JP4513281B2

JP4513281B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP4513281B2
Application number: JP2003178850A
Authority: JP
Inventors: 順秋草; 孝二星野; 敬細井; 直也村上; 昭宏長谷川
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2002-08-19
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2023-06-24
Also published as: JP2004139960A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関し、特に、発電セルに供給する反応用のガス（燃料ガス、酸化剤ガス）の予熱機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
前記燃料電池として固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。この固体酸化物形燃料電池は、円筒型、モノリス型、及び平板積層型の３種類が提案されており、いずれも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質を電極となる空気極（カソード）と燃料極（アノード）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を、インターコネクタ（セパレータ）を介して多数接続してスタックを構成し、必要によりガス供給用のディストリビュータを介在させる。これらスタック、ディストリビュータを断熱材や耐熱金属、或いはセラミックス等で構成される函体に収納してい燃料電池モジュールを構成している。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池では、空気極側に酸素 (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、いずれも多孔質の層とされている。
【０００４】
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（Ｈ₂ Ｏ、ＣＯ₂ 等）を生じ、燃料極に電子を放出する。この電子を外部に電気として取り出し、起電力を得る。
【０００５】
固体電解質層は、酸化物イオンの移動媒体であると同時に、燃料ガスと空気を直接接触させないための隔壁としても機能するので、ガス不透過性の緻密な構造となっている。この固体電解質層は、酸化物イオン伝導性が高く、空気極側の酸化性雰囲気から燃料極側の還元性雰囲気までの条件下で化学的に安定で、熱衝撃に強い材料から構成する必要があり、かかる要件を満たす材料として、イットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が一般的に使用されている。
【０００６】
一方、電極である空気極層と燃料極層は、何れも電子伝導性の高い材料から構成する必要がある。空気極材料は、１０００℃前後の酸化性雰囲気中で化学的に安定でなければならないため、金属は不適当であり、電子伝導性を持つペロブスカイト型酸化物材料、具体的にはＬａＭｎＯ₃もしくはＬａＣｏＯ₃、または、これらのＬａの一部をＳｒ、Ｃａ等に置換した固溶体が一般に使用されている。また、燃料極材料としては、Ｎｉ、Ｃｏなどの金属、或いはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺなどのサーメットが一般的である。
【０００７】
ところで、既述したように、発電セルにおける電気化学反応は１０００℃前後の高温の酸化性雰囲気中で行われるが、この際の電池反応を活性化するため、反応用のガスとなる酸素（空気）や燃料ガスを必要温度（例えば、数百℃）まで予熱する必要がある。
【０００８】
従来では、燃料電池モジュールを構成する函体の周囲に空気予熱管や燃料ガス予熱管を配置して外部からの導入ガスを予熱していた。これら空気予熱管や燃料ガス予熱管は、例えば、２重管構造を有し、外部より供給される空気や燃料ガスをそれぞれ２重管の内管側より導入すると共に、外管側には、排気ガスとして外部に排出される内部燃焼ガスを通過させることにより、内管を通過する低温のガスを高温の排気ガスで予熱（熱交換）するというものである。
空気予熱管で予熱された空気は酸化剤ガス用ディストリビュータを介して各発電セルの空気極側に供給され、燃料ガス予熱管で予熱された燃料ガスは燃料ガス用ディストリビュータを介して各発電セルの燃料極側に供給される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、空気予熱管や燃料ガス予熱管が上記したような２重管構造の熱交換器では十分な熱交換が行われず、排気ガスの熱を効率よく吸収して管内のガスを高温度に予熱することは難しかった。加えて、これら２重管構造の予熱管は、通常函体内周部を被包する断熱材内に埋設されていることから、構造的にも複雑であった。
【００１０】
本発明は、上記従来の問題に鑑みて成されたもので、スタックから放射される熱をガスの予熱に積極的に用いる共に、ガスの予熱面積を十分確保して効率的な予熱を行える予熱機構を備えた燃料電池を提供することを目的としている。
【００１１】
【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、電解質層の一方に燃料極層を、他方に酸化剤極層を形成した発電セルを複数接続してスタックを構成すると共に、当該スタックを函体に収容して燃料電池モジュールを構成し、外部より前記燃料極層および前記酸化剤極層に各々反応用のガスを供給する燃料電池において、前記スタックを囲むように、前記函体の内部に、前記燃料極層に供給する燃料ガス用の空洞および前記酸化剤極層に供給する酸化剤ガス用の空洞を形成し、前記スタックからの放射熱により前記空洞内に流入する前記燃料ガスおよび酸化剤ガスを予熱する機構を有し、且つ前記燃料ガス用の空洞および酸化剤ガス用の空洞が、それぞれ前記函体の内壁に沿って２層以上形成されるとともに、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスが外周層より導入されて、内側の層に向かって流通する構造を有することを特徴としている。
