JP4501367B2

JP4501367B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP4501367B2
Application number: JP2003178852A
Authority: JP
Inventors: 直也村上; 隆宮澤
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2023-06-24
Also published as: JP2005019036A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部改質式の燃料電池に関し、詳しくは、燃料電池スタックの排熱を効率良く利用して好適な燃料ガスの改質が行える燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体酸化物形燃料電池は、第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。現在、固体酸化物形燃料電池は、円筒型、モノリス型、および平板積層型の３種類が提案されており、何れも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質を空気極層と燃料極層との間に挟んだ積層構造を有する。この積層体から成る発電セルとセパレータを交互に積層することにより燃料電池スタックが構成される。
【０００３】
発電セルには、空気極側に酸化剤ガスとしての酸素（空気）が、燃料極側に燃料ガス（Ｈ₂、ＣＯ、ＣＨ₄ 等）が供給される。空気極と燃料極は、ガスが固体電解質との界面に到達することができるように、いずれも多孔質とされている。空気極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、空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極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、燃料極に電子を放出する。
【０００４】
燃料に水素を用いた場合の電極反応は次のようになる。
空気極：１／２Ｏ₂＋２ｅ^- → Ｏ^2-
燃料極：Ｈ₂＋Ｏ^2- → Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-
全体：Ｈ₂＋１／２Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ
【０００５】
ところで、燃料電池に使用される燃料ガスは天然ガス（メタンガス）等の炭化水素化合物（原燃料と言う）であるため、実際はこの原燃料を水素を主成分とする燃料ガスに改質してから使用する必要がある。改質の方法として、原燃料が炭化水素系の気体燃料や液体燃料の場合、通常は水蒸気改質法が用いられている。
【０００６】
例えば、メタンガスを原燃料とする改質反応は次のようになる。
脱硫されたメタンガスは、改質器で水蒸気を加えられて、水素と一酸化炭素になる。この改質反応は吸熱反応であって、温度は６５０〜８００℃程の高温となる。
ＣＨ₄ ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ
この時、生成された一酸化炭素は、さらに水蒸気と反応して水素と二酸化炭素に変わる。
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂
【０００７】
従来より、燃料電池の改質方法として、燃料電池の外に改質器を設置する外部改質法や、高温の燃料電池スタックの内部に直接燃料改質機構を組み込んだ内部改質法が知られている。水蒸気改質反応が吸熱反応であることから、改質反応のための熱を別途供給する必要がある外部改質法は発電効率が悪く燃料電池の燃料改質機構には不向きであり、発電時に燃料電池より発生する熱の一部を改質反応の吸熱反応に利用できる効率的な内部改質法が注目されている。
既述したように、改質反応は吸熱反応であり、十分な改質反応を行うには改質触媒を少なくとも６４０℃以上、望ましくは７００℃以上に加熱する必要があることから、内部改質式の燃料電池では、改質用の熱エネルギーとして燃料電池スタックからの高温排熱が利用されている。
【０００８】
尚、燃料電池スタックからの排熱を回収して反応ガス（燃料ガス、空気）の予熱や改質反応等に有効利用する技術として特許文献１が開示されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開昭６２−２８３５７０号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、固体酸化物形燃料電池を例にとると、作動温度が１０００℃前後の高温型固体酸化物形燃料電池では、排出される熱エネルギー量が多いため、改質に要する熱エネルギーを回収するのは比較的容易であるが、作動温度が７００℃前後の低温作動型の固体酸化物形燃料電池の場合は、先の高温型に比べて排出される熱エネルギー量も少なく熱的にゆとりが無いため、効率的な熱回収が行われないと改質反応が不十分になる恐れがある。改質不十分であると、メタン（未改質ガス）からの炭素析出で電池性能が急激に低下したり、発電セル内にメタンが導入されると吸熱反応による熱応力で燃料極が剥離し、寿命が短くなるといった弊害が生じる。
