment, when the fluid flowing through the preheating passage is an oxidant gas, there is a solid oxide fuel cell module in which the porous body disposed inside the passage is an oxidation resistant material.

本発明の他の望ましい実施態様によれば、前記燃料電池に供給する燃料ガスもしくは酸化剤ガスが流れる通路を、前記断熱手段で包囲された燃料電池モジュールに近接して配置し、燃料電池単セルが発電することによる発熱を燃料電池モジュール外部に放熱する前に回収することができる。   According to another preferred embodiment of the present invention, a passage through which a fuel gas or an oxidant gas supplied to the fuel cell flows is disposed close to the fuel cell module surrounded by the heat insulating means, and a single fuel cell The heat generated by generating electricity can be recovered before dissipating heat to the outside of the fuel cell module.

また、前記予熱通路の中に多孔質板を配することで予熱通路内の熱伝導率の向上及び予熱通路内を流れる前記燃料ガスもしくは酸化剤ガスを予熱通路面内に均一に流すことができるので、燃料電池の温度分布を均一にすることができ、効率的に放熱を回収することができる。   In addition, by disposing a porous plate in the preheating passage, the thermal conductivity in the preheating passage can be improved and the fuel gas or oxidant gas flowing in the preheating passage can be made to flow uniformly in the surface of the preheating passage. Therefore, the temperature distribution of the fuel cell can be made uniform, and the heat radiation can be efficiently recovered.

また、前記予熱通路を複数設けた場合、前記燃料電池の温度計測手段で計測された温度に応じて、各通路に流す前記燃料ガスもしくは前記酸化剤ガスの流量を調整することが好ましい。これにより、燃料電池の温度分布を均一にすることができるので、より効率的に放熱を回収することができる。   When a plurality of the preheating passages are provided, it is preferable to adjust the flow rate of the fuel gas or the oxidant gas flowing through each passage according to the temperature measured by the temperature measuring means of the fuel cell. Thereby, since the temperature distribution of the fuel cell can be made uniform, the heat radiation can be recovered more efficiently.

また、前記通路に挿入する多孔質体は熱伝導の良い金属材料が望ましく、前記通路を流れる流体が前記燃料ガスであれば還元雰囲気なので、耐還元性材の金属材料例えば、ニッケルなどを用い、前記通路を流れる流体が酸化剤ガスであれば耐酸化性の金属材料例えば、ステンレス材などを用いることにより効果的に放熱を回収することができる。   Further, the porous material inserted into the passage is preferably a metal material having good heat conduction, and if the fluid flowing in the passage is the fuel gas, it is a reducing atmosphere, so a metal material of a reduction resistant material such as nickel is used, If the fluid flowing through the passage is an oxidant gas, the heat radiation can be effectively recovered by using an oxidation-resistant metal material such as stainless steel.

本発明において、燃料電池モジュールはアノードと、固体酸化物層を介して配置されたカソードを含む燃料電池単セルの集合体と、その外周を取り囲む断熱材(断熱内壁20)を含む構成を意味する。   In the present invention, the fuel cell module means a configuration including an anode, an assembly of fuel cell single cells including a cathode disposed via a solid oxide layer, and a heat insulating material (heat insulating inner wall 20) surrounding the outer periphery thereof. .

前記燃料電池モジュールの外部には燃料ガス又は酸化剤ガスが流れる1つ又は複数の予熱通路を形成する断熱外壁を配置する。そして、この断熱外壁21内に形成される予熱通路41に多孔質体9を配置し、前記断熱内壁(高温断熱材)20からの熱エネルギーを多孔質体により回収する。断熱外壁21は、外側の断熱外壁21’と内側の断熱壁21’’とから構成される。   A heat insulating outer wall that forms one or more preheating passages through which fuel gas or oxidant gas flows is disposed outside the fuel cell module. And the porous body 9 is arrange | positioned in the preheating channel | path 41 formed in this heat insulation outer wall 21, and the thermal energy from the said heat insulation inner wall (high temperature heat insulating material) 20 is collect | recovered with a porous body. The heat insulating outer wall 21 includes an outer heat insulating outer wall 21 ′ and an inner heat insulating wall 21 ″.

