JP6571560B2 - Fuel cell power generation module - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池発電モジュールであって、特に、低効率燃焼反応を最小限に抑え、燃料電池発電モジュールの燃料利用率及び発電効率を高めるために再生利用燃料を使用する高効率の燃料電池発電モジュールに関する。 The present invention is a fuel cell power generation module, particularly a high efficiency fuel cell that uses recycled fuel to minimize low-efficiency combustion reactions and increase fuel utilization and power generation efficiency of the fuel cell power generation module. It relates to a power generation module.
従来の燃料電池は、反応温度に基づいて高温型および低温型の二つのタイプに分類することができ、高温型燃料電池のより高い効率は、例えば、メタンを燃料ガスとして使用してノードに直接入力する、低い作業温度型燃料電池で採用されている貴金属電極触媒を用いることなく、作動することができる。
これが、近年の高温型燃料電池の開発が注目されている高い作業温度型燃料電池の利点である。より高く及びより安定した発電性能を追求するために多くの国では、電解質、電極触媒、連結板、及び燃料電池動態や反応機構における他の材料を含む面での研究、システムテストを実行するために労力と大量のリソースを投資している。
Conventional fuel cells can be categorized into two types, high temperature type and low temperature type, based on reaction temperature, and the higher efficiency of high temperature type fuel cell is directly connected to the node using, for example, methane as fuel gas It is possible to operate without using the noble metal electrode catalyst employed in the low working temperature type fuel cell.
This is an advantage of a high working temperature type fuel cell that has been attracting attention in recent years. To pursue higher and more stable power generation performance, in many countries, to conduct research and system tests on surfaces including electrolytes, electrocatalysts, connecting plates, and other materials in fuel cell dynamics and reaction mechanisms Invests a great deal of resources and resources.
米国特許公開US 2010/0136378 A1は、改質器と燃焼器とが統合された設計として開示されているが、燃料が希薄な状態の領域内にあるとき、燃焼反応が抑制されて、システム機能を停止する傾向がある。 US Patent Publication US 2010/0136378 A1 is disclosed as an integrated reformer and combustor design, but when the fuel is in a lean region, the combustion reaction is suppressed and system function is Tend to stop.
米国特許第7156886 B2は、燃料の再利用のための燃焼後の排気ガスと改質器に熱を供給するように、燃焼器が改質器の下方に配置された直接積み重ね構造を有する改質器と燃焼器とが統合された構造を開示している。このような改質器と燃焼器構造で発生した熱は、大きな損失を生じ、および熱管理において改善の余地がある。 U.S. Pat. No. 7,156,886 B2 has a reforming structure with a direct stack where the combustor is located below the reformer so as to supply heat to the exhaust gas after combustion for fuel reuse and the reformer. A structure in which a combustor and a combustor are integrated is disclosed. The heat generated in such reformer and combustor structures causes significant losses and there is room for improvement in heat management.
一般的な高温燃料電池の発電システムは、水素富化燃料の電気化学的反応で電気エネルギーを生成するもので有るが、燃焼反応を向上させるために排熱を利用し、電気化学反応を行っていなかった残余燃料を燃焼器に導入することにより、生成された熱エネルギーをシステム動作のために提供する。
システムは、システムによって必要とされる程度を超えた過剰な熱を発生させる場合には、システム動作の危険性を増加させる。高温型燃料電池には、システムの構成要素の大部分が単一のユニットに統合されているため、高い作動温度(700〜800℃)またはそれ以上に加熱されると、内部の改質触媒を置換するとき困難を生じる。
A general high-temperature fuel cell power generation system generates electrical energy through an electrochemical reaction of a hydrogen-enriched fuel. In order to improve the combustion reaction, waste heat is used to perform an electrochemical reaction. By introducing the remaining residual fuel into the combustor, the generated thermal energy is provided for system operation.
The system increases the risk of system operation if it generates excessive heat beyond what is required by the system. High temperature fuel cells integrate most of the system components into a single unit, so that when heated to high operating temperatures (700-800 ° C) or higher, the internal reforming catalyst Difficulties arise when replacing.