【００１１】
従って、上記した弊害を無くして安定した発電性能を得るには、燃料電池から排出される余剰エネルギー（排熱）をいかに効率良く回収し、そして発電反応に有効使用するかが大きな課題となっている。
【００１２】
本発明は、このような従来からの課題に鑑みて成されたもので、燃料電池スタックからの排熱を効率良く利用して好適な改質を行える燃料電池を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、発電セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタックを構成し、ハウジング内に収納すると共に、運転時に前記燃料電池スタック内へ反応用ガスを供給して発電反応を生じさせる内部改質式の燃料電池において、前記燃料電池スタックの周辺に燃料改質器を配設し、この燃料改質器の外側である前記ハウジング側に改質用水蒸気を得る水気化器を設けると共に、前記燃料改質器と前記水気化器との間に熱遮蔽部材を設けたことを特徴としている。
【００１５】
ハウジング内において、燃料改質には改質反応（吸熱反応）のための高温を供給する必要があり、一方、改質用の高温水蒸気を得るには改質反応のように高温よりも寧ろ多量の熱量を供給する必要がある。
そこで、本発明では、燃料改質器を燃料電池スタックからの放射熱を直接受熱できる燃料電池スタックの周囲に配置すると共に、熱遮蔽部材を隔ててその外側（ハウジングに近い方向）に水気化器を配置し、燃料改質器と水気化器を熱的に隔離する構成とした。改質器は、熱遮蔽部材による保温効果で得られた高温雰囲気中にあって放射熱を効率良く受熱し、十分な改質を行うことができると共に、水気化器は熱遮断部材の伝導熱や、熱遮断部材を越えて誘導される排気熱により多量の熱量を吸収して高温水蒸気を発生する。これにより、燃料電池からの排熱を有効に利用した高効率発電システムを実現できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図３に基づいて本発明の実施形態を説明する。
【００１７】
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は燃料電池スタックの要部概略構成を示し、図３は発電反応室内における燃料改質機構の概略構成を示す。
【００１８】
先ず、図１に基づいて固体酸化物形燃料電池の構成を説明する。
図１、図２において、符号１は固体酸化物形燃料電池（燃料電池モジュール）、符号２は内壁に断熱材２７を層状に付装した円筒状のハウジング、符号３は積層方向を縦にして燃料電池モジュール１の中央に配設された燃料電池スタックである。
この燃料電池スタック３は、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を順番に積層した構造を有する筒状体で成る。
【００１９】
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、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−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基合金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基合金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。
【００２０】
また、燃料電池スタック３の側方には、各セパレータ１０の燃料通路２６に接続管１１を通して燃料ガスを供給する燃料用マニホールド１３と、各セパレータ１０の酸化剤通路２５に接続管１２を通して酸化剤ガスとしての空気を供給する酸化剤用マニホールド１４とが、発電セル７の積層方向に延在して設けられている。
【００２１】
また、マニホールド１３、１４の外周側には、各マニホールド１３、１４につながる燃料ガス予熱管１５、酸化剤ガス予熱管１６や、各予熱管１５、１６および燃料電池スタック３を予熱するヒータ２０等が配設されている。ヒータ２０および予熱管１５、１６は、ハウジング２の内部に収容されており、ハウジング２内の各予熱管１５、１６に外部の燃料ガス供給管１７、酸化剤ガス供給管１８がそれぞれ接続されている。
【００２２】
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２に示すように、燃料通路２６および酸化剤通路２５を通してセパレータ１０の略中心部から発電セル７に向けて供給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高温ガスを、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。また、ハウジング２には、その内部空間、即ち、発電反応室２１に放出された余剰ガスを燃料電池モジュール１の外に排出するための排気管２２ａ、２２ｂが設けられている。
【００２３】
