JP2014137960A - Fuel cell power generation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属化合物を電解質に用いた燃料電池発電装置、特に、水酸化物イオン伝導性の電解質を用いた燃料電池を備えた燃料電池発電装置に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell power generator using a metal compound as an electrolyte, and more particularly to a fuel cell power generator equipped with a fuel cell using a hydroxide ion conductive electrolyte.
燃料電池、一次・二次電池、水電解やセンサーなどの電気化学デバイスは、電極間に、イオンの伝導体である電解質を必要とする。 Electrochemical devices such as fuel cells, primary and secondary batteries, water electrolysis and sensors require an electrolyte that is an ionic conductor between the electrodes.
例えば、燃料電池は用いられる電解質の種類によって分類され、液体であるリン酸を用いたりん酸形燃料電池(PAFC)、100℃以下で作動する高分子電解質(パーフルオロスルホン酸等)を用いた固体高分子形燃料電池(PEFC)、600℃以上の高温で作動するイオン伝導性セラミックスを用いた固体酸化物形燃料電池(SOFC)などがある。 For example, fuel cells are classified according to the type of electrolyte used, and phosphoric acid fuel cells (PAFC) using liquid phosphoric acid, polymer electrolytes (perfluorosulfonic acid, etc.) that operate at 100 ° C or lower are used. There are solid polymer fuel cells (PEFC) and solid oxide fuel cells (SOFC) using ion conductive ceramics that operate at high temperatures of 600 ° C or higher.
近年、上述した燃料電池の電解質とは異なるアニオン伝導性金属化合物を電解質として用いた電気化学デバイスの研究が進められている。これらの電解質は電荷キャリアが水酸化物イオン(アニオン)でありカソード反応が早いため、PEFCやPAFCのように触媒に高価なPtなどを用いなくても作動するという利点がある。また従来の固体酸化物形燃料電池(SOFC)のような高温ではなく、300℃以下でイオン伝導性を有するため、システムの低コスト化に有利であり、注目を集めている。 In recent years, research on electrochemical devices using an anion conductive metal compound different from the fuel cell electrolyte described above as an electrolyte has been underway. Since these electrolytes are hydroxide ions (anions) and the cathode reaction is fast, these electrolytes have the advantage that they operate without using expensive Pt or the like as in the catalyst such as PEFC and PAFC. In addition, since it has ionic conductivity at 300 ° C. or lower rather than at a high temperature as in a conventional solid oxide fuel cell (SOFC), it is advantageous for reducing the cost of the system and has attracted attention.
特許文献1には、NaCo2O4、LaSr3Fe3O10及びBi4Sr14Fe24O56から選択された層状金属酸化物の焼結体からなる固体電解質層を挟むようにアノードとカソードとを配置して燃料電池を構成することが記載されている。
In
この電解質は水酸化物イオン(OH−)をイオン伝導体とし、アノードおよびカソードにおいて、以下の反応が進行する。 This electrolyte uses hydroxide ions (OH − ) as an ionic conductor, and the following reaction proceeds at the anode and the cathode.
アノード: H2+2OH−+2e−→2H2O
カソード: 1/2O2+H2O+2e−→2OH−
このように、カソード側の反応には水が必要であり、カソード側へは加湿した酸素または加湿した空気を供給することが必要である。
Anode: H 2 + 2OH − + 2e − → 2H 2 O
Cathode: 1 / 2O 2 + H 2 O + 2e − → 2OH −
Thus, water is necessary for the reaction on the cathode side, and humidified oxygen or humidified air needs to be supplied to the cathode side.