従来の燃料電池の欠点を解決するため、更なる熱と燃料再生利用効率の改善と向上が求められている。 In order to solve the drawbacks of conventional fuel cells, there is a need for further improvements and improvements in heat and fuel recycling efficiency.
本発明は、燃料電池構成要素の配置について、燃料や熱エネルギー再生利用する仕組みを改良した装置を提供する。 The present invention provides an apparatus in which the arrangement of fuel cell components is improved in the mechanism for recycling fuel and thermal energy.
本発明は、高効率の燃料電池発電モジュールを提供することを目的になされたものである。燃料電池積層体の未反応燃料を再生利用及び燃焼用燃料として燃焼器に供給され、また燃焼器で発生した熱を直接に燃料電池積層体とプレート式蒸発器を加熱するために使用され、残余の熱が燃料電池積層体からの残留空気を加熱するために使用され、そして加熱された空気が燃料電池スタック内に導入された新鮮な空気を予熱するために使用される。 An object of the present invention is to provide a highly efficient fuel cell power generation module. The unreacted fuel of the fuel cell stack is supplied to the combustor as a fuel for recycling and combustion, and the heat generated in the combustor is directly used to heat the fuel cell stack and the plate evaporator, and the rest Heat is used to heat the residual air from the fuel cell stack, and the heated air is used to preheat fresh air introduced into the fuel cell stack.
本発明の主要な目的は、高効率の燃料電池発電モジュールを提供することにある。燃料電池積層体の未反応燃料の再生利用及び燃焼用燃料として燃焼器に供給され、燃焼器で発生した熱が直接に燃料電池積層体とプレート式蒸発器を加熱するために使用され、熱の残りが燃料電池積層体からの残留空気を加熱するために使用され、そして加熱された空気が燃料電池積層体内に導入された新鮮な空気を予熱するために使用される。プレート式蒸発器は、燃料と共に燃料電池積層体の中に入る水を蒸気に変換する。したがって、未反応の燃料を再生利用するだけではなく、全体の発電モジュールの効率を促進するために熱の利用効率を向上させる。 A main object of the present invention is to provide a highly efficient fuel cell power generation module. Recycled unreacted fuel from the fuel cell stack and supplied to the combustor as fuel for combustion. The heat generated in the combustor is used to directly heat the fuel cell stack and the plate evaporator. The remainder is used to heat the residual air from the fuel cell stack and the heated air is used to preheat fresh air introduced into the fuel cell stack. The plate evaporator converts water that enters the fuel cell stack with the fuel into steam. Therefore, not only the unreacted fuel is recycled, but also the heat utilization efficiency is improved in order to promote the efficiency of the entire power generation module.
本発明の一つの目的は、燃料電池積層体に垂直に順番に立設されている燃料電池積層体、底板、燃焼器、プレート式蒸発器の四つの部分を含む高効率の燃料電池発電モジュールを提供し、これらの各部品の間での熱伝達が直接接触を介して強化され、燃料電池積層体の周囲をフェンス状に囲んで配置された配管内を流れる新鮮な空気を予熱することにより、燃焼器によって生成された熱を最大限に活用して、放熱及び燃料損失量を低減することにより全体的な経済的効率を向上させる。 One object of the present invention is to provide a high-efficiency fuel cell power generation module including four parts of a fuel cell stack, a bottom plate, a combustor, and a plate evaporator, which are erected in order perpendicular to the fuel cell stack. Providing and enhancing the heat transfer between each of these parts through direct contact, by preheating fresh air flowing in the piping arranged around the fuel cell stack in a fence-like manner, Maximize the heat generated by the combustor to improve overall economic efficiency by reducing heat dissipation and fuel loss.