ところで、本実施形態では、図３に示すように、発電反応室２１内において、燃料電池スタック３の放射伝熱が可能となる燃料電池スタック３の近傍に炭化水素触媒を充填した燃料改質器３０が燃料電池スタック３の高さ方向に配設されている。この燃料改質器３０は、未改質の燃料ガスが導入される中央部の箱形第１改質器３１と、第１改質器３１の両側に配置される一対の箱形第２改質器３２とで構成されており、燃料電池スタック３からの放射熱を効率良く受熱できるよう、これらの改質器３１、３２が燃料電池スタック３の円周に沿って円弧状に配置されている。
そして、第１改質器３１と左右の第２改質器３２とは、それぞれ配管３３によって接続されており、第１改質器３１に導入された未改質の燃料ガスが第１改質器３１を通過後、この配管３３を通して両側の第２改質器３２、３２に導入されるようになっている。尚、第１改質器３１のガス導入口３９は図示しない配管により燃料ガス予熱管１５に接続されていると共に、第２改質器３２、３２の出口３５、３５は、図示しない配管により燃料用マニホールド１３に接続されている（図１参照）。
【００２４】
この燃料改質器３０に対応してその外側（ハウジング２側）に、改質用の高温水蒸気を得るための水気化器３４が配設されており、且つ、この水気化器３４と燃料改質器３０の間に断熱材等で成る熱遮蔽部材２８が燃料電池スタック３を囲むように配設されて燃料改質機構を構成している。
【００２５】
本実施形態において、水気化器３４は、中央の燃料電池スタック３を取り囲むように所定の間隔を持って配設された高さ方向に延びる複数のフィン付き垂直管３７で構成されている。そして、各々垂直管３７の下端部は管部材３６により連結されており、図１の水供給管１９を通して供給される水蒸気発生用の水は当管部材３６を通して各垂直管３７に導入され、垂直管３７内において熱交換されて高温水蒸気を発生する。高温水蒸気は各垂直管３７の上端部より管部材３８より燃料改質器３０に導入されるようになっている。
【００２６】
尚、水気化器３４の構造は上記した垂直管３７に限るものではなく、燃料電池スタック３を取り囲む熱遮蔽部材２８の周囲に給水管を螺旋状に配管した蛇管構造としても良い。何れにしても、水気化器３４は発電反応室２１内において、燃料電池スタック３からの排熱を熱エネルギー源として高温水蒸気を発生し、未改質の燃料ガスと混合されて第１改質器３１に導入されるように構成されている。
【００２７】
燃料改質には、改質反応のための高温（６５０〜８００℃）が必要であり、一方、改質用の高温水蒸気を得るには改質反応のような高温は必要なく、寧ろ多量の熱量を必要とする。因みに、水気化器３４の周囲温度は３００℃程度確保できていれば水蒸気の発生は十分である。
【００２８】
本構成において、燃料改質器３０は、熱遮蔽部材２８による保温効果で得られる高温雰囲気中で燃料電池スタック３からの放射熱を効率良く受熱し、十分な改質を行うことができると共に、水気化器３４は熱遮蔽部材２８より伝導される熱や、熱遮断部材を越えて誘導される排気熱により、多量の熱量を吸収して効率的に高温水蒸気を発生することが可能となる。
また、熱遮蔽部材２８を設けて燃料改質器３０と水気化器３４を熱的に隔離すことにより、水気化器３４の気化作用（熱交換）による熱吸収で改質器３０側が冷却されることが防止でき、燃料改質器３０の周りに十分な改質反応が行える高温雰囲気状態を確保することができる。このように、燃料電池からの排熱を有効に利用した高効率発電システムを実現できる。
【００２９】
次に、本実施形態の燃料改質機構の動作を説明する。
燃料電池の運転時には燃料ガスである炭化水素ガス（ＣＨ₄ ）と水気化器３４からの高温水蒸気の混合ガスがガス導入口３９より第１改質器３１に導入される。尚、図１においては、燃料ガス予熱管１５から予熱された燃料ガスが供給される。この混合ガスは第１改質器３１より第２改質器３２に誘導され、改質器内を流通する過程で炭化水素触媒に接触して水蒸気改質法による炭化水素ガスの改質反応が行われる。この改質反応は吸熱反応であって、改質反応に必要な高熱（例えば、６５０〜８００℃）は、燃料電池スタック３からの放射熱を受熱して得られる。燃料改質器３０は燃料電池スタック３の周囲方向の放射伝熱可能な好適位置に配置されているので、改質反応の吸熱反応に必要とされる十分な高熱を直接受熱することができる。
【００３０】
第１改質器３で改質された燃料ガスは左右の出口より配管３３、３３を通して第２改質器３２、３２に導入され、第２改質器３２内を流通する過程で炭化水素触媒に接触してさらに改質される。第２改質器３２の改質反応で得られた水素リッチな改質ガス（Ｈ₂ 、ＣＯ、ＣＯ₂ ）は、第２改質器３２の出口３５、３５より図示しない配管を通して図１に示す燃料用マニホールド１３に誘導され、ここから各接続管１１を通して各セパレータ１０の側部に導入される。図２に示すように、改質ガスはさらにセパレータ１０の側面から燃料通路２６を通して燃料極側に吐出し、燃料極集電体８内を拡散移動して燃料極層５に達し、発電反応が行われる。
【００３１】
