WO2011125377A1 - 発電装置 - Google Patents

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直樹 内山
靖之 内山
正剛 中林
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株式会社アツミテック
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Definitions

  • the present invention relates to a power generation device for generating power by supplying fuel gas to a fuel electrode of a fuel cell.
  • a fuel cell is composed of a fuel electrode and an air electrode through an electrolyte. Power is generated by supplying fuel gas or the like to these.
  • a solid oxide fuel cell SOFC
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • a fuel electrode hydrogen electrode
  • an air electrode oxygen electrode
  • the solid oxide fuel cell can use not only hydrogen gas but also gas containing a large amount of carbon monoxide (for example, exhaust gas of a vehicle driven by an internal combustion engine such as an automobile) as fuel gas.
  • Such a solid oxide fuel cell is described in Patent Document 1.
  • the fuel electrode and the air electrode are exposed to separate chambers, and hydrogen and oxygen are supplied to each chamber.
  • a solid oxide fuel cell having such a structure is called a two-chamber type.
  • this two-chamber SOFC is installed in an exhaust gas pipe through which exhaust gas circulates, hydrogen is taken into the fuel electrode side using the flow of exhaust gas, and oxygen is introduced into the air electrode side chamber using a pump or the like. It was sent.
  • the air electrode may be exposed to the atmosphere, but it is preferable that the air electrode is disposed indoors from the viewpoint of protection of the air electrode. Therefore, there is a demand for a method of efficiently supplying oxygen in the air to the air electrode without requiring another air supply device in a state where the air electrode is disposed in the room.
  • the present invention provides a power generator capable of efficiently supplying oxygen in the air to the air electrode without requiring another air supply device in a state where the air electrode is disposed in the room.
  • a power generation apparatus using a fuel cell having a fuel electrode to which fuel gas is supplied and an air electrode to which air is supplied, the fuel gas pipe through which the fuel gas flows
  • a cover that forms an air flow path that extends along the fuel gas conduit between the passage and an outer wall of the fuel gas conduit and extends around the fuel gas conduit;
  • a power generator characterized by comprising:
  • the fuel electrode forms an inner tube
  • the cover forms an outer tube that forms a double tube structure with the inner tube
  • the outer tube is continuous with the inner tube
  • the fuel gas flows. It is fixed to the circulating fuel gas pipe.
  • the fuel gas is a vehicle exhaust gas.
  • the air outflow hole communicating with the fuel gas pipe line is provided on the downstream side of the air flow path, when the fuel gas is circulating at high speed in the fuel gas pipe line, Negative pressure is generated, and air in the air flow path flows out into the fuel gas pipe.
  • the flow of one direction arises in an air channel air can be efficiently supplied to an air electrode, and power generation efficiency can be improved.
  • the air flow is gentle using negative pressure, the fuel gas is not cooled by the air, and power generation at a high temperature can be achieved. Therefore, the power generation efficiency can be further improved.
  • the entire apparatus can be made compact.
  • the outer pipe since the outer pipe is fixed to the fuel gas pipes arranged at the front and rear in the fuel gas flow direction, the outer pipe may be formed of a material considering only strength. Therefore, deterioration by use can be prevented by making the material of the outer tube suitable.
  • the hydrocarbon gas in the exhaust gas can be used by using the fuel gas as the exhaust gas of the vehicle. Furthermore, the flow of the air by the negative pressure through an air outflow hole can also be formed using the speed of the flow velocity of exhaust gas.
  • a power generation device 1 includes a fuel cell 2, a fuel gas pipe 3, and an air flow path 4.
  • the fuel cell 2 includes a fuel electrode 5, an air electrode 6, and an electrolyte 7 that is in close contact therebetween.
  • the fuel electrode 5 is exposed to the fuel gas pipe 3.
  • the fuel electrode 5 is supplied with the fuel gas flowing in the direction of arrow B through the fuel gas pipe 3.