以下、具体的な本発明の実施の形態について具体的に記載する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係る燃料電池モジュールの概略構成断面図である。図1に示すように本発明では燃料電池1を有している。燃料電池1は、固体酸化物形燃料電池である。燃料電池1は、燃料電池単セルの集合体であり、燃料電池単セルの集合体と集電極3及びその外周に配置された高温断熱材20とから燃料電池モジュールが構成される。
Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be specifically described.
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic sectional view of a fuel cell module according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the present invention has a fuel cell 1. The fuel cell 1 is a solid oxide fuel cell. The fuel cell 1 is an assembly of fuel cell single cells, and a fuel cell module is configured by the assembly of fuel cell single cells, the collector electrode 3, and the high-temperature heat insulating material 20 disposed on the outer periphery thereof.

図2は、本発明に採用できる円筒型の燃料電池単セルの構造を示す一部断面斜視図である。本発明は、例えば図2に示すような円筒型や、積層型などに適用され、燃料電池単セルの構造・形状が限定されるものではない。図2に示す円筒型の固体酸化物形燃料電池単セルは、電解質53の両面にカソード51、アノード54及びインターコネクタ52が設けられた電解質電極接合体を備えている。   FIG. 2 is a partial cross-sectional perspective view showing the structure of a cylindrical fuel cell single cell that can be employed in the present invention. The present invention is applied to, for example, a cylindrical type as shown in FIG. The cylindrical solid oxide fuel cell single cell shown in FIG. 2 includes an electrolyte electrode assembly in which a cathode 51, an anode 54, and an interconnector 52 are provided on both surfaces of an electrolyte 53.

電解質53は、安定化ジルコニア等の酸化物イオン伝導体で構成されている。インターコネクタ52は、積層時に、アノードまたはカソードと電気的接続の役割を担う。図1には図2に示す単セルを複数個配置した燃料電池モジュールとその熱回収システムをあわせて示した。   The electrolyte 53 is made of an oxide ion conductor such as stabilized zirconia. The interconnector 52 plays a role of electrical connection with the anode or the cathode when stacked. FIG. 1 also shows a fuel cell module in which a plurality of single cells shown in FIG. 2 are arranged and its heat recovery system.

燃焼室10は、燃料電池1のアノード及びカソードから排出された未反応燃料を燃焼し、燃焼排ガスの熱量を高める。燃焼排ガスは、600℃〜1000℃と非常に高温であり、この高温の燃焼排ガスを利用して、空気や燃料の予熱、燃料の改質、蒸気発生及び温水用の熱源として利用する。   The combustion chamber 10 burns unreacted fuel discharged from the anode and cathode of the fuel cell 1 and increases the amount of heat of the combustion exhaust gas. Combustion exhaust gas is a very high temperature of 600 ° C. to 1000 ° C., and this high temperature combustion exhaust gas is used as a heat source for air and fuel preheating, fuel reforming, steam generation, and hot water.

空気導入管2は燃料電池1のカソード側にブロアーやコンプレッサーなどの酸化剤ガス供給源(図示せず)から酸化剤ガスを供給するために設けられており、円筒型の場合、燃料電池単セルの先端部分まで酸化剤ガスである空気を送り込むために用いられる。   The air introduction pipe 2 is provided on the cathode side of the fuel cell 1 in order to supply an oxidant gas from an oxidant gas supply source (not shown) such as a blower or a compressor. It is used to send air, which is an oxidant gas, to the tip of the gas.

集電極3は燃料電池1が発電することによって発生した起電力を集め、外部に取り出すために設けられている。   The collecting electrode 3 is provided to collect the electromotive force generated by the power generation by the fuel cell 1 and take it out.

また燃料電池単セル1間の温度差を低減する目的で均熱板13を設けている。均熱板13は材料として特に限定するものではないが、熱伝導が良い材料が好ましく、例えば還元雰囲気でも使用できる銅などが好適な例として挙げられる。   A soaking plate 13 is provided for the purpose of reducing the temperature difference between the single fuel cells 1. The soaking plate 13 is not particularly limited as a material, but a material having good heat conduction is preferable. For example, copper that can be used even in a reducing atmosphere is preferable.