本構成では、燃料ガスおよび酸化剤ガスの予熱エネルギーとして燃料電池から放射される熱を活用するため、十分な予熱が行える。また、従来の２重管構造に比べて予熱機構も簡略化される。
さらに、前記燃料ガス用の空洞および酸化剤ガス用の空洞を、それぞれ前記函体の内壁に沿って２層以上形成しているので、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの予熱面積（即ち、予熱区間）を大きくすることができることから、より一層十分な予熱が行える。
加えて、本構成では、外周層においては前記燃料ガスおよび酸化剤ガスとの熱交換で燃料電池モジュールの外観側を冷却でき、且つ、内層に向かうに連れてスタックからの放射熱にて予熱される。
【００１３】
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池において、前記外周層の空洞の厚さを３０ｍｍ以内としたことを特徴としている。
本構成では、最外層の空洞内を流通する導入ガスの線速度を速くすることができ、燃料電池モジュールの外観側の冷却効果を向上できると共に、内層側の熱が外観側に発散するのを阻止し、内層側を高温に保持できる。
【００１４】
また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、前記内側の層の空洞の厚さを前記外周層の空洞の厚さの２倍以上としたことを特徴としている。
本構成では、内側の層の空洞内を流通する導入ガスの線速度は遅い状態を維持するため、導入ガスは放射熱にて十分に予熱される。
【００１５】
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燃料電池において、前記空洞の壁面にＮｉ下地メッキによるＡｇメッキを施したことを特徴としている。
例えば、空洞を形成する壁材としてＳＵＳ等の耐熱金属を用い、その表面にＡｇメッキを施すことにより、高温酸化雰囲気下において優れた耐食性（耐酸化性）が得られ、予熱機構の寿命を向上できる。
【００１６】
また、請求項５に記載の本発明は、請求項１から請求項４までの何れかに記載の燃料電池において、前記空洞の層間に断熱層を設けたことを特徴としている。
本構成では、内層側の熱を外層側に逃がさず高温に保持できるため、内部の熱エネルギーを効率良く活用でき、且つ、十分な予熱が行えるようになる。
【００１７】
また、請求項６に記載の本発明は、請求項１から請求項５までの何れかに記載の燃料電池において、内側に位置する前記空洞内に、排気ガスを排出するための排気管を設置したことを特徴としている。
本構成では、スタックからの放射熱と排ガスの熱により空洞内を加熱できるため、十分な予熱が行えるようになる。特に、冷風が流入する酸化剤ガス用の空洞に適用すると、より効果的である。
【００１９】
【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。
【００２０】
図１は本発明が適用された燃料電池モジュール（平板積層型の固体酸化物形燃料電池）の第１実施形態を示している。
図１に示す燃料電池モジュール１０は、固体電解質層２の一方の面に燃料極層３を、他方の面に酸化剤極層４（空気極層）を配置して発電セル５を構成し、この発電セル５と後述のセパレータ８とを交互に複数積層して筒状に構成したスタック１を有する。
【００２１】
前記セパレータ８は、各発電セル間を電気的に接続すると同時に各発電セル５に対して反応用のガスを供給する機能を有しており、燃料ガス（Ｈ₂ ）をセパレータ８の外周面から導入して燃料極層側の中央部から噴出させる燃料通路６と、酸化剤ガス（空気）をセパレータ８の外周面から導入して酸化剤極層側の中央部から噴出させる酸化剤通路７とをそれぞれ有している。
【００２２】
また、スタック１の一方側には、各セパレータ８の燃料通路６に燃料ガス用接続管１１を通して外部から導入される燃料ガスを分配する燃料ガス用ディストリビュータ１３が、他方側には、各セパレータ８の酸化剤通路７に酸化剤ガス用接続管１２を通して外部からの酸化剤ガスを分配する酸化剤ガス用ディストリビュータ１４が、それぞれ発電セル５の積層方向に沿って立設されている。
【００２３】
これらスタック１や各ディストリビュータ１３、１４等を耐熱金属製（例えば、ＳＵＳ製）の函体２０に収容して燃料電池モジュール１０が構成されている。
また、この函体２０の上下両端には、スタック１の最端部に配設されたセパレータ８、８から引き出された正極端子１８および負極端子１９がそれぞれ相対向する形で突設されていると共に、函体２０の上部に排気管１７が突設されており、この排気管１７の排気口１７ａから電池反応により生成された反応ガス（排気ガス）が外部に排出されるようになっている。
【００２４】
ところで、上記構成の燃料電池モジュール１０にあっては、ＳＵＳ製の函体２０の内壁に沿って、且つ、外周方向に向かって耐熱金属板を母材とした隔壁９ａを設けてガスの流路となる予熱空洞が形成されている。本実施形態では、この隔壁９ａを所定の間隔にて２重に設けて２層構造の空洞を形成し、更に、縦方向の中央付近に横方向に区画壁９ｂを設けてこの予熱用空洞を上下２つに分割し、各々気密状態に分離された上方部の酸化剤ガス用予熱空洞１５と下方部の燃料ガス用予熱空洞１６とにより、外部より導入される反応用のガスの予熱機構を構成している。
【００２５】
この隔壁９ａおよび区画壁９ｂは、例えば、耐熱性、耐腐食性に優れるＳＵＳ板を母材とし、高温酸化雰囲気下において優れた耐食性（耐酸化性）が得られるよう、その表面にＮｉメッキを下地としたＡｇメッキが施してある。これにより、予熱機構の高寿命化が図られている。
【００２６】
