JP3538943B2 - 溶融炭酸塩型燃料電池圧力容器の配管貫通構造 - Google Patents

溶融炭酸塩型燃料電池圧力容器の配管貫通構造

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宣寿 村田
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池
の圧力容器の配管貫通構造に関する。
【0002】
【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率、かつ
環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特
徴を有しており、水力・火力・原子力に続く発電システ
ムとして注目を集め、現在世界各国で鋭意研究開発が行
われている。溶融炭酸塩型燃料電池は水の電気分解の逆
の反応を利用し、水素と酸素から水を生成するときの化
学エネルギを電気エネルギに変換するものである。図2
はこの電池を模式的に示したもので、多孔質のNiより
なるアノード1と多孔質のNiOよりなるカソード2で
電解質板3をはさみ、溝付ホルダー4、5で覆ってアノ
ード1には水素を主体とした燃料ガス6を送って、燃焼
排ガス7として排出し、カソード2には炭酸ガスと酸素
を主体とする酸化ガスを送り、酸化排ガス9を排出す
る。電解質板3はLiAlO2 からなる多孔体の空孔に
炭酸塩を入れたもので、燃料電池の作動温度域では、炭
酸塩は溶けてCO2- 3 を通す電解質溶液となる。また、
電解質板3は炭酸塩の長期保存を図るとともに、両極ガ
スの混合を防ぐものである。
【0003】溶融炭酸塩型燃料電池の電極反応は次のよ
うになる。 アノード反応 H2 +CO2- 3 →H2 O+CO2 +2e カソード反応 CO2 +1/2O2 +2e→CO2- 3 正味の反応 H2 +1/2O2 →H2 O 炭酸ガスはカソードで消費され、アノードで同量生成す
るため、結局水素と酸素から水を生成する反応となる。
【0004】電池反応では燃料ガス6の80%程度が消
費されるので燃焼排ガス7には可燃ガスが含まれてお
り、これを用いて水蒸気を含む天然ガスを加熱し触媒を
用いて燃料ガス6を生成する。また酸化排ガスの一部は
再循環して酸化ガス8となり、一部はタービンを駆動し
て圧縮機を回転し、圧縮空気を酸化ガス8に供給してい
る。
【0005】燃料電池は多段に積層され、圧力容器に格
納されている。図3は圧力容器と積層された電池とこの
積層電池への配管を示す。積層電池11は圧力容器12
内に格納され、通常5kg/cm2 程度の運転圧力で運
転される。積層電池11には燃料ガス管13、燃焼排ガ
ス管14、酸化ガス管15、酸化排ガス管16および制
御用や計装用管19が圧力容器12の下部を貫通して接
続されている。燃料ガス6、酸化ガス8は一例として、
600℃前後で積層電池11に供給され、電池反応を行
い、燃焼排ガス7、酸化排ガス9となり670℃前後で
排出される。このため入り側の配管13、15は入り側
ガス6、8の温度を維持するため、出側の配管14、1
6は出側ガス7、9のエネルギの有効利用を図るため保
温17がなされている。酸化ガス8の流量は燃料ガス6
の流量よりもかなり多く、酸化ガス管15の径は燃料ガ
ス管13の径より3〜5倍程度太くなっている。このた
め熱容量の少ない燃料ガス管13では放熱により燃料ガ
ス6の温度低下が大きいので、配管ヒータ18を巻き、
さらに保温材17を巻いている。これに対し、酸化ガス
8は流量が大きいので放熱に比べ熱容量が大きく温度低
下は少ない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】圧力容器12下部の配
管貫通部では、形状が複雑であり、断熱材の厚みを増し
ても断熱効果がさほど無いことが解析により示されてい
るため、従来燃料ガス管13の温度低下に対しては配管
ヒータ18により温度低下を防止しているが、設備増と
運転コスト高の要因となっている。また、燃焼排ガス管
14も同様に配管貫通部での放熱により温度低下が大き
い。燃焼排ガス7は燃料ガス6を生成する改質器の燃焼
ガスとして利用されるので、排出温度の低下を少なくし
て改質器に供給することが、装置全体の効率向上につな
がる。
【0007】本発明は、上述の問題点に鑑みてなされた
もので、配管ヒータなどの熱源によらず、圧力容器の配
管貫通部からの放熱による通過ガスの温度低下を押さ
え、設備の簡略化と運転コストの低減を図ることを目的
とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1の発明では、燃料ガスと酸化ガスを反応さ
せて電気を発生し、反応後燃焼排ガスと酸化排ガスを排