アノード室11は燃料ガスを燃料電池1のアノードに均一に供給するために、アノード室仕切り板7で燃料ガスをアノード室11の隅々まで分散させ、多孔質状の整流板6で燃料電池1のアノードに均一に燃料ガスを供給する。アノード室11には燃料ガス供給手段32が接続されている。燃料ガス供給手段32は、例えば都市ガスなど主としてメタン(CH)を含む原燃料ガスに水蒸気改質することができる改質器(図示せず)などが好適な手段として用いられる。 In order to uniformly supply the fuel gas to the anode of the fuel cell 1, the anode chamber 11 disperses the fuel gas to every corner of the anode chamber 11 with the anode chamber partition plate 7, and the fuel cell 1 with the porous rectifying plate 6. The fuel gas is uniformly supplied to the anode. A fuel gas supply means 32 is connected to the anode chamber 11. As the fuel gas supply means 32, for example, a reformer (not shown) capable of steam reforming to a raw fuel gas mainly containing methane (CH 4 ) such as city gas is used as a suitable means.

カソード室12は酸化剤ガスを燃料電池1のカソードに均一に供給するために、カソード室仕切り板8で酸化剤ガスをカソード室12の隅々まで分散させ、空気導入管2に均一に酸化剤ガスを供給することで、燃料電池1のカソードにも均一に酸化剤ガスを供給することができる。   In order for the cathode chamber 12 to uniformly supply the oxidant gas to the cathode of the fuel cell 1, the oxidant gas is dispersed throughout the cathode chamber 12 by the cathode chamber partition plate 8, and the oxidant is uniformly distributed in the air introduction pipe 2. By supplying the gas, the oxidant gas can be uniformly supplied also to the cathode of the fuel cell 1.

図3は、本発明に採用できる燃料電池1発電部分の断熱構造の概略図である。図3より、燃料電池単セル4からの放熱は高温用断熱材(断熱内壁)20及び低温用高機能断熱材(断熱外壁)21で約400℃まで低減することができる。ここで高温用断熱材20は耐熱性が約700℃〜1000℃において低熱膨張係数を有する材料が好ましい。例えばシリカアルミナ系の耐熱繊維で構成されるファインフレックス(登録商標、ニチアス(株)商品名)などが好適な材料として挙げられるが、これに限定するものではない。また低温用高機能断熱材としては約400℃〜600℃において低熱膨張が好ましく、例えばドイツのWacker Chemie GmbH社が開発した「POREXTHERM WDS」などが好適な材料として挙げられる。しかし、これに限定するものではない。   FIG. 3 is a schematic diagram of a heat insulating structure of a fuel cell 1 power generation portion that can be employed in the present invention. From FIG. 3, the heat radiation from the single fuel cell 4 can be reduced to about 400 ° C. by the high-temperature heat insulating material (heat insulating inner wall) 20 and the low-temperature high-functional heat insulating material (heat insulating outer wall) 21. Here, the heat insulating material 20 for high temperature is preferably a material having a low thermal expansion coefficient at a heat resistance of about 700 ° C to 1000 ° C. For example, fine flex (registered trademark, trade name of Nichias Co., Ltd.) composed of silica-alumina heat-resistant fibers can be cited as a suitable material, but is not limited thereto. Moreover, as a low-temperature high-performance heat insulating material, low thermal expansion is preferable at about 400 ° C. to 600 ° C., for example, “PORTHETHERM WDS” developed by Wacker Chemie GmbH in Germany can be cited as a suitable material. However, the present invention is not limited to this.

低温用断熱材21の内壁21’’からの放熱により空気予熱通路41によって酸化剤ガスを予熱する。空気予熱通路41には放熱から効率的に熱エネルギーを回収するために多孔質体9が挿入されている。ここで多孔質体9の材料を限定するものではないが、より効率的に放熱を回収するために熱伝導性の良い金属材料が好ましい。但し、予熱ガス及び断熱内壁21’’からの熱エネルギーによって焼損したり破壊したりしないような、十分高い耐熱性の材料を選択する。多孔質体の気孔は、貫通孔が好ましく、かつその貫通孔の方向は、予熱通路の方向と直交又は横切る方向が好ましい。   The oxidant gas is preheated by the air preheating passage 41 by heat radiation from the inner wall 21 ″ of the low temperature heat insulating material 21. A porous body 9 is inserted into the air preheating passage 41 in order to efficiently recover thermal energy from heat dissipation. Here, the material of the porous body 9 is not limited, but a metal material having good thermal conductivity is preferable in order to recover heat radiation more efficiently. However, a sufficiently high heat-resistant material is selected so as not to be burned or destroyed by the preheated gas and the heat energy from the heat insulating inner wall 21 ″. The pores of the porous body are preferably through-holes, and the direction of the through-holes is preferably perpendicular or transverse to the direction of the preheating passage.