また、酸化剤ガス用予熱空洞１５においては、外側の隔壁９ａに設けた通孔２１によって予熱空洞を形成する外層と内層とが連通されており、酸化剤ガス供給口２３より導入される酸化剤ガス（空気）が外層部から内層部に向かって流通しながら酸化剤ガス供給管２５を経て前記した酸化剤ガス用ディストリビュータ１４に供給されるようになっている。
一方、燃料ガス用予熱空洞１６においては、外側の隔壁９ａに設けた通孔２２によって予熱空洞の外層と内層が連通されており、燃料ガス供給口２４より導入される燃料ガス（Ｈ₂ ）が外層部から内層部に向かって流通しながら燃料ガス供給管２６を経て前記した燃料ガス用ディストリビュータ１３に供給されるようになっている。
【００２７】
上記構成の燃料電池モジュール１０では、スタック１における電池反応（発電）のためにセルの内部温度は９００〜１０００℃の高温を維持しており、よってその放射熱を受熱し、函体内に設けた燃料ガス用予熱空洞１６および酸化剤ガス用予熱空洞１５の内部も高温となっている。
【００２８】
この様な状況下で、燃料ガス供給口２４より燃料ガス用予熱空洞１６に導入された低温の燃料ガス（Ｈ₂）は、矢印方向に外層部を経て内層部に向かって流通し、その流通過程において空洞内の高温雰囲気により所定温度まで加熱（予熱）されつつ、内層部の燃料ガス供給管２６を経て燃料ガス用ディストリビュータ１３に供給される。
予熱ガスは、一旦この燃料ガス用ディストリビュータ１３に充填されて各々複数の燃料ガス用接続管１１に分配され、それぞれの接続管１１から各々セパレータ８の燃料通路６を介してその中心部より噴出し、各発電セル５の燃料極層３に供給される。そして、電極反応で生成された水蒸気と少量の過剰燃料（未反応ガス）はスタック１の外周部から函体内に排出される。
【００２９】
一方、酸化剤ガス供給口２３より酸化剤ガス用予熱空洞１５に導入された低温の酸化剤ガス（空気）は、矢印方向に外層部を経て内層部に向かって流通し、流通過程において空洞内の高温雰囲気により所定温度まで加熱（予熱）された後、内層部の酸化剤ガス供給管２５を経て酸化剤ガス用ディストリビュータ１４に供給される。
予熱空気は、一旦この酸化剤ガス用ディストリビュータ１４に充填されて複数の各酸化剤ガス用接続管１２に分配され、それぞれの接続管１２から各々セパレータ８の酸化剤通路７を介してその中心部より噴出し、各発電セル５の酸化剤極層４に供給される。
【００３０】
この酸化剤極層４において酸素イオンとなり、固体電解質内部を拡散して前記燃料極層３に到達し、燃料ガスと反応する。この電池反応により、発電セル５（即ち、スタック１）に起電力が発生し、正極端子１８と負極端子１９より必要な電力が取り出される。
反応後の酸化剤ガスはスタック外に排出され、燃料極層３より排出される過剰燃料（未反応ガス）と反応してスタック１の周辺で燃焼し、その際の高温排気ガス（ＣＯ₂）が水蒸気（Ｈ₂ Ｏ）と共に函体上部の排気管１７を通して電池外に排出される。
【００３１】
このように、本発明は燃料ガスおよび酸化剤ガスの予熱エネルギーにスタック１の発電による放射熱を利用しているため、排気ガスの熱のみを利用した従来型の予熱機構に比べて十分な予熱を行うことができ、電池反応を活性化して発電効率を向上できる。且つ、予熱機構も従来の２重管構造に比べて簡略化できる。
【００３２】
加えて、燃料ガス用予熱空洞１６および酸化剤ガス用予熱空洞１５を２層構造とすることにより、ガスの予熱区間を十分確保することができる。特に、多層構造の予熱空洞では、外層部においては外部より導入される低温ガスとの熱交換で燃料電池モジュール外観部の冷却機能を果たすと共に、内層部における高温雰囲気中では十分な予熱が行われることになる。
【００３３】
また、本実施形態では、上記構成の予熱機構において、外周層の予熱空洞１５、１６の厚さを３０ｍｍ以内と狭くし、且つ、内側の層の予熱空洞１５、１６の厚さは外周層の２倍以上と広くしている。外層側を狭くすることにより、空洞内を流通する導入ガスの線速度を速くすることができ、燃料電池モジュールの外観側の冷却効果を向上できると共に、内層側の熱が外観側に発散するのを阻止し、内層側を高温に保持できる。外周層における予熱空洞の厚さは燃料電池の出力規模に依存し、大型化するに連れて厚さは増す。逆に出力１ＫＷ程度の小型機では厚さ１ｍｍ程度が好ましい。
一方、内側の層の予熱空洞１５、１６の厚さを外周層より広くすることにより、内側の層の予熱空洞内を流通する導入ガスの線速度は減少するため、導入ガスは放射熱にて十分に予熱されて各ディストリビュータに供給されることになる。
【００３４】
次に、図２は本発明の第２実施形態を示している。この燃料電池モジュール１０のスタック１は図１に示した第１実施形態と全く同じ構成であるが、予熱機構の構造が相違している。
【００３５】
即ち、本実施形態では、酸化剤ガス用予熱空洞１５および燃料ガス用予熱空洞１６において、各予熱空洞の内、外側に位置する予熱空洞との層間に真空部２７（真空断熱層２７）を設け、相接する層間の熱の伝導（２層構造の場合は内層から外層への熱伝導）を抑制する構造としたものである。
本実施形態では、所定の隙間もって設けた２重構造の隔壁９ｃ、９ｃにより空洞を形成し、その内部を真空状態として断熱層を形成したものである。この場合も、前記隔壁９ａや区画壁９ｂと同様に、母材はＳＵＳ製とし、その表面にＮｉメッキを下地としたＡｇメッキが施してある。この真空断熱層２７により内層側の熱を外層側に逃がさず、常に各予熱空洞１５、１６を高温状態に保つことができ、燃料電池の放射熱を効率よく活用できるようになる。
【００３６】
次に、図３は本発明の第３実施形態を示している。この実施形態においてもスタック１の構成は図１、図２に示した実施形態と全く同様であるが、予熱機構の構造が相違している。
【００３７】
即ち、本実施形態では、酸化剤ガス用予熱空洞１５において、内側に位置する予熱空洞内部に排気ガスを排出するための排気管１７を設置し、燃料電池からの放射熱で加熱された空洞内を更に排気ガスの熱により加熱するものである。この排気管１７の排気口１７ａは酸化剤ガス用予熱空洞１５の内層端部に位置し、排気管１７は、同、内層部の他端部より外層部を貫通して函体２０より突出しており、酸化剤ガス用予熱空洞１５の内層部のほぼ全域をカバーするようになっている。モジュール内部の高温排気ガスは排気管１７を通過する間に内層内のガスと熱交換される。