以上、本実施形態では、ジルコニア等の固体酸化物を電解質とする固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）について説明したが、これに限るものではなく、燐酸を電解質とする燐酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、或いは、イオン交換膜を電解質とする固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）等についても勿論適用可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料改質器では、熱遮蔽部材による保温効果で得られる高温雰囲気中で燃料電池スタックからの放射熱を効率良く受熱し、十分な改質温度にて好適な燃料改質が行われると共に、水気化器では、熱遮断部材からの伝導熱や排気熱より多量の熱量を吸収して効率的に高温水蒸気を発生することができる。
このように、従来余剰エネルギーとして外部に放出されていた熱を有効に利用することができ、発電システムの効率化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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す断面図。
【図２】燃料電池スタックの要部概略構成図で、運転時のガスの流れを示す。
【図３】燃料改質機構の要部概略構成を示す上面図。
【符号の説明】
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
１０セパレータ
２８熱遮蔽部材
３０燃料改質器
３４水気化器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an internal reforming fuel cell, and more particularly to a fuel cell that can efficiently reform fuel gas by efficiently using exhaust heat of a fuel cell stack.
[0002]
[Prior art]
Solid oxide fuel cells are being developed as third-generation fuel cells for power generation. At present, three types of solid oxide fuel cells have been proposed: a cylindrical type, a monolith type, and a flat plate type, all of which include a solid electrolyte composed of an oxide ion conductor formed by an air electrode layer and a fuel electrode layer. It has a laminated structure sandwiched between them. A fuel cell stack is configured by alternately laminating power generation cells and separators made of this laminate.
[0003]
The power generation cell is supplied with oxygen (air) as an oxidant gas on the air electrode side and fuel gas (H ₂ , CO, CH _4, etc.) on the fuel electrode side. The air electrode and the fuel electrode are both porous so that the gas can reach the interface with the solid electrolyte. Oxygen supplied to the air electrode side passes through the pores in the air electrode layer and reaches the vicinity of the interface with the solid electrolyte layer. At this part, it receives electrons from the air electrode and converts them into oxide ions (O ²⁻ ). Ionized. The oxide ions diffuse and move in the solid electrolyte layer toward the fuel electrode. Oxide ions that have reached the vicinity of the interface with the fuel electrode react with the fuel gas at this portion to generate reaction products (H ₂ O, CO _2, etc.), and emit electrons to the fuel electrode.
[0004]
The electrode reaction when hydrogen is used as the fuel is as follows.