ここで燃料電池モジュールの軸方向に対して、挿入する多孔質材の気孔径又は気孔率が異なるものを使用することが望ましい。例えば、燃料電池単セルの軸方向の平均温度と比較して、温度が高いと想定される部分には多孔質材の気孔径又は気孔率が大のものを挿入する。これにより、その部分を流れる燃料ガスもしくは酸化剤ガスの流量を増やすことができるため、より効果的に燃料電池の高温部の温度を下げることができる。   Here, it is desirable to use a porous material having a different pore diameter or porosity with respect to the axial direction of the fuel cell module. For example, a porous material having a large pore diameter or porosity is inserted into a portion where the temperature is assumed to be higher than the average temperature in the axial direction of the single fuel cell. Thereby, since the flow volume of the fuel gas or oxidant gas which flows through the part can be increased, the temperature of the high temperature part of the fuel cell can be lowered more effectively.

また燃料電池モジュールの軸方向の平均温度と比較して、温度が低いと想定される部分には多孔質材の気孔径又は気孔率が小さいものを挿入することで、その部分を流れる燃料ガスもしくは酸化剤ガスの流量を減らすことができる。その部分での過冷却を防止することができる。   In addition, by inserting a porous material having a small pore diameter or porosity into a portion where the temperature is assumed to be lower than the average temperature in the axial direction of the fuel cell module, the fuel gas flowing through that portion or The flow rate of the oxidant gas can be reduced. Overcooling at that portion can be prevented.

上記の説明のように、大きな燃料ガスもしくは酸化剤ガス流量が必要なときは気孔径又は気孔率の大きい多孔質体とし、小さい流量が必要なときは、気高径又は気孔率の小さい多孔質体とする。   As described above, when a large flow rate of fuel gas or oxidant gas is required, a porous body having a large pore size or porosity is used. When a small flow rate is required, a porous body having a high pore size or a low porosity is used. Let it be the body.

本実施の形態にかかる固体酸化物形燃料電池によれば、以下の効果を奏する。
(1)燃料電池モジュールから外部への放熱を燃料ガス及び酸化剤ガスの予熱として用い、予熱通路に多孔質体を挿入することでより効率的に予熱することができる。単に予熱通路を設けただけでは、燃料電池モジュールから放出される熱エネルギーが十分回収されないまま燃料電池外に放出されることになるが、予熱通路内に多孔質体を配置することにより、熱エネルギーを極めて効率よく回収することができる。
(2)多孔質体は連続気孔を有するものが好ましく、この多孔質体を挿入することで予熱通路に均一に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを流すことができるので、燃料電池モジュールの温度を均一にすることができる。
(3)燃料電池モジュールの軸方向に対して、挿入する多孔質体の気孔率を変えることで、燃料電池モジュールの軸方向に対して温度を均一にすることができる。
(4)予熱通路によりモジュールからの放熱を回収するため、断熱材を薄くすることができるので燃料電池モジュールの放熱ロスを低減し、かつコンパクトにすることができる。
(第2実施形態)
図4(a)は本発明の第2実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池の概略斜視図であり、図4(b)は燃料電池モジュールの軸方向における温度勾配を示すグラフである。第1実施形態では、空気予熱通路を1つとしていたが、本実施形態では、この通路を軸方向に複数に分割してなるものである。
The solid oxide fuel cell according to the present embodiment has the following effects.
(1) The heat radiation from the fuel cell module to the outside can be used as preheating of the fuel gas and the oxidant gas, and the porous body can be inserted into the preheating passage for more efficient preheating. If the preheating passage is simply provided, the thermal energy released from the fuel cell module is released to the outside of the fuel cell without being sufficiently recovered. However, by arranging a porous body in the preheating passage, the thermal energy is Can be recovered extremely efficiently.
(2) The porous body preferably has continuous pores. By inserting this porous body, the fuel gas or the oxidant gas can flow uniformly in the preheating passage, so that the temperature of the fuel cell module is made uniform. can do.
(3) By changing the porosity of the porous body to be inserted with respect to the axial direction of the fuel cell module, the temperature can be made uniform with respect to the axial direction of the fuel cell module.
(4) Since the heat radiation from the module is recovered by the preheating passage, the heat insulating material can be thinned, so that the heat radiation loss of the fuel cell module can be reduced and the fuel cell module can be made compact.
(Second Embodiment)
FIG. 4A is a schematic perspective view of a solid oxide fuel cell according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a graph showing a temperature gradient in the axial direction of the fuel cell module. In the first embodiment, there is one air preheating passage, but in this embodiment, this passage is divided into a plurality of portions in the axial direction.