これにより、ガスの予熱がより確実に行えるようになると共に、外部に放出していた排気ガスの熱を予熱エネルギーとして利用できることから、燃料電池のエネルギー効率をより向上することができる。
【００３８】
尚、この排気管１７は酸化剤ガス用予熱空洞１５と共に燃料ガス用予熱空洞１６にも設置可能であるが、一般的に、酸化剤ガス（空気）は化学反応用ガスとしてだけでなくモジュールの冷却用としても使用されており、図示しない外部に設置のコンプレッサーやブロワ等より圧縮空気が大量に供給される傾向にあることから、このような冷風が導入される酸化剤ガス用予熱空洞１５に設置する方が効果的である。
【００３９】
以上の実施形態では、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、燃料ガスと酸化剤ガスの電極反応で発電するものであれば良く、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）等にも勿論適用可能である。
【００４０】
また、予熱機構となる各々予熱空洞１５、１６を２層構造としたが、これに限るものではなく１層、もしくは２層以上であれば良く、適用する燃料電池の種類や使用する反応用のガス等に応じて適宜好適な予熱温度が得られるよう予熱空洞を構成すれば良い。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、函体の内部に前記燃料極層に供給する燃料ガス用の空洞および前記酸化剤極層に供給する酸化剤ガス用の空洞を形成したので、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの予熱エネルギーとして燃料電池から放射される熱を効率良く活用することができ、十分な予熱が行えるようになる。また、従来の２重管構造に比べて予熱機構も簡略化される。さらに、前記燃料ガス用の空洞および酸化剤ガス用の空洞を、それぞれ前記函体の内壁に沿って２層以上形成しているので、ガスの予熱面積（即ち、予熱区間）を大きくすることができることから、より一層十分な予熱が行える。加えて、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスが外周層より導入されて、内側の層に向かって流通する構造を有しているので、外周層においては導入ガスとの熱交換で燃料電池モジュールの外観側を冷却でき、且つ、内層に向かうに連れてスタックからの放射熱にて予熱される。
【００４２】
また、予熱機構を構成する空洞の壁面にＮｉ下地メッキによるＡｇメッキを施してあるので、燃料電池モジュール内部の高温酸化雰囲気下において優れた耐食性（耐酸化性）が得られ、予熱機構の寿命を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池モジュールの内部構造を示す断面図。
【図２】本発明の第２実施形態に係る燃料電池モジュールの内部構造を示す断面図。
【図３】本発明の第３実施形態に係る燃料電池モジュールの内部構造を示す断面図。
【符号の説明】
１スタック
２電解質層（固体電解質層）
３燃料極層
４酸化剤極層
５発電セル
１０燃料電池モジュール
１５酸化剤ガス用予熱空洞
１６燃料ガス用予熱空洞
１７排気管
２０函体
２７断熱層（真空断熱層）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a preheating mechanism for a reaction gas (fuel gas, oxidant gas) supplied to a power generation cell.
[0002]
[Prior art]
As the fuel cell, a solid oxide fuel cell (SOFC) is being developed as a third-generation fuel cell for power generation. 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 an air electrode (cathode) that uses a solid electrolyte made of an oxide ion conductor as an electrode and a fuel. It has a laminated structure sandwiched between the electrode (anode). A large number of power generation cells made of this laminate are connected via an interconnector (separator) to form a stack, and a gas supply distributor is interposed as necessary. These stacks and distributors are housed in a box made of heat insulating material, heat-resistant metal, ceramics, or the like to constitute a fuel cell module.
[0003]
In the solid oxide fuel cell, oxygen (air) is supplied to the air electrode side, and fuel gas (H ₂ , CO, CH _4, etc.) is supplied to the fuel electrode side. The air electrode and the fuel electrode are both porous layers so that the gas can reach the interface with the solid electrolyte.
