JPH07135014A - 高温型燃料電池 - Google Patents

高温型燃料電池

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JPH07135014A
JPH07135014A JP5283237A JP28323793A JPH07135014A JP H07135014 A JPH07135014 A JP H07135014A JP 5283237 A JP5283237 A JP 5283237A JP 28323793 A JP28323793 A JP 28323793A JP H07135014 A JPH07135014 A JP H07135014A
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正道 一本松
Hiroichi Sasaki
博一 佐々木
Masaji Otoshi
正司 大歳
Minoru Suzuki
稔 鈴木
Tadayuki Sogi
忠幸 曽木
Atsuko Kajimura
敦子 梶村
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    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 セルの集合体を収納した発電部14に導入す
る冷却媒体を予熱するための予熱器12が、切替時間が
1分以内の蓄熱式熱交換器である高温型燃料電池。 【効果】 本発明の高温型燃料電池においては、冷却媒
体を予熱する熱交換器の大きさと価格が大幅に減少する
ため、高温型燃料電池の設置性と経済性とが飛躍的に向
上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、固体電解質燃料電池
(SOFC)、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)など
の作動温度が600℃以上の高温型燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】作動温度
が600℃以上の高温型燃料電池を冷却するには、空気
や燃料などを冷却媒体として用い、これを所定の温度ま
で予熱してセル内またはセルの集合体を収納した発電部
内に導入している。従来、この予熱は、シェルアンドチ
ューブ式熱交換器(多管式熱交換器)を用いて、高温の
排出ガス(セルから出たガス)と冷却媒体との間の熱交
換により行なっていた。
【0003】このような高温型燃料電池の冷却を行なう
場合、セル内または発電部内の温度分布をできるだけ均
一に保つ必要があるため、冷却媒体のセルまたは発電部
への入口温度と出口温度との温度差を大きくすることが
できない。(多くの場合、200度以下にしなければな
らない。)そのため、高温型燃料電池の作動温度近くま
で冷却媒体を予熱しなければならず、冷却能力を維持す
るには、冷却媒体の流量を大きくする必要がある。この
ように冷却媒体の流量を大きくすると、排出ガスと冷却
媒体との間の熱交換量も大きくしなければならず、大き
な熱交換器が必要となり、コスト的にもスペース的にも
大きな問題となっていた。
【0004】本発明の課題は、熱交換能力を維持しなが
ら熱交換器の大きさを小さくし得て、経済性と設置性が
向上した高温型燃料電池を提供する処にある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の高温型燃料電池
は、セルの集合体を収納した発電部に導入する冷却媒体
を予熱するための予熱器が、切替時間が1分以内の蓄熱
式熱交換器である。
【0006】この蓄熱式熱交換器の蓄熱材はセラミック
ハニカムであるのが好ましい。
【0007】また、冷却媒体は空気であっても燃料であ
ってもよい。
【0008】さらにまた、蓄熱式熱交換器と発電部との
間に、冷却媒体の温度の変動を緩和する温度緩和室を設
けることが好ましい。
【0009】
【作 用】本発明においては、切替時間が1分以内の蓄
熱式熱交換器を用いて高温の排出ガス(セルから出たガ
ス)と発電部に導入される冷却媒体との間の熱交換を行
なっているため、小型の熱交換器で効率的に熱交換する
ことができる。すなわち、蓄熱材を収納した蓄熱槽が2
槽ある蓄熱式熱交換器の場合、高温の排出ガスにより一
方の蓄熱材を短時間(1分以内)加熱した後、冷却媒体
がこの蓄熱材を通過するように排出ガスラインと冷却媒
体ラインとを瞬時に切替えると(この切替えにより排出
ガスは他方の蓄熱材を通過することになる)、蓄熱材に
蓄えられた熱は冷却媒体に短時間(1分以内)で移動し
て冷却媒体が予熱される。この切替えを短時間(1分以
内)で繰返すと、小容量の蓄熱材でも熱交換量が大きく
なる。
【0010】切替時間を短くするほど蓄熱式熱交換器を
小型化できるが、切替弁あるいは切替バルブの信頼性の
面からすると、1秒が下限である。しかし、コスト的に
高価となるため、通常は20秒以上とする。
【0011】蓄熱式熱交換器の蓄熱材としては、セラミ