図4a)に示すように、本実施形態にかかる燃料電池モジュール本体の空気予熱通路は、軸方向に複数個(本実施では3つ)設けており、それぞれの通路の酸化剤ガス入口は独立している。図4(b)に示すように、燃料電池1の表面付近には、それぞれの軸方向の高さに温度(T1、T2及びT3)を計測する手段が設けられる。   As shown in FIG. 4a), a plurality of air preheating passages (three in this embodiment) are provided in the axial direction of the fuel cell module body according to the present embodiment, and the oxidant gas inlets of the respective passages are independent. ing. As shown in FIG. 4B, near the surface of the fuel cell 1, there are provided means for measuring temperatures (T 1, T 2, and T 3) at respective axial heights.

複数に空気予熱通路を区切ることで、燃料電池1の軸方向に温度分布の差があった場合でも制御手段(図示せず)によって、測定温度に応じて各空気予熱通路に供給する空気流量を制御することができるので、燃料電池1の軸方向の熱分布を均一化することができる。   By dividing a plurality of air preheating passages, even if there is a difference in temperature distribution in the axial direction of the fuel cell 1, the flow rate of air supplied to each air preheating passage according to the measured temperature is controlled by a control means (not shown). Since it can be controlled, the heat distribution in the axial direction of the fuel cell 1 can be made uniform.

すなわち、図4(b)に示すように、燃料電池1の温度分布が軸方向に対して中心部分(T2)が高いような場合(図中実線)、温度が高い部分の空気供給手段312の流量を増すことでT2の温度を選択的に下げることで、燃料電池1の軸方向に対して温度分布を均一化することができる。また燃料電池軸方向に対して周方向では、多孔質板を用いているのでガスの流量が全体的に均一になるため、燃料電池の温度を均一に制御することができる。   That is, as shown in FIG. 4B, when the temperature distribution of the fuel cell 1 is high in the central portion (T2) with respect to the axial direction (solid line in the drawing), By selectively lowering the temperature of T2 by increasing the flow rate, the temperature distribution can be made uniform with respect to the axial direction of the fuel cell 1. Further, since the porous plate is used in the circumferential direction with respect to the axial direction of the fuel cell, the gas flow rate becomes uniform as a whole, so that the temperature of the fuel cell can be controlled uniformly.

本実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池によれば、空気予熱通路を複数に分割することで、燃料電池1の軸方向の温度分布が均一化されるので、温度上昇に伴う燃料電池の劣化等を防止することができる。
(3実施形態)
図5は本発明の第2実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池の概略図である。図5に示すように第3の実施形態では、空気を予熱する通路の他に燃料予熱通路421を備えている。燃料予熱通路421には改質される前の原燃料ガスと水蒸気を混合したガスもしくは改質された燃料ガスが供給される。
According to the solid oxide fuel cell according to the present embodiment, the temperature distribution in the axial direction of the fuel cell 1 is made uniform by dividing the air preheating passage into a plurality of parts, so that the deterioration of the fuel cell due to the temperature rise Etc. can be prevented.
(3 embodiment)
FIG. 5 is a schematic view of a solid oxide fuel cell according to a second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, in the third embodiment, a fuel preheating passage 421 is provided in addition to a passage for preheating air. The fuel preheating passage 421 is supplied with a gas obtained by mixing raw fuel gas and steam before reforming or reformed fuel gas.