[0004]
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. The electrons are taken out as electricity to obtain an electromotive force.
[0005]
The solid electrolyte layer is a moving medium for oxide ions and at the same time functions as a partition for preventing direct contact between the fuel gas and air, and thus has a dense structure that is impermeable to gas. This solid electrolyte layer should have a high oxide ion conductivity, be chemically stable under conditions from the oxidizing atmosphere on the air electrode side to the reducing atmosphere on the fuel electrode side, and be made of a material that is resistant to thermal shock. There is generally used stabilized zirconia (YSZ) to which yttria is added as a material satisfying such requirements.
[0006]
On the other hand, both the air electrode layer and the fuel electrode layer, which are electrodes, need to be made of a material having high electron conductivity. Since the air electrode material must be chemically stable in an oxidizing atmosphere around 1000 ° C., the metal is unsuitable, and a perovskite oxide material having electron conductivity, specifically LaMnO ₃ or LaCoO ₃ or a solid solution in which a part of La is substituted with Sr, Ca or the like is generally used. Further, as the fuel electrode material, metals such as Ni and Co, or cermets such as Ni—YSZ and Co—YSZ are generally used.
[0007]
By the way, as described above, the electrochemical reaction in the power generation cell is performed in a high-temperature oxidizing atmosphere of about 1000 ° C. In order to activate the battery reaction at this time, oxygen (air) serving as a reaction gas is activated. ) And the fuel gas must be preheated to a required temperature (for example, several hundred degrees C).
[0008]
Conventionally, an air preheating pipe and a fuel gas preheating pipe are arranged around a box constituting the fuel cell module to preheat the introduced gas from the outside. These air preheating pipes and fuel gas preheating pipes have, for example, a double pipe structure and introduce air and fuel gas supplied from the outside from the inner pipe side of the double pipes respectively, By passing the internal combustion gas discharged to the outside as exhaust gas, the low temperature gas passing through the inner pipe is preheated (heat exchange) with the high temperature exhaust gas.
The air preheated by the air preheating pipe is supplied to the air electrode side of each power generation cell via the oxidant gas distributor, and the fuel gas preheated by the fuel gas preheating pipe is supplied to each power generation cell via the fuel gas distributor. Supplied to the fuel electrode side.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the air preheating pipe and the fuel gas preheating pipe do not perform sufficient heat exchange in the double pipe structure heat exchanger as described above, and efficiently absorb the heat of the exhaust gas to preheat the gas in the pipe to a high temperature. It was difficult to do. In addition, these double-pipe preheating tubes are usually structurally complicated because they are usually embedded in a heat insulating material that encloses the inner periphery of the box.
[0010]
The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and preheats which can efficiently use the heat radiated from the stack for preheating the gas and ensure a sufficient gas preheating area. It aims at providing the fuel cell provided with the mechanism.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
That is, according to the present invention, a stack is formed by connecting a plurality of power generation cells each having a fuel electrode layer formed on one electrolyte layer and an oxidant electrode layer formed on the other, and the stack is formed in a box. housing to constitute a fuel cell module, the fuel cell for supplying a gas for each reaction to the externally fuel electrode layer and the oxidant electrode layer, to surround the stack, the interior of the box-body, the the fuel gas and oxidant gas cavity and the cavity of the oxidizer gas supplied to the oxidant electrode layer for a fuel gas supplied to the fuel electrode layer is formed, to flow into the cavity by the radiation heat from the stack have a mechanism for preheating the, and cavities and cavities of the oxidizer gas, together with the formed two or more layers along the inner wall of each of the box-body, the fuel gas and oxidizer gas periphery for the fuel gas layer Ri is introduced, it is characterized by having a structure that flows toward the inner layer.
In this configuration, since the heat radiated from the fuel cell is used as the preheating energy of the fuel gas and the oxidant gas , sufficient preheating can be performed. Further, the preheating mechanism is simplified as compared with the conventional double pipe structure.
Further, since two or more layers of the cavity for the fuel gas and the cavity for the oxidant gas are formed along the inner wall of the box, the preheating area (that is, the preheating section) of the fuel gas and the oxidant gas is formed. ) Can be increased, so that more sufficient preheating can be performed.
In addition, in this configuration, the outer side of the outer peripheral layer can be cooled by heat exchange with the fuel gas and the oxidant gas, and is preheated by the radiant heat from the stack toward the inner layer. The
[0013]
Further, according to a second aspect of the present invention, in the fuel cell according to the first aspect , the thickness of the cavity of the outer peripheral layer is within 30 mm.
In this configuration, the linear velocity of the introduced gas flowing through the cavity of the outermost layer can be increased, the cooling effect on the outer side of the fuel cell module can be improved, and the heat on the inner layer side can be diffused to the outer side. The inner layer side can be kept at a high temperature.
[0014]
According to a third aspect of the present invention, in the fuel cell according to the first or second aspect , the thickness of the cavity of the inner layer is at least twice the thickness of the cavity of the outer peripheral layer. It is characterized by that.
In this configuration, since the linear velocity of the introduced gas flowing through the cavity of the inner layer is kept low, the introduced gas is sufficiently preheated by radiant heat.
[0015]
According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel cell according to any one of the first to third aspects, the hollow wall surface is subjected to Ag plating by Ni base plating.