ックハニカム、レンガ、セラミックボールなどが挙げら
れるが、抵抗が小さく圧損の少ないことや壊れにくいこ
とから、セラミックハニカムが好ましい。
【0012】また、蓄熱式熱交換器と発電部との間に冷
却媒体の温度の変動を緩和する温度緩和室を設けると、
切替時に瞬間的に冷却媒体に温度変動が生じても、発電
部に導入される前に変動が緩和されて安定した温度の冷
却媒体を発電部に導入することができる。この温度緩和
室に蓄熱材を収納すると、より一層温度を安定化するこ
とができる。
【0013】
【実施例】図1は、本発明の高温型燃料電池の一実施例
における予熱器である蓄熱式熱交換器を示している。
【0014】この蓄熱式熱交換器12は、蓄熱材である
セラミックハニカム(図示せず)を収納した2槽の蓄熱
槽A,Bとその周囲に設けた断熱材(図示せず)とで構
成されている。
【0015】セルの集合体(図示せず)を収納した発電
部14と蓄熱槽Aとは排出ガスライン16で結ばれてお
り、セルから出た高温の排出ガスはこの排出ガスライン
16を通って蓄熱槽Aに入る。ここで蓄熱槽A内のセラ
ミックハニカムを加熱し、温度の下がった排出ガスは排
出ガスライン18を通って蓄熱式熱交換器12の外に出
る。排出ガスライン16の途中には切替弁20が設けら
れており、ここから蓄熱槽Bまで排出ガスバイパスライ
ン22が伸びている。排出ガスライン18の途中にも切
替弁24が設けられており、蓄熱槽Bとこの切替弁24
とは排出ガスバイパスライン26で結ばれている。
【0016】蓄熱槽Bには、冷却媒体ライン28を通っ
て冷却媒体が導入される。冷却媒体は、この蓄熱槽Bで
加熱された後、蓄熱槽Bと温度緩和室30とを結ぶ冷却
媒体ライン32を通って温度緩和室30に入る。温度緩
和室30を出た冷却媒体は冷却媒体ライン34を通って
発電部14に導入される。冷却媒体ライン28の途中に
は切替弁36が設けられており、ここから蓄熱槽Aまで
冷却媒体バイパスライン38が伸びている。冷却媒体ラ
イン32の途中にも切替弁40が設けられており、蓄熱
槽Aとこの切替弁40とは冷却媒体バイパスライン42
で結ばれている。
【0017】このような構成の蓄熱式熱交換器12の作
動を以下に説明する。
【0018】排出ガスを蓄熱槽Aに短時間(1分以内)
導入すると同時に冷却媒体を蓄熱槽Bに導入した後、切
替弁20,24,36,40を瞬時に切替える。する
と、発電部14を出た高温の排出ガスは排出ガスバイパ
スライン22を通って蓄熱槽Bに入り、ここで蓄熱槽B
内のセラミックハニカムを加熱した後、排出ガスバイパ
スライン26と排出ガスライン18を通って蓄熱式熱交
換器12の外に出る。一方、冷却媒体は冷却媒体バイパ
スライン38を通って蓄熱槽Aに入り、ここで加熱され
た後、冷却媒体バイパスライン42と冷却媒体ライン3
2を通って温度緩和室30に入る。短時間(1分以内)
経過後、再び切替弁20,24,36,40を瞬時に切
替えると、排出ガスは蓄熱槽Aに導かれてセラミックハ
ニカムを加熱し、冷却媒体は蓄熱槽Bに導かれて加熱さ
れる。このようにして切替弁20,24,36,40の
切替えを繰返すことにより、セラミックハニカムを介し
て排出ガスと冷却媒体との間で熱交換が円滑に行なわれ
る。また、切替時間を短時間(1分以内)にしているの
で、セラミックハニカムが小容量であっても、熱交換量
は大きくなる。
【0019】なお、蓄熱槽Bと発電部14との間に、セ
ラミックハニカム(図示せず)を収納した温度緩和室3
0を設けているので、切替時に瞬間的に冷却媒体に温度
変動が生じても、この温度緩和室30で変動が緩和され
て安定した温度の冷却媒体を発電部14に導入すること
ができる。
【0020】図2と図3は、本発明の実施例の固体電解
質燃料電池を示しており、特に図2は空気を冷却媒体と
する場合、図3は燃料を冷却媒体とする場合を示す。
【0021】図2の固体電解質燃料電池においては、発
電部14に収納された単位セル(図示せず)は空気極側
から空気によって冷却されている。従って、発電部14
に導入される空気と発電部14から出た排出ガスとの間
で熱交換が行なわれる。
【0022】蓄熱式熱交換器12の大きさは30cm×
60cm×50cm程度であり、切替時間は30秒であ
る。空気流量は1,800Nm/時間であり、熱交換
量は252,000Kcalである。蓄熱式熱交換器1
2に入る空気は室温であり、発電部14に入る直前では
700℃、単位セル内への吹出し部分では900℃とな
る。発電部14から出た排出ガスは1,100℃であ
り、この温度で蓄熱式熱交換器12に入り、400℃で
出てくる。このようなシステムの固体電解質燃料電池の
出力は200KWである。
【0023】比較例として従来のシェルアンドチューブ
式熱交換器を用いると、同様の熱交換能力を得るために
は、直径が80cmで高さが100cmといった約6倍
の大きさが必要であり、高価な耐熱鋼の使用量も多いた
めに価格も約10倍となる。
【0024】図3の固体電解質燃料電池においては、発
電部14に収納された単位セル(図示せず)は燃料極側
から燃料によって冷却されている。従って、発電部14