本発明の一つの目的は、改質器と組み合わせた燃料電池積層体に対して、それぞれ正極と負極とは燃料流路及び空気流路を介して、燃料電池積層体の内部で接続され、燃料流路の各端部にそれぞれ燃料入口および燃料出口に設けられ、かつ、空気流路の各端部にそれぞれ空気入口及び空気出口が設けられている。
燃料電池積層体の一方の側に設けられた燃焼器は熱い熱風出口と空気入口とを連通する空気流路を有する。
燃焼器の燃料電池積層体に対して反対側面に取り付けられたプレート式蒸発器が設けられ、さらに、燃料電池積層体の燃料出口に連通して、再生利用のため未反応燃料及び水を導入して分離するための気水分離器が配置される。
燃料電池積層体の外周には、外管と内管から構成された複数の複合管が設けられ、各々の外管は内管を包囲して、内管の一方の端部を燃焼器の熱風出口と連通して燃焼器からの熱風を導入して外管を流通する空気を加熱する。
One object of the present invention is that a positive electrode and a negative electrode are respectively connected to a fuel cell stack in combination with a reformer via a fuel channel and an air channel inside the fuel cell stack. A fuel inlet and a fuel outlet are provided at each end of the flow path, and an air inlet and an air outlet are provided at each end of the air flow path.
The combustor provided on one side of the fuel cell stack has an air flow path that connects the hot hot air outlet and the air inlet.
A plate type evaporator attached to the opposite side of the fuel cell stack of the combustor is provided, and further communicated with the fuel outlet of the fuel cell stack to introduce unreacted fuel and water for recycling. An air / water separator is arranged for separation.
A plurality of composite pipes composed of an outer pipe and an inner pipe are provided on the outer periphery of the fuel cell stack. Each outer pipe surrounds the inner pipe, and one end of the inner pipe is connected to the hot air of the combustor. The air flowing through the outer pipe is heated by introducing hot air from the combustor in communication with the outlet.
本発明のもう一つの目的は、燃料電池発電モジュールにおいて高い熱伝導率の底板が設けられ、燃料電池積層体と燃焼器がそれぞれ該底板の上側と下側に取り付けられて、前記燃料電池積層体と燃焼器との間に配置されている。 Another object of the present invention is to provide a fuel cell power generation module provided with a bottom plate having high thermal conductivity, and a fuel cell stack and a combustor are mounted on the upper and lower sides of the bottom plate, respectively. And the combustor.
本発明のもう一つの目的は、気水分離器により複合管を介して再生利用する未反応燃料と水を分離して、プレート式蒸発器に供給する燃料電池発電モジュールを提供する。
すなわち、外管を介してプレート式蒸発器に再生利用する未反応燃料を導入し、内管を介してプレート式蒸発器に再生利用水を導入し、中間層管を介してプレート式蒸発器に外部燃料を導入して補充する。
Another object of the present invention is to provide a fuel cell power generation module which separates unreacted fuel and water to be recycled through a composite pipe by a steam separator and supplies them to a plate evaporator.
That is, unreacted fuel to be recycled is introduced into the plate evaporator through the outer pipe, recycled water is introduced into the plate evaporator through the inner pipe, and the plate evaporator is introduced through the intermediate layer pipe. Replenish by introducing external fuel.
本発明のもう一つの目的は、燃料電池積層体の外周に設けられた多層管が複数並列したフェンス状に配置され、互いに接続され、燃料電池積層体の周囲を囲むことを特徴とする燃料電池発電モジュールを提供することである。 Another object of the present invention is to provide a fuel cell characterized in that a plurality of multilayer tubes provided on the outer periphery of the fuel cell stack are arranged in a parallel fence shape, connected to each other, and surround the fuel cell stack. It is to provide a power generation module.
本発明のもう一つの目的は、燃焼器が室温で水素と空気との燃焼反応を発生させるための多孔質触媒担体を有する触媒型燃焼器を有することを特徴とする燃料電池発電モジュールを提供する。 Another object of the present invention is to provide a fuel cell power generation module having a catalytic combustor having a porous catalyst carrier for generating a combustion reaction between hydrogen and air at room temperature. .
本発明のもう一つの目的は、プレート式蒸発器内部を通過する水の分離及び蒸発の熱交換効率を高めるために、多孔質充填材を備えることを特徴とする燃料電池発電モジュールを提供する。 Another object of the present invention is to provide a fuel cell power generation module comprising a porous filler in order to increase the heat exchange efficiency of separation and evaporation of water passing through the plate evaporator.
本発明のもう一つの目的は、外管に入る前に新鮮な空気を予熱器により予熱させることを特徴とする燃料電池発電モジュールを提供する。 Another object of the present invention is to provide a fuel cell power generation module characterized in that fresh air is preheated by a preheater before entering the outer tube.