For example, SUS or other heat-resistant metal is used as the wall material to form the cavity, and Ag plating is applied to the surface to provide excellent corrosion resistance (oxidation resistance) in a high-temperature oxidizing atmosphere, improving the life of the preheating mechanism it can.
[0016]
The present invention according to claim 5 is characterized in that in the fuel cell according to any one of claims 1 to 4 , a heat insulating layer is provided between the layers of the cavities.
In this configuration, the heat on the inner layer side can be kept at a high temperature without escaping to the outer layer side, so that the internal heat energy can be efficiently utilized and sufficient preheating can be performed.
[0017]
According to a sixth aspect of the present invention, in the fuel cell according to any one of the first to fifth aspects, an exhaust pipe for exhausting exhaust gas is installed in the cavity located inside. It is characterized by that.
In this configuration, since the inside of the cavity can be heated by the radiant heat from the stack and the heat of the exhaust gas, sufficient preheating can be performed. In particular, the present invention is more effective when applied to an oxidant gas cavity into which cold air flows.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0020]
FIG. 1 shows a first embodiment of a fuel cell module (flat plate solid oxide fuel cell) to which the present invention is applied.
A fuel cell module 10 shown in FIG. 1 includes a fuel electrode layer 3 on one surface of a solid electrolyte layer 2 and an oxidant electrode layer 4 (air electrode layer) on the other surface to form a power generation cell 5. A stack 1 is formed in which a plurality of power generation cells 5 and separators 8 to be described later are alternately stacked to form a cylindrical shape.
[0021]
The separator 8 has a function of supplying a reaction gas to each power generation cell 5 at the same time electrically connecting between the power generation cells, a fuel gas (H ₂₎ from the outer peripheral surface of the separator 8 A fuel passage 6 that is introduced and ejected from the central portion on the fuel electrode layer side; an oxidant passage 7 that introduces oxidant gas (air) from the outer peripheral surface of the separator 8 and ejects the gas from the central portion on the oxidant electrode layer side; Respectively.
[0022]
A fuel gas distributor 13 for distributing fuel gas introduced from the outside through the fuel gas connection pipe 11 to the fuel passage 6 of each separator 8 is provided on one side of the stack 1, and each separator 8 is provided on the other side. The oxidant gas distributors 14 for distributing the oxidant gas from the outside through the oxidant gas connection pipe 12 are erected along the stacking direction of the power generation cells 5.
[0023]
The stack 1, the distributors 13 and 14 and the like are accommodated in a box 20 made of a heat-resistant metal (for example, made of SUS) to constitute a fuel cell module 10.
Further, at the upper and lower ends of the box 20, a positive terminal 18 and a negative terminal 19 drawn out from the separators 8, 8 disposed at the endmost portion of the stack 1 are provided so as to face each other. At the same time, an exhaust pipe 17 protrudes from the upper portion of the box 20, and a reaction gas (exhaust gas) generated by a battery reaction is exhausted from the exhaust port 17a of the exhaust pipe 17 to the outside. .
[0024]
By the way, in the fuel cell module 10 having the above-described configuration, a gas flow path is provided by providing a partition wall 9a using a heat-resistant metal plate as a base material along the inner wall of the SUS box 20 and toward the outer peripheral direction. A preheating cavity is formed. In the present embodiment, the partition walls 9a are doubled at a predetermined interval to form a two-layered cavity, and further, a partition wall 9b is provided in the horizontal direction near the center in the vertical direction to provide the preheating cavity. A reaction gas preheating mechanism introduced from outside is divided into an upper part oxidant gas preheating cavity 15 and a lower part fuel gas preheating cavity 16 which are divided into upper and lower parts and separated into airtight states. It is composed.
[0025]
The partition wall 9a and the partition wall 9b are made of, for example, a SUS plate having excellent heat resistance and corrosion resistance as a base material, and Ni plating is provided on the surface so that excellent corrosion resistance (oxidation resistance) can be obtained in a high temperature oxidizing atmosphere. Ag plating as a base is applied. Thereby, the lifetime improvement of the preheating mechanism is achieved.
[0026]
In the oxidant gas preheating cavity 15, an outer layer and an inner layer that form a preheating cavity are communicated with each other through a through hole 21 provided in the outer partition wall 9 a, and an oxidant introduced from an oxidant gas supply port 23. Gas (air) is supplied to the oxidant gas distributor 14 through the oxidant gas supply pipe 25 while flowing from the outer layer part toward the inner layer part.
On the other hand, in the preheating cavity 16 for fuel gas, the outer layer and the inner layer of the preheating cavity are communicated with each other through the through hole 22 provided in the outer partition wall 9a, and the fuel gas (H ₂ ) introduced from the fuel gas supply port 24 is communicated. The fuel gas is supplied to the fuel gas distributor 13 through the fuel gas supply pipe 26 while flowing from the outer layer portion toward the inner layer portion.
[0027]
In the fuel cell module 10 having the above-described configuration, the internal temperature of the cell is maintained at a high temperature of 900 to 1000 ° C. for the battery reaction (power generation) in the stack 1, so that the radiant heat is received and provided in the box. The insides of the fuel gas preheating cavity 16 and the oxidant gas preheating cavity 15 are also hot.