Air electrode: 1/2 O ₂ + 2e ⁻ → O ²⁻
Fuel electrode: H ₂ + O ²⁻ → H ₂ O + 2e ⁻
Overall: H ₂ +1/2 O ₂ → H ₂ O
[0005]
By the way, since the fuel gas used in the fuel cell is a hydrocarbon compound (referred to as raw fuel) such as natural gas (methane gas), the raw fuel is actually reformed into a fuel gas mainly composed of hydrogen. Need to use. As a reforming method, when the raw fuel is a hydrocarbon-based gas fuel or liquid fuel, a steam reforming method is usually used.
[0006]
For example, a reforming reaction using methane gas as a raw fuel is as follows.
The desulfurized methane gas is added with water vapor in the reformer to become hydrogen and carbon monoxide. This reforming reaction is an endothermic reaction, and the temperature is as high as 650 to 800 ° C.
CH ₄ + H ₂ O → 3H ₂ + CO
At this time, the generated carbon monoxide further reacts with water vapor and changes into hydrogen and carbon dioxide.
CO + H ₂ O → H ₂ + CO ₂
[0007]
Conventionally, reforming methods for fuel cells include an external reforming method in which a reformer is installed outside the fuel cell, and an internal reforming method in which a fuel reforming mechanism is directly incorporated inside a high-temperature fuel cell stack. It has been. Since the steam reforming reaction is an endothermic reaction, the external reforming method that requires the supply of heat for the reforming reaction is not suitable for the fuel reforming mechanism of the fuel cell due to its poor power generation efficiency. An efficient internal reforming method that can utilize part of the heat generated from the fuel cell for the endothermic reaction of the reforming reaction has attracted attention.
As described above, the reforming reaction is an endothermic reaction, and the reforming catalyst needs to be heated to at least 640 ° C. or more, preferably 700 ° C. or more in order to perform a sufficient reforming reaction. In the fuel cell of the type, high-temperature exhaust heat from the fuel cell stack is used as thermal energy for reforming.
[0008]
Patent Document 1 discloses a technique for recovering exhaust heat from a fuel cell stack and effectively using it for preheating reaction gas (fuel gas, air), reforming reaction, or the like.
[0009]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. Sho 62-283570 [0010]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, taking a solid oxide fuel cell as an example, a high-temperature solid oxide fuel cell having an operating temperature of around 1000 ° C. has a large amount of discharged thermal energy, and thus recovers the thermal energy required for reforming. However, in the case of a low-temperature operation type solid oxide fuel cell with an operating temperature of around 700 ° C., the amount of heat energy discharged is smaller than that of the previous high-temperature type, and the thermal space is relaxed. Therefore, the reforming reaction may become insufficient unless efficient heat recovery is performed. If the reforming is insufficient, the battery performance will drop sharply due to carbon deposition from methane (unreformed gas), or if methane is introduced into the power generation cell, the fuel electrode will peel off due to thermal stress due to endothermic reaction. This causes the negative effect of shortening the service life.
[0011]
Therefore, in order to obtain the stable power generation performance without the above-mentioned adverse effects, it is a big issue how to efficiently recover the surplus energy (exhaust heat) discharged from the fuel cell and effectively use it for the power generation reaction. Yes.
[0012]
The present invention has been made in view of such a conventional problem, and an object of the present invention is to provide a fuel cell capable of performing suitable reforming by efficiently using exhaust heat from the fuel cell stack.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
That is, according to the first aspect of the present invention, a fuel cell stack is configured by alternately stacking power generation cells and separators, and is housed in a housing, and a reaction gas is supplied into the fuel cell stack during operation. In an internal reforming fuel cell that generates a power generation reaction, a fuel reformer is disposed around the fuel cell stack, and reforming steam is obtained on the housing side outside the fuel reformer. A water vaporizer is provided, and a heat shielding member is provided between the fuel reformer and the water vaporizer.
[0015]
In the housing, it is necessary to supply a high temperature for the reforming reaction (endothermic reaction) for fuel reforming. On the other hand, in order to obtain high-temperature steam for reforming, a larger amount than the high temperature is required as in the reforming reaction. It is necessary to supply the amount of heat.