添付の図面と併せて本発明の他の目的の利点および新規な特徴を、以下の詳細な説明からより明らかにする。 Other objects and novel features of the invention will become more apparent from the following detailed description when taken in conjunction with the accompanying drawings.
以下、本発明に関わる料電池発電モジュールについて、図1〜4を用いて説明する。
本発明の構成は、燃料電池積層体1、燃焼器2、プレート式蒸発器3、複合管4、気水分離器5、複合管6と、を配置した構造を備えている。燃料電池積層体1は、改質装置と組み合わされた正極及び負極であり、燃料流路11と空気流路12とを介して燃料電池積層体1の内部でそれぞれ接続されている。
燃料入口111と燃料出口112は、それぞれ燃料流路11の各端部に設けられ、かつ、空気入口121及び空気出口122は、それぞれ空気流路12の各端部に設けられている。
Hereinafter, the battery power generation module according to the present invention will be described with reference to FIGS.
The configuration of the present invention includes a structure in which a fuel cell stack 1, a
The
燃焼器2は、燃料電池積層体1の一方の側に配置され、常温で供給される水素と空気とが、燃焼反応することが出来る多孔質触媒担体を備える。燃焼器2は、空気入口21と熱風排出口22を備え、また空気流通管123を介して空気出口122と連通する。例示的な一実施形態において、高い熱伝導性を有する平板13は、燃焼器2と燃料電池積層体1との間に設けられており、燃料電池積層体1と燃焼器2は、それぞれ平板13の上下両側に取り付けられている。
The
プレート式蒸発器3は、燃焼器2の燃料電池積層体1に対して反対側に配置され、燃料導入口111に向けて燃料混合管31で連通し、内部に多孔質充填材が設けられていて流入した水を蒸発分離することによって熱伝達効率を高めることができる。
The plate-
複合管6は、内管61と中間層管62と外管63とからなる。内管61の一方の端部を前記プレート式蒸発器3の中に延長し、中間層管62が内管61の外周に嵌合され、さらに外管63が中間層管62の外周に取り付けられ、外管63の一端がプレート式蒸発器と連通すると共に、外管63と中間層管62とが相互接続されている。
例示的な実施形態において、中間層管62の他端は補助燃料配管621を介して外部の燃料源(図示せず)に接続され、内管61の他端は水管611に接続され、外管63の他端は燃料配管631に接続されている。
The
In the exemplary embodiment, the other end of the
ガスと水を分離するための気水分離器5は、回収管51を介して燃料電池積層本体1の燃料出口112に連通して、再生利用のための未反応成分の残留する燃料と水とを受容し、再生利用燃料としてその一部を燃焼器2の入口21に導入すると共に、燃料電池積層本体1の空気出口122から流出する空気と混合して、燃焼のために燃焼器2に供給する。
そして、気水分離器5は、第1燃料管53及び燃料ポンプ531を通って流通する燃料管631に接続されており、再生利用燃料は補助燃料管621と接続する中間層管62からの補充燃料を混合して、プレート式蒸発器3に導入される。
また、気水分離器5は、給水管52と水供給のため外部(図示せず)と接続される水補助水管522とを水ポンプ521に接続し、再生利用水は、水ポンプ521によって十分な純水の供給を得て、水供給管611と接続する内管61を介してプレート式蒸発器3に導入される。
The steam separator 5 for separating gas and water communicates with the
The steam separator 5 is connected to a
Further, the steam separator 5 connects a
多層管4は、外管42と内管41で構成され、内管41の外周を囲む外管42からなり、複数の多層管4の各々が燃料電池積層体1の外周に設けられ、内管41の一端は燃焼器2からの高温排気を導入するため燃焼器2の熱風排出口22に連通し、また内管41の他端は排気口411であり、
外管42の一端は空気流路の入口421から新鮮な空気を導入して、その他端が燃料電池積層本体1の空気入口121に連通することにより、外管42の一端から新鮮な空気を導入して流動しながら、内管41によって加熱して燃料電池積層本体1の空気入口121に導入することができる。
The multilayer tube 4 includes an
One end of the