出する燃料電池と、この燃料電池を格納する圧力容器と
があり、この圧力容器を上記各ガスの配管が貫通する配
管貫通部において、燃料ガス用配管を酸化ガス用配管内
を通して2重管としたことを特徴とする溶融炭酸塩型燃
料電池圧力容器の配管貫通構造が提供される。
【0009】請求項2の発明では、燃料ガスと酸化ガス
を反応させて電気を発生し、反応後燃焼排ガスと酸化排
ガスを排出する燃料電池と、この燃料電池を格納する圧
力容器とがあり、この圧力容器を上記各ガスの配管が貫
通する配管貫通部において、燃焼排ガス用配管を酸化排
ガス用配管内を通して2重管としたことを特徴とする溶
融炭酸塩型燃料電池圧力容器の配管貫通構造が提供され
る。
【0010】請求項3の発明では、前記2重管は、内側
管が外側管を貫通する一方の位置で両者は固着され、他
方の位置で両者はベローズシールを介して接続されてい
る。
【0011】
【作用】請求項1の発明によれば、燃料ガス管の配管貫
通部の構造を酸化ガス管内に燃料ガス管を通した二重配
管構造として、酸化ガス側からの放熱を燃料ガス側に与
えることにより燃料ガスの温度低下を抑えることが可能
になる。これにより燃料ガスは熱容量が大きく温度低下
の少ない酸化ガスと同程度の温度となる。酸化ガスは容
量が大きいので燃料ガスを加熱しても温度低下は少な
く、またより温度の高い酸化排ガスを再循環することに
より、温度を容易に調節できるので温度低下は殆どな
い。
【0012】請求項2の発明によれば、燃焼排ガス管の
配管貫通部の構造を酸化排ガス管内に燃焼排ガス管を通
した二重配管構造として、酸化排ガス側からの放熱を燃
焼排ガス側に与えることにより、燃焼排ガスの温度低下
を抑えることが可能になる。燃焼排ガスには可燃ガスが
含まれ、改質器で再燃焼させて燃料ガスを生成するの
で、温度低下を抑えて燃焼させることにより、装置全体
としての効率が向上する。
【0013】請求項3の発明によれば、二重管が単管に
分かれる位置で内側管が外側管を貫通する。この一方の
貫通位置では両配管を固定し、他方の貫通位置では伸縮
するベローズシールを介して両配管を接続することによ
り、各配管の熱膨張差を吸収し熱応力の発生を防止する
ことができる。
【0014】
【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照
して説明する。図1は、実施例の構成を示し、(A)は
縦断面図、(B)は(A)のX−X断面図である。な
お、図2、図3と同一符号は同一の内容を表す。積層電
池11は圧力容器12に格納され、例えば、運転時には
5kg/cm2 程度に加圧される。圧力容器12の下部
には、二重管貫通部20、21が設けられ、二重管貫通
部20は酸化ガス管15内を燃料ガス管13が貫通して
おり、二重管貫通部21は酸化排ガス管16内を燃焼排
ガス管14が貫通している。二重管貫通部20、21の
内管13、14が外管15、16を貫通する位置のう
ち、圧力容器12内の貫通位置22では、内管13、1
4と外管15、16は溶接等によって固定され、圧力容
器12の外の貫通位置ではベローズシール23を介して
接合されている。これにより内管13、14と外管1
5、16の間で熱膨張差が生じても各配管に熱応力は発
生しない。圧力容器12外では外気に接する配管部分お
よびベローズシール23は保温材17で覆い放熱を抑え
ている。二重管貫通部20はベローズシール23を縦方
向に設けた例を示し、二重管貫通部21は(B)に示す
ようにベローズシール23を横方向に設けた例を示す。
圧力容器12の下部には制御用や計装用配管19が設け
られている。
【0015】燃料ガス6と酸化ガス8は一例として60
0℃前後で積層電池11に供給されるように計画され
る。酸化ガス8は流量が多く、熱容量が大きいので、放
熱しても酸化ガス8の温度低下は少なく、配管貫通部の
温度低下は10℃程度である。二重管貫通部20を採用
し、燃料ガス管13を内部に通した場合、酸化ガス管1
5は燃料ガス管15の3〜5倍の管径があり、流量が大
幅に多いので、燃料ガス6を加熱しても酸化ガス8の温
度は殆ど低下しない。一方、燃料ガス6は酸化ガス8か
らの加熱により、酸化ガス8とほぼ同じ温度となる。な
お、酸化ガス8は電池反応により670℃前後の温度と
なり、酸化排ガス9となり排出されるが、この一部は再
循環して酸化ガス8となるので、温度調整が可能であ
り、供給温度を低下分だけ高くすることにより計画通り
600℃前後で、酸化ガス8と燃料ガス6を積層電池1
1に供給することができる。
【0016】燃焼排ガス7も酸化排ガス9とほぼ同じ6
70℃前後で排出される。燃料電池の場合燃料ガス6の
80%程度が反応に用いられ、20%程度は可燃ガスを
含んだ燃焼排ガス7として排出される。燃料ガス6は例