一方、特許文献2や3に記載されているように、固体高分子形燃料電池においては、固体高分子電解質を湿潤状態に維持するため、カソードまたはアノードに供給す各反応ガスを加湿して供給することを行なっていた。
On the other hand, as described in
しかし、従来の固体高分子形燃料電池においては、発電反応に水を必要とするわけではなく、電解質膜が乾燥しない程度に反応ガスを加湿すれば良かったが、水酸化物イオン伝導性の電解質を用いた燃料電池では、カソード反応に水を消費するので、発電に必要な量の水を供給する必要がある。従って、特許文献2や3に記載された従来の固体高分子形燃料電池で行っていた加湿方式をそのまま適用するのでは、発電に必要十分な水をカソードに供給することは困難であった。また、十分な加湿を行なうためには、装置が大型化し、加湿装置で消費するエネルギーも大きくなるという課題があった。
However, in the conventional polymer electrolyte fuel cell, water is not required for the power generation reaction, and it is sufficient to humidify the reaction gas to such an extent that the electrolyte membrane does not dry. In the fuel cell using, water is consumed for the cathode reaction, so it is necessary to supply an amount of water necessary for power generation. Therefore, it is difficult to supply the cathode with sufficient water necessary for power generation by directly applying the humidification method performed in the conventional polymer electrolyte fuel cells described in
上記課題を解決するために、本発明においては、アノードとカソードとの間に水酸化物イオン伝導性の金属化合物を含有する電解質層を備えた燃料電池と冷却板とを複数積層した燃料電池スタックと、冷却水タンクと、前記冷却水タンクおよび前記冷却板を循環する冷却水が通流する冷却水循環配管とを備え、前記燃料電池スタックに燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電を行う燃料電池発電装置において、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配管と、前記冷却水循環配管の前記冷却板の冷却水出口側とを連通する連通配管を備え、前記燃料電池の反応熱を回収した前記冷却水が、前記連通配管を経由して、前記酸化剤ガスに添加される構成とした。 In order to solve the above problems, in the present invention, a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells each including an electrolyte layer containing a hydroxide ion conductive metal compound and a cooling plate are laminated between an anode and a cathode. And a cooling water tank, and a cooling water circulation pipe through which the cooling water circulating through the cooling water tank and the cooling plate flows, and the fuel cell stack is supplied with fuel gas and oxidant gas to generate power In the fuel cell power generation device, the fuel cell power generator includes a communication pipe that communicates an oxidant gas supply pipe that supplies an oxidant gas to the fuel cell stack, and a cooling water outlet side of the cooling plate of the cooling water circulation pipe. The cooling water that has recovered the reaction heat is added to the oxidant gas via the communication pipe.
さらに、前記連通配管には、オリフィスを備えることとする。 Further, the communication pipe is provided with an orifice.
また、前記オリフィスを設けることに代えて、前記連通配管に流量計と、前記連通配管と前記冷却水循環配管との分岐に三方弁とを設け、前記流量計の検出値が、前記燃料電池スタックの発電負荷に応じて予め設定された値となるように、前記三方弁の開度制御が行うこととしてもよい。 Further, instead of providing the orifice, a flow meter is provided in the communication pipe, and a three-way valve is provided at a branch between the communication pipe and the cooling water circulation pipe. The opening degree of the three-way valve may be controlled so as to have a value set in advance according to the power generation load.
さらに、燃料電池スタックから排出されたアノード排ガスと、燃料電池スタックに供給する酸化剤ガスとを熱交換させる熱交換器を、酸化剤ガス供給配管の前記連通配管との接続部よりも上流側に配置することが好ましい。 Furthermore, a heat exchanger for exchanging heat between the anode exhaust gas discharged from the fuel cell stack and the oxidant gas supplied to the fuel cell stack is disposed upstream of the connection portion of the oxidant gas supply pipe with the communication pipe. It is preferable to arrange.
本発明の構成とすることにより、加湿装置および加湿のためのエネルギーが不要とし、かつ、発電反応に必要な水分を酸化剤ガスに添加することができる。 By adopting the configuration of the present invention, the humidifier and the energy for humidification are unnecessary, and moisture necessary for the power generation reaction can be added to the oxidant gas.
図1は、本発明の燃料電池発電装置に用いられる燃料電池(単セル)1の断面構造図である。燃料電池1は、水酸化物イオン(OH−)伝導性の金属酸化物からなる電解質層2の両主面に、触媒層3(アノード側触媒層3aおよびカソード側触媒層3c)とガス拡散層4とからなる電極5(アノード5aおよびカソード5c)を備え、電極5a,5cの外側にはセパレータ6が配置されている。セパレータ6には、ガス流路7が形成されている。またセパレータ6の周縁部はシール材8により封止されている。
FIG. 1 is a sectional structural view of a fuel cell (single cell) 1 used in the fuel cell power generator of the present invention. The
電解質層2には、特許文献1に記載されたNaCo2O4、LaSr3Fe3O10及びBi4Sr14Fe24O56等、水酸化物イオン伝導性の金属化合物焼結体を用いることができる。
For the
触媒層3には例えば、PdやPtなどの従来公知の触媒金属または合金を用いる事ができ、また、触媒層3はアノード側にのみ設けることとしてもよい。 For the catalyst layer 3, for example, a conventionally known catalyst metal or alloy such as Pd or Pt can be used, and the catalyst layer 3 may be provided only on the anode side.
ガス拡散層4としては、カーボンペーパーや金属メッシュを用いることができる。また、セパレータ6としては、ガス不透過性のカーボン板や、金属板などを用いることができる。 As the gas diffusion layer 4, carbon paper or a metal mesh can be used. As the separator 6, a gas-impermeable carbon plate, a metal plate, or the like can be used.