Therefore, in the present invention, the fuel reformer is disposed around the fuel cell stack that can directly receive the radiant heat from the fuel cell stack, and the water vaporizer is disposed on the outer side (direction closer to the housing) with the heat shielding member interposed therebetween. The fuel reformer and the water vaporizer are thermally isolated from each other. The reformer is in a high-temperature atmosphere obtained by the heat insulation effect by the heat shielding member, can efficiently receive the radiant heat and perform sufficient reforming, and the water vaporizer is the conduction heat of the heat shielding member. In addition, a large amount of heat is absorbed by the exhaust heat induced beyond the heat blocking member to generate high-temperature steam. As a result, a highly efficient power generation system that effectively uses exhaust heat from the fuel cell can be realized.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0017]
1 shows an internal configuration of a solid oxide fuel cell to which the present invention is applied, FIG. 2 shows a schematic configuration of a main part of a fuel cell stack, and FIG. 3 shows a schematic configuration of a fuel reforming mechanism in a power generation reaction chamber. Show.
[0018]
First, the configuration of the solid oxide fuel cell will be described with reference to FIG.
1 and 2, reference numeral 1 is a solid oxide fuel cell (fuel cell module), reference numeral 2 is a cylindrical housing in which a heat insulating material 27 is attached in layers on the inner wall, and reference numeral 3 is a stacking direction vertically. 2 is a fuel cell stack disposed in the center of the fuel cell module 1.
The fuel cell stack 3 includes a power generation cell 7 in which a fuel electrode layer 5 and an air electrode layer (oxidant electrode layer) 6 are arranged on both surfaces of a solid electrolyte layer 4, and a fuel electrode current collector 8 outside the fuel electrode layer 5. And a cylindrical body having a structure in which an air electrode current collector (oxidant electrode current collector) 9 outside the air electrode layer 6 and a separator 10 outside the current collectors 8 and 9 are sequentially stacked. .
[0019]
Here, the solid electrolyte layer 4 is composed of stabilized zirconia (YSZ) or the like to which yttria is added, and the fuel electrode layer 5 is composed of a metal such as Ni or Co or a cermet such as Ni—YSZ or Co—YSZ, and air. The electrode layer 6 is made of LaMnO ₃ , LaCoO ₃ or the like, the fuel electrode current collector 8 is made of a sponge-like porous sintered metal plate such as a Ni-based alloy, and the air electrode current collector 9 is made of an Ag-based alloy or the like. The separator 10 is made of stainless steel or the like.
[0020]
Further, on the side of the fuel cell stack 3, a fuel manifold 13 for supplying fuel gas to the fuel passage 26 of each separator 10 through the connection pipe 11, and an oxidant through the connection pipe 12 to the oxidant passage 25 of each separator 10. An oxidant manifold 14 for supplying air as gas is provided extending in the stacking direction of the power generation cells 7.
[0021]
Further, on the outer peripheral side of the manifolds 13, 14, a fuel gas preheating pipe 15, an oxidant gas preheating pipe 16 connected to the manifolds 13, 14, a heater 20 for preheating the preheating pipes 15, 16 and the fuel cell stack 3, etc. Is arranged. The heater 20 and the preheating pipes 15 and 16 are accommodated in the housing 2, and an external fuel gas supply pipe 17 and an oxidant gas supply pipe 18 are connected to the preheating pipes 15 and 16 in the housing 2, respectively. Yes.
[0022]
Further, the solid oxide fuel cell 1 has a sealless structure in which a gas leak prevention seal is not provided on the outer peripheral portion of the power generation cell 7, and during operation, as shown in FIG. While the fuel gas and the oxidant gas (air) supplied from the substantially central portion of the separator 10 to the power generation cell 7 through the passage 25 are diffused in the outer peripheral direction of the power generation cell 7, the fuel electrode layer 5 and the air electrode layer 6 The power generation reaction is caused to spread over the entire surface with a good distribution, and the remaining high-temperature gas that has not been consumed in the power generation reaction is freely released from the outer periphery of the power generation cell 7 to the outside. In addition, the housing 2 is provided with exhaust pipes 22 a and 22 b for discharging excess gas discharged into the internal space, that is, the power generation reaction chamber 21, to the outside of the fuel cell module 1.