  • the air electrode 6 is exposed to the air flow path 4.
  • Air flowing through the air flow path 4 in the direction of arrow A is supplied to the air electrode 6.
  • the air electrode 6 reduces oxygen in the air, and the reduced oxygen ions pass through the electrolyte 7 and react with hydrogen in the fuel gas at the fuel electrode 5 to generate water.
  • the electrolyte 7 is, for example, a solid oxide.
  • the fuel cell 2 is a solid oxide fuel cell (SOFC).
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • exhaust gas it is preferable to use SOFC because it can withstand high temperatures, does not require a catalyst, and can be downsized due to its high output density.
  • exhaust gas it is preferable to provide a fuel reformer (not shown) upstream of the fuel electrode 5 in the fuel gas conduit 3. This fuel reformer is for converting hydrocarbons, water and the like in the exhaust gas into hydrogen, and improves the hydrogen concentration.
  • the fuel gas pipe 3 is formed by a hollow cylindrical inner pipe 8.
  • the air flow path 4 is separated from the fuel gas pipe line 3 via the peripheral wall 8a of the inner pipe 8, and is formed by being surrounded by a cover 9 that covers a part of the peripheral wall 8a. That is, the air flow path 4 is formed by the peripheral wall 8 a and the cover 9.
  • the cover 9 is provided with an air inflow hole 10 for introducing air into the air flow path 4. Therefore, in the air flow path 4, the air inflow hole 10 side becomes an upstream end.
  • An air outflow for communicating the air passage 4 and the fuel gas conduit 3 is communicated with the inner tube 8 on the downstream side of the air electrode 6 exposed in the air passage 4 (the downstream end of the air passage 4 in the figure).
  • a hole 11 is provided.
  • the air outflow hole 11 communicating with the fuel gas pipe 3 is provided on the downstream side of the air flow path 4, when the fuel gas is flowing through the fuel gas pipe 3 at a high speed, the air outflow hole 11 is provided.
  • a negative pressure is generated, and the air in the air passage 4 flows out to the fuel gas pipe 3.
  • a one-way flow is generated in the air flow path 4, and air can be efficiently supplied to the air electrode 6. Therefore, power generation efficiency can be improved.
  • the air flow is gentle using negative pressure, the fuel gas is not cooled by the air, and power generation at a high temperature can be achieved. Therefore, the power generation efficiency can be further improved.
  • the cover 9 may have a hollow cylindrical shape having a diameter larger than that of the inner tube 8, and a double tube structure together with the inner tube 8 may be a so-called tube type.
  • the cover 9 is an outer tube with respect to the inner tube 8.
  • An air flow path 4 is formed between the inner pipe 8 and the outer pipe 9, and both end surfaces of the air flow path 4 are closed with lids 13.
  • An air outflow hole 11 that penetrates the lid 13 in the longitudinal direction of the tubes 8 and 9 is formed in the lid 13 on the downstream side of the air flow path 4.
  • the tube-type power generator 1 having a double-pipe structure is disposed in the middle of the fuel gas pipe 12 through which the fuel gas flows.
  • the fuel gas pipe 3 is formed by an inner pipe 8 and a fuel gas pipe 12 extending continuously from the inner pipe 8 to both sides.
  • the outer tube 9 is fixed to the fuel gas tube 12 at both ends thereof.
  • the fuel electrode 5 also serves as the inner tube 8. That is, the fuel electrode 5 is formed in a hollow cylindrical shape and forms the fuel gas conduit 3.
  • the central hole 13a formed in the tubular lid 13 also forms a part of the inner tube 8.
  • the entire apparatus can be made compact.
  • the outer tube 9 since the fuel pipe is circulated through the inner tube 8 and the air is circulated through the outer tube 9, the entire apparatus can be made compact. Further, since the outer tube 9 is fixed to the fuel gas tube 12 arranged at the front and rear in the fuel gas flow direction, the outer tube 9 may be formed of a material considering only strength. Therefore, deterioration by use can be prevented by making the material of the outer tube suitable. As a material of the outer tube 9, for example, metal, high-strength ceramic, or the like can be used. A plurality of air inlets 10 provided in the outer tube (cover) 9 may be provided. Thereby, a lot of air can be introduced into the air flow path 4, and the air can be efficiently supplied to the air electrode 6.