本実施形態の燃料電池1は、具体的には以下のように作製した。
Specifically, the
電解質層2の作製は、まず、NaCo2O4粉末とPTFEディスパージョンとを組成比100:5で混合したものを、エチレングリコールを溶媒として超音波を印加しながら攪拌混合してペーストにした。このペーストをポリイミドフイルムにスクリーン印刷法により塗布し、これを280℃の空気雰囲気下で熱処理することにより電解質層2とした。
The
アノード触媒層3aは、NaCo2O4粉末にPdを15wt%担持したものをエチレングリコールと混合したものを、電解質層2の一方の表面にスクリーン印刷法により塗布した後、熱処理を施すことにより形成した。
The
カソード触媒層3cは、NaCo2O4粉末をエチレングリコールと混合したものを、電解質層2の他方の表面にスクリーン印刷法により塗布した後、熱処理を施すことにより形成した。
The cathode catalyst layer 3c was formed by applying NaCo 2 O 4 powder mixed with ethylene glycol to the other surface of the
ガス拡散層4には、東レ製のカーボンペーパー(TGPH60)を用いた。また、セパレータ6は、燐片状黒鉛紛とフェノール樹脂からなる材料をモールド成形によりガス流路7を成形したものを使用した。
For the gas diffusion layer 4, carbon paper (TGPH60) manufactured by Toray was used. The separator 6 was formed by molding a
次に、上記により作製した燃料電池1を用いた本実施形態の燃料電池発電装置について、説明する。
Next, the fuel cell power generator of this embodiment using the
図2は、本実施形態に係る燃料電池発電装置の説明図である。燃料電池スタック10は、複数個の燃料電池1と冷却板11とが積層されたものであるが、図2では模式的に燃料電池1と冷却板11の各1個が図示されている。
FIG. 2 is an explanatory diagram of the fuel cell power generator according to this embodiment. The
燃料電池スタック10には、燃料電池1のアノード5aに燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管12と、アノード5aから排出されたアノード排ガスが流れる燃料ガス排出配管13、燃料電池の1のカソード5cへ酸化剤ガス(本実施形態では空気)を供給する酸化剤ガス供給配管14と、カソード5cから排出されたカソード排ガスが流れる酸化剤ガス排出配管15とが接続している。
The
燃料ガス供給配管12の上流側には、都市ガスやメタン発酵ガス等の原燃料を改質して水素からなる燃料ガスを生成する燃料改質装置16が接続され、酸化剤ガス供給配管14の上流側には、酸化剤ガス供給手段として空気ブロア17が接続されている。
Connected to the upstream side of the fuel
燃料電池スタック10の冷却板11には、冷却水タンク18に貯留された冷却水が、ポンプ20により冷却水循環配管19経由して供給され、冷却板11を通流して昇温した冷却水は冷却水タンク18へと還流される。
The cooling water stored in the
冷却板11の冷却水出口側の冷却水循環配管19と、酸化剤ガス供給配管14とは、連通配管21により連通されており、連通配管21には、オリフィス22が設けられている。
The cooling
燃料ガス排出配管13の配管経路には熱交換器23が設けられており、熱交換器23の排熱回収水配管24を通流する冷却水によりアノード排ガスが冷却される。これにより、アノード排ガス中の電池反応により生成した水蒸気は凝縮水となり、冷却水タンク18に回収される。冷却水タンク18に導入され、凝縮水が回収された後のアノード排ガスは、排気管25を通じて改質装置16のバーナー(不図示)で燃料の一部として利用される。
A
熱交換器23には、連通配管21との分岐より下流側において、冷却水循環配管19も接続されており、燃料電池スタック10の排熱が回収される。
A cooling
排熱回収系配管24により回収された排熱は、不図示の貯湯タンクに回収して給湯等に有効利用される。
The exhaust heat recovered by the exhaust heat
冷却水タンク18には、補給水配管26が接続されており、冷却水タンク18に設けられた水位計(不図示)の値が所定値を下回る場合は、イオン交換樹脂筒27に通水後の水道水が補給される。
A
以上の構成を備えた本実施形態における燃料電池発電装置の運転においては、燃料電池スタック10の運転温度の設定値を150℃とし、制御装置28は、温度センサー29の検出値が設定値の150℃となるように、ポンプ20の回転数を制御して冷却水循環配管19を流れる冷却水流量を調整する。
In the operation of the fuel cell power generator in the present embodiment having the above-described configuration, the set value of the operating temperature of the
そして、冷却水循環配管19により冷却板11に供給された冷却水は、燃料電池1の反応熱により昇温され蒸気となる。そして、この蒸気の一部が、連通配管21およびオリフィス22を経由して酸化剤ガス供給配管14に導入される。尚、オリフィス22の絞りは、定格運転時において燃料電池スタック10へ供給される酸化剤ガスの露点が62℃となるように調整しておく。これにより、酸化剤ガスと共に水蒸気を燃料電池1のカソード5cへ供給することができ、別途加湿器を設ける必要もない。
Then, the cooling water supplied to the
尚、上記露点の調整は、用いる電解質のイオン伝導の加湿依存特性に応じて、露点を50〜150℃の範囲で設定することができる。 In addition, adjustment of the said dew point can set a dew point in the range of 50-150 degreeC according to the humidification dependence characteristic of the ionic conduction of the electrolyte to be used.