以上、本実施形態によれば、空気だけではなく、燃料電池1からの放熱を燃料ガスの予熱及び改質に利用することができるので、外部に改質器、燃料予熱器などが不要になり、よりコンパクトな燃料電池システムを提供することができる。   As described above, according to the present embodiment, not only air but also heat radiation from the fuel cell 1 can be used for preheating and reforming of the fuel gas, so that no external reformer, fuel preheater, etc. are required. A more compact fuel cell system can be provided.

なお、本発明は上述した発明の実施の形態に限定されず、燃料電池モジュールの外側に熱交換機能を付与し、燃料電池モジュールからの余剰な熱を除去する構成であれば良い。従って、図示したような構成に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。   The present invention is not limited to the embodiment of the invention described above, and any structure may be used as long as it provides a heat exchange function outside the fuel cell module and removes excess heat from the fuel cell module. Therefore, the present invention is not limited to the configuration as illustrated, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

本発明の第1実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の構成図である。1 is a configuration diagram of a solid oxide fuel cell according to a first embodiment of the present invention. 本発明に採用できる円筒型燃料電池セルの一部断面斜視図である。1 is a partial cross-sectional perspective view of a cylindrical fuel cell that can be employed in the present invention. 本発明の第1実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュール外部の断面図である。1 is a cross-sectional view of the outside of a solid oxide fuel cell module according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the solid oxide fuel cell which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the solid oxide fuel cell which concerns on 3rd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…燃料電池、2…空気導入管、3…集電極、4…燃料電池単セル、6…整流板、7…アノード室仕切り板、8…カソード室仕切り板、9…多孔質体、10…燃焼室、11…アノード室、12…カソード室、20…高温用断熱材、21…低温用高機能断熱材、31…酸化剤ガス供給手段、32…燃料ガス供給手段、41…空気予熱通路、51…カソード、52…インターコネクタ、53…固体酸化物形電解質、54…アノード、311,312,313…酸化剤ガス供給手段、321…燃料ガス供給手段、411…空気予熱通路1、412…空気予熱通路2、413…空気予熱通路3、414…空気予熱通路、421…燃料予熱通路   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 2 ... Air introduction pipe, 3 ... Collector electrode, 4 ... Fuel cell single cell, 6 ... Current plate, 7 ... Anode chamber partition plate, 8 ... Cathode chamber partition plate, 9 ... Porous body, 10 ... Combustion chamber, 11 ... anode chamber, 12 ... cathode chamber, 20 ... high temperature insulation, 21 ... high performance insulation for low temperature, 31 ... oxidant gas supply means, 32 ... fuel gas supply means, 41 ... air preheating passage, DESCRIPTION OF SYMBOLS 51 ... Cathode, 52 ... Interconnector, 53 ... Solid oxide electrolyte, 54 ... Anode, 311, 312, 313 ... Oxidant gas supply means, 321 ... Fuel gas supply means, 411 ... Air preheating passages 1, 412 ... Air Preheating passage 2, 413 ... Air preheating passage 3, 414 ... Air preheating passage, 421 ... Fuel preheating passage

Claims (9)