本発明の実施形態として例示する燃料電池本体1は、複数の多層管4が設けられてあり、それぞれを燃料電池積層体1の周囲を包囲する互いに接続したフェンス状に構成されており、外管42の入口421に設けられている予熱器7によって、空気が外管42内に導入される前に予熱されて、燃料電池積層体1と外管42との間で良好な熱交換効果を発揮する。
A fuel cell main body 1 exemplified as an embodiment of the present invention is provided with a plurality of multilayer tubes 4, each of which is formed in a fence shape connected to each other surrounding the periphery of the fuel cell stack 1, and an outer tube The
装置の稼働時には、未反応成分が残留する燃料は、燃料電池積層体1の燃料出口112から、回収管51によって気水分離器5に導入され、再生利用する燃料及び水に分離及び出力した後、一部の再生利用燃料(約20%)は第2燃料管54を経て流動して、循環する空気流通管123から流出する燃料電池積層本体1からの未反応成分を含む空気と混合して、燃焼器2の入口21を通って導入されて燃焼し、発生した熱はプレート式蒸発器3および燃料電池積層本体1を加熱し、さらに残余の熱は、熱風排出口22をから内管41を経て排気口411から排出される。
During the operation of the apparatus, the fuel in which unreacted components remain is introduced from the
残る再生利用燃料(約80%)は、
第2燃料管53、燃料ポンプ531、燃料管631を経て外層管63に供給され、補助燃料管621を介して中間層管62から供給される外部燃料と混合し、再生利用される。
一方、再循環される水は、水供給管52を経て外部給水入口522から水を補給して、水ポンプ521から供給管611と内層管61とを経て、プレート式蒸発器3に供給される。
The remaining recycled fuel (about 80%)
The fuel is supplied to the
On the other hand, the recirculated water is replenished with water from the external
プレート式蒸発器3は、燃焼器2からの熱を吸収して水を蒸気に変換し、外層管63と中間層管62から導入された燃料と混合し、燃料混合管31を経て燃料流路11の燃料入口111を介して燃料電池積層体1に供給する。
外部からの新鮮な空気は、空気入口421から外管42に導入され、予熱器7によって加温されて、外管42内の空気流は内管41によってさらに加熱されて後、空気入口121に導入され、燃料電池本体1の流路11内の蒸気及び混合燃料と反応するための空気流路12に供給することができる。
The
Fresh air from the outside is introduced into the
本発明の多くの特徴および利点は、本発明の構造及び機能の詳細と共に、前述の説明に記載されている事項に制約されない、ということが理解されるべきであり、以上において詳細にされた開示は例示として示されたのみであって、当業者が必要に応じてなし得る変更、特に形状、サイズ、および本発明の原理内での部品の配置の変更、調整等は、特許請求の範囲に表現される用語の広い一般的な意味によって示される全範囲に至るまで、その権利範囲に属すると解されるべきである。 It should be understood that the many features and advantages of the present invention, as well as the details of the structure and function of the invention, are not limited to the matters set forth in the foregoing description, and the disclosure detailed above. Are shown by way of example only, and modifications that can be made by those skilled in the art as needed, especially changes in shape, size, and arrangement of components within the principles of the invention, adjustments, etc. are within the scope of the claims. To the full extent indicated by the broad general meaning of the terms expressed, it should be understood as belonging to that scope of rights.