[0023]
By the way, in this embodiment, as shown in FIG. 3, in the power generation reaction chamber 21, a fuel reformer in which a hydrocarbon catalyst is filled in the vicinity of the fuel cell stack 3 that enables radiation heat transfer of the fuel cell stack 3. 30 is arranged in the height direction of the fuel cell stack 3. The fuel reformer 30 includes a central box-shaped first reformer 31 into which unreformed fuel gas is introduced, and a pair of box-shaped second reformers disposed on both sides of the first reformer 31. The reformers 31 and 32 are arranged in an arc along the circumference of the fuel cell stack 3 so that the radiant heat from the fuel cell stack 3 can be received efficiently. Yes.
The first reformer 31 and the left and right second reformers 32 are connected to each other by pipes 33, and the unreformed fuel gas introduced into the first reformer 31 is the first reformer. After passing through the vessel 31, it is introduced into the second reformers 32, 32 on both sides through this pipe 33. The gas inlet 39 of the first reformer 31 is connected to the fuel gas preheating pipe 15 by a pipe (not shown), and the outlets 35 and 35 of the second reformers 32 and 32 are fueled by a pipe (not shown). Connected to the manifold 13 (see FIG. 1).
[0024]
A water vaporizer 34 for obtaining high-temperature steam for reforming is disposed on the outer side (housing 2 side) corresponding to the fuel reformer 30, and the water vaporizer 34 and the fuel reformer are arranged. A heat shielding member 28 made of a heat insulating material or the like is disposed between the mass devices 30 so as to surround the fuel cell stack 3 to constitute a fuel reforming mechanism.
[0025]
In the present embodiment, the water vaporizer 34 is composed of a plurality of finned vertical tubes 37 extending in the height direction and disposed at a predetermined interval so as to surround the central fuel cell stack 3. The lower ends of the vertical pipes 37 are connected by a pipe member 36, and water for water vapor generation supplied through the water supply pipe 19 in FIG. Heat is exchanged in the pipe 37 to generate high-temperature steam. The high-temperature steam is introduced into the fuel reformer 30 from the pipe member 38 from the upper end portion of each vertical pipe 37.
[0026]
Note that the structure of the water vaporizer 34 is not limited to the vertical pipe 37 described above, and may be a serpentine pipe structure in which a water supply pipe is piped around the heat shield member 28 surrounding the fuel cell stack 3. In any case, the water vaporizer 34 generates high-temperature steam in the power generation reaction chamber 21 using the exhaust heat from the fuel cell stack 3 as a heat energy source, and is mixed with unreformed fuel gas for the first reforming. It is configured to be introduced into the vessel 31.
[0027]
Fuel reforming requires a high temperature (650-800 ° C.) for the reforming reaction, while high temperature steam for reforming is not required to obtain a high-temperature steam for reforming. Requires heat. Incidentally, the generation of water vapor is sufficient if the ambient temperature of the water vaporizer 34 is about 300 ° C.
[0028]
In this configuration, the fuel reformer 30 can efficiently receive the radiant heat from the fuel cell stack 3 in a high temperature atmosphere obtained by the heat insulation effect by the heat shielding member 28 and perform sufficient reforming. The water vaporizer 34 can absorb a large amount of heat and efficiently generate high-temperature steam by heat conducted from the heat shielding member 28 or exhaust heat induced beyond the heat shielding member.