燃料ガスが供給されるアノードと、酸化剤ガスが供給されるカソードとが固体酸化物電解質層を介して形成された燃料電池単セルの集合体と、前記集合体の外部を包囲する単層又は複数層の高温断熱材を備えた燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールの外部に配置された前記燃料ガス又は酸化剤ガスが流れる一つ又は複数の予熱通路を形成する断熱外壁と、前記断熱外壁と前記燃料電池モジュールとの間に配置された多孔質体を備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。   An assembly of fuel cell single cells in which an anode to which fuel gas is supplied and a cathode to which oxidant gas is supplied are formed via a solid oxide electrolyte layer, and a single layer surrounding the outside of the assembly, or A fuel cell module having a plurality of layers of high-temperature heat insulating material; a heat insulating outer wall that forms one or more preheating passages through which the fuel gas or oxidant gas flows disposed outside the fuel cell module; and the heat insulating outer wall A solid oxide fuel cell comprising a porous body disposed between the fuel cell module and the fuel cell module. 前記燃料電池モジュールの位置に応じて、前記予熱通路に配した前記多孔質体の気孔率が異なることを特徴とする請求項1記載の固体酸化物形燃料電池。   2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the porosity of the porous body disposed in the preheating passage varies depending on the position of the fuel cell module. 前記予熱通路及び前記燃料電池モジュールに温度計測手段及び反応ガス流量調整手段を設け、前記燃料電池モジュールの温度分布に応じて前記予熱通路に供給する前記燃料ガスもしくは酸化剤ガスの流量を制御することを特徴とする請求項1又は2記載の固体酸化物形燃料電池。   Temperature measuring means and reactive gas flow rate adjusting means are provided in the preheating passage and the fuel cell module, and the flow rate of the fuel gas or oxidant gas supplied to the preheating passage is controlled according to the temperature distribution of the fuel cell module. The solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2. 前記燃料電池モジュール及び前記予熱通路に備えられた温度計測手段を前記燃料電池モジュールから外部に取り出す計測用ポートに、熱絶縁用端子が接続されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。   The thermal insulation terminal is connected to a measurement port for taking out the temperature measurement means provided in the fuel cell module and the preheating passage from the fuel cell module to the outside. A solid oxide fuel cell module according to claim 1. 前記予熱通路に流れる流体が燃料ガスの場合、前記通路の内側に配する前記多孔質体が耐還元性材料であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。   The solid oxide form according to any one of claims 1 to 4, wherein when the fluid flowing through the preheating passage is fuel gas, the porous body disposed inside the passage is a reduction resistant material. Fuel cell module. 前記予熱通路に流れる流体が酸化剤ガスの場合、前記通路の内側に配する前記多孔質体が耐酸化性材料であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。   The solid oxide according to any one of claims 1 to 5, wherein when the fluid flowing through the preheating passage is an oxidant gas, the porous body disposed inside the passage is an oxidation resistant material. Fuel cell module. 燃料ガスが供給されるアノードと、酸化剤ガスが供給されるカソードとが固体酸化物電解質層を介して形成された燃料電池単セルの集合体と、前記集合体の外部を包囲する高温断熱材を備えた燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールの外部に配置された前記燃料ガス又は酸化剤ガスが流れる予熱通路を形成する断熱外壁と、前記断熱外壁と前記燃料電池モジュールとの間に配置された多孔質体とを備え、前記多孔質体の気孔率が前記燃料電池モジュールの軸方向における温度が高い位置ほど高いことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。   An assembly of fuel cell single cells in which an anode to which a fuel gas is supplied and a cathode to which an oxidant gas is supplied are formed via a solid oxide electrolyte layer, and a high-temperature heat insulating material surrounding the outside of the assembly A fuel cell module comprising: a heat insulating outer wall that forms a preheating passage through which the fuel gas or oxidant gas flows disposed outside the fuel cell module; and the heat insulating outer wall and the fuel cell module. A solid oxide fuel cell, wherein the porosity of the porous body is higher at a higher temperature in the axial direction of the fuel cell module. 前記予熱通路及び前記燃料電池モジュールに設けた温度計測手段及び反応ガス流量調整手段を備え、前記燃料電池モジュールの軸方向の温度分布に応じて前記予熱通路に供給する前記燃料ガスもしくは酸化剤ガスの流量を制御することを特徴とする請求項7記載の固体酸化物形燃料電池。   A temperature measuring means and a reaction gas flow rate adjusting means provided in the preheating passage and the fuel cell module, and the fuel gas or oxidant gas supplied to the preheating passage according to the temperature distribution in the axial direction of the fuel cell module; 8. The solid oxide fuel cell according to claim 7, wherein the flow rate is controlled. 前記燃料電池モジュール及び前記予熱通路に備えられた温度計測手段を前記燃料電池モジュールから外部に取り出す計測用ポートに熱絶縁用端子が接続されていることを特徴とする請求項7に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。   8. The solid oxidation according to claim 7, wherein a thermal insulation terminal is connected to a measurement port for taking out the temperature measurement means provided in the fuel cell module and the preheating passage from the fuel cell module to the outside. Physical fuel cell module.
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