燃料電池積層体1
11 燃料流路
111 燃料入口
112 燃料出口
12 空気流路
121 空気入口
122 空気出口
123 空気流通管
13 平板
2 燃焼器
21 空気入口
22 熱風排出口
3 プレート式蒸発器
31 燃料混合管
4 多層管
41 内管
411 排気口
42 外管
421 入口
5 気水分離器
51 回収管
52 給水管
521 水ポンプ
522 補助水管
53 第1燃料管
531 燃料ポンプ
54 第2燃料管
6 複合管
61 内管
611 水管
62 中間層管
621 補助燃料管
63 外管
631 燃料管
7 予熱器
Fuel cell stack 1
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記燃料電池積層体内で正極が燃料流路と接続され、負極が空気流路に接続され、
前記燃料流路の入口及び出口がそれぞれ燃料流路の端部に配置され、前記空気流路の入口及び出口がそれぞれ空気流路の端部に配置されてなり、
前記燃料電池積層体の空気流路の出口に連通する空気入口及び熱風排出口を設けて、前記燃料電池積層体の一側に設けられた燃焼器を備え、
前記燃焼器の前記燃料電池積層体に対して反対側面に取り付けられたプレート式蒸発器を備え、
前記燃料電池積層体の前記燃料流路の出口に連通する気水分離器を備え、
再生利用のために前記燃料流路出口から排出される燃料を前記気水分離器に導入し、分離された未反応成分が残留する燃料の一部と前記燃料電池積層体の空気流路出口から流出する空気とを混合して、前記燃焼器入口に導入して燃焼熱を発生させて、
前記燃焼器の燃焼熱を直接これに接する前記プレート式蒸発器及び前記燃料電池積層体に伝導させ、
再生利用のため分離された残余の未反応成分が残留する燃料に補充の燃料を加えて後、前記プレート式蒸発器に供給し、かつ再生利用のため前記気水分離器で分離された水に補充水を加えて後、前記プレート式蒸発器に供給し、
該プレート式蒸発器において前記燃焼器からの熱伝導により、水を蒸気に変換して前記燃料電池積層体の燃料入口に燃料と蒸気とを供給し、
前記燃料電池積層体の外周を囲んで配置され、外管と内管から構成された複数の複合管を設けて、該内管の一端を前記燃焼器からの熱風排出口と連通し、該外管の一端を前記燃料電池積層体の空気入口と連通させて、
該外管の他端から導入する空気が該内管を流通する熱風によって加熱されて、前記燃料電池積層体に流入するようにした、
ことを特徴とする燃料電池発電モジュール。 The fuel cell power generation module includes a fuel cell stack combined with a reformer,
In the fuel cell stack, the positive electrode is connected to the fuel flow path, the negative electrode is connected to the air flow path,
The inlet and outlet of the fuel flow path are respectively disposed at the end of the fuel flow path, and the inlet and outlet of the air flow path are respectively disposed at the end of the air flow path;
An air inlet and a hot air discharge port communicating with the outlet of the air flow path of the fuel cell stack, and a combustor provided on one side of the fuel cell stack,
A plate evaporator attached to the opposite side of the combustor to the fuel cell stack;
A steam separator connected to the outlet of the fuel flow path of the fuel cell stack,
Fuel discharged from the fuel flow path outlet for recycling is introduced into the steam separator, and a part of the fuel in which the separated unreacted components remain and from the air flow path outlet of the fuel cell stack Mixing with the outflowing air, introducing it into the combustor inlet to generate combustion heat,
Conducting the combustion heat of the combustor directly to the plate evaporator and the fuel cell stack in contact therewith,
After supplementary fuel is added to the fuel in which the remaining unreacted components separated for recycling remain, the fuel is supplied to the plate evaporator, and is separated into water separated by the steam separator for recycling. After adding make-up water, supply to the plate evaporator,
In the plate type evaporator, by heat conduction from the combustor, water is converted into steam and fuel and steam are supplied to the fuel inlet of the fuel cell stack,
A plurality of composite pipes arranged around the outer periphery of the fuel cell stack and composed of an outer pipe and an inner pipe are provided, and one end of the inner pipe communicates with a hot air discharge port from the combustor, Communicating one end of the tube with the air inlet of the fuel cell stack,
The air introduced from the other end of the outer tube is heated by the hot air flowing through the inner tube, and flows into the fuel cell stack.
A fuel cell power generation module.
該複合管が内管と外管と中間管とから構成され、
該内管で再生利用水を供給し、該外管で再生利用燃料を供給し、前記中間管で外部から補充する燃料を供給することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池発電モジュール。 A composite pipe is provided for supplying the recycled fuel and water separated by the steam separator to the plate evaporator,
The composite pipe is composed of an inner pipe, an outer pipe, and an intermediate pipe,
2. The fuel cell power generation module according to claim 1, wherein recycled water is supplied from the inner pipe, recycled fuel is supplied from the outer pipe, and fuel supplemented from the outside is supplied from the intermediate pipe.
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