図3は、本発明の異なる実施形態を示す燃料電池発電装置である。図2の実施形態と共通する構成については、同一の部番を付して説明を省略する。 FIG. 3 is a fuel cell power generation device showing a different embodiment of the present invention. About the structure which is common in embodiment of FIG. 2, the same part number is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.
本実施形態の燃料電池発電装置においては、連通配管21と冷却水循環配管19との分岐点に三方弁31と、流量計32を備えている。また、燃料ガス排出配管13および酸化剤ガス供給配管14の経路上に、アノード排ガスと酸化剤ガスとが熱交換する熱交換器33を備えている。
In the fuel cell power generator of this embodiment, a three-
本実施形態においては、冷却板11から排出された蒸気は、三方弁31を介して連通配管21に導入される。制御装置28は、連通配管21に設けられた流量計21の流量検出値が、燃料電池スタック10の発電負荷に応じて予め設定された流量となるように、三方弁31の開度の制御を行う。
In the present embodiment, the steam discharged from the cooling
これにより、出力電流に応じて必要量の水分を酸化剤ガスと共に供給することができる。また、熱交換器33を設け、スタック10から排出された高温のアノード排ガスにより昇温された後の酸化剤ガスに、連通配管21からの蒸気を供給するので、カソード5cに供給される酸化剤ガスの露点を上げることができ、加湿量を増大することができる。
Thereby, a required amount of moisture can be supplied together with the oxidant gas according to the output current. In addition, since the
1 燃料電池
2 電解質層
3 触媒層
4 ガス拡散層
5a アノード
5c カソード
6 セパレータ
7 ガス流路
8 シール材
10 燃料電池スタック
11 冷却板
12 燃料ガス供給配管
13 燃料ガス排出配管
14 酸化剤ガス供給配管
15 酸化剤ガス排出配管
16 燃料改質装置
17 空気ブロア
18 冷却水タンク
19 冷却水循環配管
20 ポンプ
21 連通配管
22 オリフィス
23,33,34 熱交換器
24 排熱回収系配管
25 排気管
26 補給水配管
27 イオン交換樹脂筒
28 制御装置
29 温度センサー
31 三方弁
32 流量計
DESCRIPTION OF
Claims (4)
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配管と、前記冷却水循環配管の前記冷却板の冷却水出口側とを連通する連通配管を備え、
前記燃料電池の反応熱を回収した前記冷却水が、前記連通配管を経由して、前記酸化剤ガスに添加されることを特徴とする燃料電池発電装置。 A fuel cell stack in which a fuel cell having an electrolyte layer containing a hydroxide ion conductive metal compound between an anode and a cathode and a cooling plate are stacked; a cooling water tank; the cooling water tank; In a fuel cell power generator comprising a cooling water circulation pipe through which cooling water circulating through the cooling plate flows, and supplying the fuel cell stack with fuel gas and oxidant gas to generate power,
An oxidant gas supply pipe that supplies an oxidant gas to the fuel cell stack, and a communication pipe that communicates with the cooling water outlet side of the cooling plate of the cooling water circulation pipe;
The fuel cell power generator according to claim 1, wherein the cooling water recovered from the reaction heat of the fuel cell is added to the oxidant gas via the communication pipe.
前記連通配管と前記冷却水循環配管との分岐に三方弁を備え、
前記流量計の検出値が、前記燃料電池スタックの発電負荷に応じて予め設定された値となるように、前記三方弁の開度制御が行われることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池発電装置。 The communication pipe is provided with a flow meter,
A three-way valve is provided at a branch between the communication pipe and the cooling water circulation pipe.
2. The fuel according to claim 1, wherein the opening degree of the three-way valve is controlled so that a detection value of the flow meter becomes a value set in advance according to a power generation load of the fuel cell stack. Battery power generator.
前記熱交換器が、前記酸化剤ガス供給配管の前記連通配管との接続部よりも上流側に配置されていることを特徴とする請求項1から3の何れかに記載の燃料電池発電装置。 A heat exchanger for exchanging heat between the anode exhaust gas discharged from the fuel cell stack and the oxidant gas;
4. The fuel cell power generator according to claim 1, wherein the heat exchanger is disposed upstream of a connection portion between the oxidant gas supply pipe and the communication pipe. 5.
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