Further, by providing the heat shielding member 28 to thermally isolate the fuel reformer 30 and the water vaporizer 34, the reformer 30 side is cooled by heat absorption by the vaporization action (heat exchange) of the water vaporizer 34. Therefore, it is possible to secure a high-temperature atmosphere in which a sufficient reforming reaction can be performed around the fuel reformer 30. In this way, a high-efficiency power generation system that effectively uses exhaust heat from the fuel cell can be realized.
[0029]
Next, the operation of the fuel reforming mechanism of this embodiment will be described.
During operation of the fuel cell, a mixed gas of hydrocarbon gas (CH ₄ ), which is a fuel gas, and high-temperature steam from the water vaporizer 34 is introduced into the first reformer 31 through the gas inlet 39. In FIG. 1, the preheated fuel gas is supplied from the fuel gas preheating pipe 15. This mixed gas is guided from the first reformer 31 to the second reformer 32 and in contact with the hydrocarbon catalyst in the process of flowing through the reformer, the reforming reaction of the hydrocarbon gas by the steam reforming method is performed. Done. This reforming reaction is an endothermic reaction, and high heat (for example, 650 to 800 ° C.) necessary for the reforming reaction is obtained by receiving radiant heat from the fuel cell stack 3. Since the fuel reformer 30 is disposed at a suitable position capable of radiant heat transfer in the circumferential direction of the fuel cell stack 3, it can directly receive a sufficiently high heat required for the endothermic reaction of the reforming reaction.
[0030]
The fuel gas reformed by the first reformer 3 is introduced into the second reformers 32 and 32 through the pipes 33 and 33 from the left and right outlets, and the hydrocarbon catalyst is circulated in the second reformer 32. Further modification by contact with The hydrogen-rich reformed gas (H ₂ , CO, CO ₂ ) obtained by the reforming reaction of the second reformer 32 is supplied to the FIG. The fuel manifold 13 is guided to the side of each separator 10 through each connecting pipe 11. As shown in FIG. 2, the reformed gas is further discharged from the side surface of the separator 10 to the fuel electrode side through the fuel passage 26, diffused and moved in the fuel electrode current collector 8, and reaches the fuel electrode layer 5. Done.
[0031]
As described above, in the present embodiment, the solid oxide fuel cell (SOFC) using a solid oxide such as zirconia as an electrolyte has been described. However, the present invention is not limited to this, and the phosphoric acid fuel cell (PAFC) using phosphoric acid as an electrolyte. Of course, the present invention can also be applied to a molten carbonate fuel cell (MCFC) using molten carbonate as an electrolyte, or a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) using an ion exchange membrane as an electrolyte.
[0032]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the fuel reformer efficiently receives the radiant heat from the fuel cell stack in a high temperature atmosphere obtained by the heat insulation effect by the heat shielding member, and achieves a sufficient reforming temperature. In addition, the fuel vaporizer can efficiently generate high-temperature steam by absorbing a larger amount of heat than the conduction heat from the heat blocking member and the exhaust heat.
Thus, the heat that has been released to the outside as surplus energy in the past can be used effectively, and the efficiency of the power generation system can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an internal configuration of a solid oxide fuel cell to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a main part of a fuel cell stack, showing a gas flow during operation.
FIG. 3 is a top view showing a schematic configuration of a main part of a fuel reforming mechanism.
[Explanation of symbols]
1 Fuel cell (solid oxide fuel cell)
2 Housing 3 Fuel cell stack 7 Power generation cell 10 Separator 28 Heat shielding member 30 Fuel reformer 34 Water vaporizer

Claims

A fuel cell stack is formed by alternately stacking power generation cells and separators, and is housed in a housing, and an internal reforming fuel that generates a power generation reaction by supplying a reaction gas into the fuel cell stack during operation. In batteries,
A fuel reformer is disposed around the fuel cell stack, a water vaporizer for obtaining reforming steam is provided on the housing side outside the fuel reformer, and the fuel reformer and the water vapor are provided. A fuel cell, wherein a heat shielding member is provided between the fuel cell and the fuel cell.