[0028]
Under such circumstances, the low-temperature fuel gas (H ₂ ) introduced into the fuel gas preheating cavity 16 from the fuel gas supply port 24 circulates in the direction of the arrow toward the inner layer portion through the outer layer portion, and the distribution thereof. In the process, the fuel gas is supplied to the fuel gas distributor 13 through the fuel gas supply pipe 26 in the inner layer while being heated (preheated) to a predetermined temperature by the high temperature atmosphere in the cavity.
The preheated gas is once filled in the fuel gas distributor 13 and distributed to each of the plurality of fuel gas connection pipes 11, and is ejected from the center of each of the connection pipes 11 through the fuel passage 6 of the separator 8. , And supplied to the fuel electrode layer 3 of each power generation cell 5. And the water vapor | steam produced | generated by electrode reaction and a small amount of excess fuel (unreacted gas) are discharged | emitted from the outer peripheral part of the stack 1 in a box.
[0029]
On the other hand, the low-temperature oxidant gas (air) introduced into the oxidant gas preheating cavity 15 from the oxidant gas supply port 23 flows in the direction of the arrow through the outer layer part toward the inner layer part, After being heated (pre-heated) to a predetermined temperature in the high temperature atmosphere, it is supplied to the oxidant gas distributor 14 through the oxidant gas supply pipe 25 in the inner layer portion.
The preheated air is once filled in the oxidant gas distributor 14 and distributed to each of the plurality of oxidant gas connection pipes 12, and the central portion of each of the preheated air passes through the oxidant passages 7 of the separators 8. And is supplied to the oxidant electrode layer 4 of each power generation cell 5.
[0030]
In the oxidant electrode layer 4, oxygen ions are formed, diffuse inside the solid electrolyte, reach the fuel electrode layer 3, and react with the fuel gas. By this battery reaction, an electromotive force is generated in the power generation cell 5 (that is, the stack 1), and necessary power is taken out from the positive terminal 18 and the negative terminal 19.
The oxidant gas after the reaction is discharged out of the stack, reacts with the excess fuel (unreacted gas) discharged from the fuel electrode layer 3 and burns around the stack 1, and the high-temperature exhaust gas (CO ₂ ) at that time Is discharged out of the battery together with water vapor (H ₂ O) through the exhaust pipe 17 at the top of the box.
[0031]
As described above, since the present invention uses the radiant heat generated by the power generation of the stack 1 for the preheating energy of the fuel gas and the oxidant gas, the preheating is sufficient as compared with the conventional preheating mechanism using only the heat of the exhaust gas. The battery reaction can be activated and the power generation efficiency can be improved. In addition, the preheating mechanism can be simplified as compared with the conventional double tube structure.
[0032]
In addition, by providing the fuel gas preheating cavity 16 and the oxidant gas preheating cavity 15 with a two-layer structure, a sufficient gas preheating section can be secured. In particular, in a preheat cavity having a multi-layer structure, the outer layer portion performs a cooling function of the outer appearance portion of the fuel cell module by heat exchange with a low-temperature gas introduced from the outside, and sufficient preheating is performed in a high temperature atmosphere in the inner layer portion. It will be.
[0033]
Further, in the present embodiment, in the preheating mechanism configured as described above, the thickness of the preheating cavities 15 and 16 in the outer peripheral layer is narrowed to within 30 mm, and the thickness of the preheating cavities 15 and 16 in the inner layer is the same as that of the outer peripheral layer. 2 times more wide. By narrowing the outer layer side, the linear velocity of the introduced gas flowing in the cavity can be increased, the cooling effect on the outer side of the fuel cell module can be improved, and the heat on the inner layer side is diffused to the outer side. And the inner layer side can be kept at a high temperature. The thickness of the preheating cavity in the outer peripheral layer depends on the output scale of the fuel cell, and the thickness increases as the size increases. On the other hand, a thickness of about 1 mm is preferable for a small machine with an output of about 1 KW.
On the other hand, by making the thickness of the inner layer preheating cavities 15 and 16 wider than that of the outer peripheral layer, the linear velocity of the introduced gas flowing through the inner layer preheating cavities is reduced. It will be fully preheated and supplied to each distributor.
[0034]
Next, FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention. The stack 1 of the fuel cell module 10 has the same configuration as that of the first embodiment shown in FIG. 1, but the structure of the preheating mechanism is different.
[0035]
That is, in the present embodiment, in the preheating cavity 15 for the oxidant gas and the preheating cavity 16 for the fuel gas, a vacuum portion 27 (vacuum heat insulating layer 27) is provided between the preheating cavities located outside the preheating cavities. In this structure, heat conduction between adjacent layers (in the case of a two-layer structure, heat conduction from the inner layer to the outer layer) is suppressed.
In this embodiment, a cavity is formed by the double-structured partition walls 9c, 9c provided with a predetermined gap, and the inside is formed in a vacuum state to form a heat insulating layer. Also in this case, like the partition wall 9a and the partition wall 9b, the base material is made of SUS, and the surface thereof is subjected to Ag plating with Ni plating as a base. The vacuum heat insulating layer 27 does not allow the heat on the inner layer side to escape to the outer layer side, so that the preheating cavities 15 and 16 can always be kept at a high temperature, and the radiant heat of the fuel cell can be used efficiently.
[0036]
Next, FIG. 3 shows a third embodiment of the present invention. Also in this embodiment, the configuration of the stack 1 is exactly the same as that of the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, but the structure of the preheating mechanism is different.