えば、天然ガスに水蒸気を加え、改質器(図示せず)で
触媒とともに加熱して水素を主体とする燃料ガス6を生
成するが、この加熱ガスとして燃焼排ガス7が用いられ
る。このため、燃焼排ガス7も配管貫通部で温度低下し
ないようにして改質器に供給する。二重管貫通部21は
このために設けられたものであり、燃焼排ガス7と酸化
排ガス9の流量比は燃焼ガス6と酸化ガス8の流量比と
ほぼ同じであるので、燃焼排ガス7も酸化排ガス9とほ
ぼ同じ温度で配管貫通部を通り排出される。これにより
改質器の燃焼効率が向上し燃料電池装置としての効率が
向上する。
【0017】圧力容器12の下部は、燃料ガス管13、
燃焼排ガス管14、酸化ガス管15、酸化排ガス管16
の4本に加え制御用配管や計装用配管19があり、配管
の配置が錯綜して適切な配置が困難であったが、4本の
配管が2本となり、二重管貫通部20、21の外径は従
来の酸化ガス管15、酸化排ガス管16の外径とあまり
変わらないため、配管貫通に使用できる面積が増加し、
制御用配管や計装用配管19などの適切な配置が可能に
なる。なお、本実施例では、燃料ガス管13、燃焼排ガ
ス管14を酸化ガス管15、酸化排ガス管16の中に配
置したが、この逆の配置も可能である。
【0018】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は、圧力容器の配管貫通部を燃料ガス管を酸化ガス管内
に通した二重管貫通構造とすることにより、燃料ガスの
電池入口配管部での温度降下が少なくなり、配管ヒータ
などの熱源を設けなくてもよく、装置の簡略化と運転コ
ストの低減が図れる。また、同様に燃焼排ガス管を酸化
排ガス管内に通した二重管貫通構造とすることにより、
排ガスエネルギの有効活用が図れる。また、このような
二重管貫通構造を設けることによりガス供給および排出
管が4本より2本となるため、圧力容器貫通部の貫通面
積が少なくなり、制御用や計装用貫通部などの配置が容
易となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の構成を示し、(A)は縦断面
図、(B)は(A)のX−X断面図である。
【図2】溶融炭酸塩型燃料電池の構成を示す模式図であ
る。
【図3】従来の圧力容器とその下部の貫通配管を示す図
である。
【符号の説明】
6 燃料ガス 7 燃焼排ガス 8 酸化ガス 9 酸化排ガス 11 積層電池 12 圧力容器 13 燃料ガス管 14 燃焼排ガス管 15 酸化ガス管 16 酸化排ガス管 17 保温材 18 配管ヒータ 19 制御用配管、計装用配管 20、21 二重管貫通部 22 内管の圧力容器内貫通位置 23 ベローシール
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 8/04 H01M 8/06 H01M 8/14

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 燃料ガスと酸化ガスを反応させて電気を
    発生し、反応後燃焼排ガスと酸化排ガスを排出する燃料
    電池と、この燃料電池を格納する圧力容器とがあり、こ
    の圧力容器を上記各ガスの配管が貫通する配管貫通部に
    おいて、燃料ガス用配管を酸化ガス用配管内を通して2
    重管としたことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池圧力
    容器の配管貫通構造
  2. 【請求項2】 燃料ガスと酸化ガスを反応させて電気を
    発生し、反応後燃焼排ガスと酸化排ガスを排出する燃料
    電池と、この燃料電池を格納する圧力容器とがあり、こ
    の圧力容器を上記各ガスの配管が貫通する配管貫通部に
    おいて、燃焼排ガス用配管を酸化排ガス用配管内を通し
    て2重管としたことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池
    圧力容器の配管貫通構造
  3. 【請求項3】 前記2重管は、内側管が外側管を貫通す
    る一方の位置で両者は固着され、他方の位置で両者はベ
    ローズシールを介して接続されていることを特徴とする
    請求項1または2記載の溶融炭酸塩型燃料電池圧力容器
    の配管貫通構造
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JP5112804B2 (ja) * 2007-10-12 2013-01-09 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
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