に導入される燃料と発電部14から出た排出ガスとの間
で熱交換が行なわれる。また、この固体電解質燃料電池
においては、発電の際の燃料利用率を下げて、発電部1
4から出た排出ガスをリサイクルしている。すなわち、
例えば、排出ガスに脱硫した都市ガスを混合した後、断
熱改質、CO変成、脱水、脱炭酸、水分添加などを行な
って燃料とし(図において半線で示した経路でこれらの
ことが行なわれる。)、これを蓄熱式熱交換器12で予
熱する。
【0025】蓄熱式熱交換器12の大きさは20cm×
20cm×30cm程度であり、切替時間は30秒であ
る。ガス流量は1,200Nm/時間であり、熱交換
量は84,000Kcalである。蓄熱式熱交換器12
に入る燃料は500℃であり、発電部14に入る直前で
は800℃となる。発電部14から出た排出ガスは1,
000℃であり、この温度で蓄熱式熱交換器12に入
り、700℃で出てくる。このようなシステムの固体電
解質燃料電池の出力は200KWである。
【0026】比較例として従来のシェルアンドチューブ
式熱交換器を用いると、同様の熱交換能力を得るために
は、直径が30cmで高さが60cmといった約3倍の
大きさが必要であり、高価な耐熱鋼の使用量も多いため
に価格も約5倍となる。
【0027】なお、図2と図3のいずれの固体電解質燃
料電池においても、切替弁を切替えた直後に熱交換ガス
相互間の混合がわずかに発生するが、図2の場合には熱
交換されるガスはいずれも酸化性ガスであり、図3の場
合にはいずれも還元性ガスである。従って、どちらの場
合も、熱交換されるガス同士は大筋では同一組成のガス
なので、微少量の混合は燃料電池の性能に影響ない。
【0028】また、上記の実施例においては、蓄熱槽を
2槽設けた蓄熱式熱交換器を用いたが、蓄熱槽を3槽以
上設けてこれらを順次切替えるようにした蓄熱式熱交換
器を用いてもよい。
【0029】
【発明の効果】本発明の高温型燃料電池においては、冷
却媒体を予熱する熱交換器の大きさと価格が大幅に減少
するため、高温型燃料電池の設置性と経済性とが飛躍的
に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に用いる蓄熱式熱交換器の一実施例を示
す概略図である。
【図2】本発明の高温型燃料電池の一実施例を示す概略
図である。
【図3】本発明の高温型燃料電池の他の実施例を示す概
略図である。
【符号の説明】
12 蓄熱式熱交換器(予熱器) 14 発電部 16,18 排出ガスライン 22,26 排出ガスバイパスライン 28,32,34 冷却媒体ライン 30 温度緩和室 38,42 冷却媒体バイパスライン 20,24,36,40 切替弁 A,B 蓄熱槽
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 稔 大阪市中央区平野町四丁目1番2号 大阪 瓦斯株式会社内 (72)発明者 曽木 忠幸 大阪市中央区平野町四丁目1番2号 大阪 瓦斯株式会社内 (72)発明者 梶村 敦子 草津市草津2丁目5−12−904

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 セルの集合体を収納した発電部に導入す
    る冷却媒体を予熱するための予熱器が、切替時間が1分
    以内の蓄熱式熱交換器である高温型燃料電池。
  2. 【請求項2】 蓄熱式熱交換器の蓄熱材がセラミックハ
    ニカムであることを特徴とする請求項1記載の高温型燃
    料電池。
  3. 【請求項3】 冷却媒体が空気または燃料であることを
    特徴とする請求項1または2に記載の高温型燃料電池。
  4. 【請求項4】 蓄熱式熱交換器と発電部との間に、冷却
    媒体の温度の変動を緩和する温度緩和室を設けたことを
    特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の高温型
    燃料電池。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008110325A (ja) * 2006-10-31 2008-05-15 Nippon Steel Corp 酸素分離装置
JP2014017076A (ja) * 2012-07-06 2014-01-30 Miura Co Ltd 燃料電池システム

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008110325A (ja) * 2006-10-31 2008-05-15 Nippon Steel Corp 酸素分離装置
JP4714664B2 (ja) * 2006-10-31 2011-06-29 新日本製鐵株式会社 酸素分離装置
JP2014017076A (ja) * 2012-07-06 2014-01-30 Miura Co Ltd 燃料電池システム

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