[0037]
That is, in this embodiment, in the preheating cavity 15 for the oxidant gas, an exhaust pipe 17 for exhaust gas exhaust is installed inside the preheating cavity located inside, and the inside of the cavity heated by the radiant heat from the fuel cell is installed. Is further heated by the heat of the exhaust gas. The exhaust port 17a of the exhaust pipe 17 is located at the inner layer end of the oxidant gas preheating cavity 15. The exhaust pipe 17 projects from the box 20 through the outer layer from the other end of the inner layer. Thus, almost the entire inner layer portion of the preheating cavity 15 for the oxidant gas is covered. The hot exhaust gas inside the module exchanges heat with the gas in the inner layer while passing through the exhaust pipe 17.
As a result, the preheating of the gas can be performed more reliably, and the heat of the exhaust gas released to the outside can be used as the preheating energy, so that the energy efficiency of the fuel cell can be further improved.
[0038]
The exhaust pipe 17 can be installed in the fuel gas preheating cavity 16 together with the oxidant gas preheating cavity 15, but in general, the oxidant gas (air) is not only used as a chemical reaction gas but also in the module. It is also used for cooling, and a large amount of compressed air tends to be supplied from an external compressor (not shown), a blower or the like, so that the oxidant gas preheating cavity 15 into which such cold air is introduced is used. It is more effective to install.
[0039]
In the above embodiment, a 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 power generation is performed by an electrode reaction between a fuel gas and an oxidant gas. The phosphoric acid fuel cell (PAFC) using phosphoric acid as an electrolyte, the molten carbonate fuel cell (MCFC) using molten carbonate as an electrolyte, or the solid polymer fuel cell using an ion exchange membrane as an electrolyte Of course, it can also be applied to (PEFC).
[0040]
Each of the preheating cavities 15 and 16 serving as a preheating mechanism has a two-layer structure. However, the present invention is not limited to this, and one layer or two or more layers may be used. What is necessary is just to comprise a preheating cavity so that suitable preheating temperature may be suitably obtained according to gas etc.
[0041]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the forming cavity and the cavity of the oxidizer gas supplied to the oxidant electrode layer for a fuel gas supplied to the fuel electrode layer to the inside of a box body, wherein The heat radiated from the fuel cell can be efficiently used as the preheating energy of the fuel gas and the oxidant gas, and sufficient preheating can be performed. Moreover, preheating mechanism than the conventional double-tube structure is also simplified. Furthermore, since two or more layers of the cavity for the fuel gas and the cavity for the oxidant gas are formed along the inner wall of the box, the gas preheating area (that is, the preheating section) can be increased. Since it is possible, more sufficient preheating can be performed. In addition, since the fuel gas and the oxidant gas are introduced from the outer peripheral layer and flow toward the inner layer, the outer appearance of the fuel cell module is exchanged with the introduced gas in the outer peripheral layer. The sides can be cooled and preheated with radiant heat from the stack toward the inner layer.
[0042]
In addition, since the Ag wall is plated on the hollow wall that constitutes the preheating mechanism by Ni base plating, excellent corrosion resistance (oxidation resistance) can be obtained in a high temperature oxidizing atmosphere inside the fuel cell module, and the life of the preheating mechanism can be increased. It can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an internal structure of a fuel cell module according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an internal structure of a fuel cell module according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an internal structure of a fuel cell module according to a third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Stack 2 Electrolyte layer (solid electrolyte layer)
3 Fuel electrode layer 4 Oxidant electrode layer 5 Power generation cell 10 Fuel cell module 15 Preheating cavity 16 for oxidant gas 17 Preheating cavity 17 for fuel gas Exhaust pipe 20 Box 27 Heat insulation layer (vacuum heat insulation layer)

Claims

A stack is formed by connecting a plurality of power generation cells each having a fuel electrode layer formed on one of the electrolyte layers and an oxidant electrode layer formed on the other side, and the fuel cell module is configured by housing the stack in a box. In the fuel cell for supplying a reaction gas to each of the fuel electrode layer and the oxidant electrode layer,
A cavity for fuel gas to be supplied to the fuel electrode layer and a cavity for oxidant gas to be supplied to the oxidant electrode layer are formed inside the box so as to surround the stack , and radiation from the stack is formed. heat by have a mechanism for preheating the fuel gas and the oxidizing gas flowing into the cavity, and the cavity and the cavity of the oxidant gas for the fuel gas, two layers along an inner wall of each of the box-body A fuel cell having the structure as described above, wherein the fuel gas and the oxidant gas are introduced from the outer peripheral layer and circulate toward the inner layer .

2. The fuel cell according to claim 1, wherein the thickness of the cavity of the outer peripheral layer is within 30 mm .

3. The fuel cell according to claim 1 , wherein the thickness of the cavity of the inner layer is twice or more than the thickness of the cavity of the outer peripheral layer .

The fuel cell according to any of claims 1 to 3, characterized in that subjected to Ag plating with Ni base plating on the wall of the cavity.

The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein a heat insulating layer is provided between the hollow layers .

The fuel cell according to any one of claims 1 to 5 , wherein an exhaust pipe for exhaust gas exhaust is installed in the cavity located inside .