Abstract

燃料ガスが供給される燃料極（５）と空気が供給される空気極（６）とを有する燃料電池（２）を用いた発電装置（１）であって、前記燃料ガスが流通する燃料ガス管路（３）と、該燃料ガス管路（３）の外側を覆い、前記燃料ガス管路（３）の周壁（８ａ）との間に前記燃料ガス管路（３）に沿って延びる空気流路（４）を形成するカバー（９）と、前記カバー（９）に形成され、前記空気流路（４）に空気を流入させるための空気流入孔（１０）と、前記空気流路（４）に露出した前記空気極よりも下流側に設けられ、前記燃料ガス管路（３）と前記空気流路（４）とを互いに連通させる空気流出孔（１１）とを備えた。

Description

発電装置
　本発明は、燃料ガスを燃料電池の燃料極に供給して発電するための発電装置に関する。
　燃料電池は、電解質を介した燃料極及び空気極からなっている。これらに燃料ガス等を供給して発電が行われる。特に固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体酸化物からなる電解質に燃料極（水素極）と空気極（酸素極）とを接合等したものである。燃料極に燃料ガスを、空気極に空気等をそれぞれ供給することにより、高出力の電力を発生することができる。また、固体酸化物型燃料電池は、水素ガスだけでなく、一酸化炭素を多量に含むガス（例えば自動車等の内燃機関により駆動する車両の排ガス）も燃料ガスとして使用できる。
　このような固体酸化物型燃料電池が特許文献１に記載されている。この電池は、燃料極と空気極とが別々の室にさらされていて、それぞれの室にて水素及び酸素を供給されている。このような構造の固体酸化物型燃料電池は２室型といわれる。この２室型のＳＯＦＣを排気ガスが流通する排ガス管に設置した場合、燃料極側には排ガスの流れを利用して水素が取り込まれ、空気極側の室内にはポンプ等を用いて酸素が送り込まれていた。
　しかしながら、空気極に空気中の酸素を供給するためにポンプ等を用いることは、装置が大型化するため好ましくない。このポンプ等を省略するために、空気極を大気にさらしてもよいが、空気極の保護の観点から、空気極は室内に配置した方が好ましい。したがって、空気極を室内に配置した状態で、他の空気供給装置を必要としないで効率よく空気極に空気中の酸素を供給する方法が望まれている。
特開２０００－１５６２３９号公報
　本発明は、空気極を室内に配置した状態で、他の空気供給装置を必要とせずに効率よく空気極に対して空気中の酸素を供給することができる発電装置を提供する。
　前記目的を達成するため、本発明では、燃料ガスが供給される燃料極と空気が供給される空気極とを有する燃料電池を用いた発電装置であって、前記燃料ガスが流通する燃料ガス管路と、該燃料ガス管路の外側を覆い、前記燃料ガス管路の周壁との間に前記燃料ガス管路に沿って延びる空気流路を形成するカバーと、前記カバーに形成され、前記空気流路に空気を流入させるための空気流入孔と、前記空気流路に露出した前記空気極よりも下流側に設けられ、前記燃料ガス管路と前記空気流路とを互いに連通させる空気流出孔とを備えたことを特徴とする発電装置を提供する。
　好ましくは、前記燃料極で内管を形成し、前記カバーは前記内管とともに二重管構造を形成する外管を形成し、該外管は、前記内管と連続して、前記燃料ガスが流通する燃料ガス管に固定されている。
　好ましくは、前記空気流入口が複数個形成されている。
　好ましくは、前記燃料ガスは、車両の排ガスである。
　本発明によれば、空気流路の下流側に燃料ガス管路と連通する空気流出孔が備わるため、燃料ガス管路内を燃料ガスが高速で流通している場合、空気流出孔を介して負圧が生じ、空気流路の空気が燃料ガス管路に流出する。これにより、空気流路に一方向の流れが生じ、空気極に効率よく空気を供給することができ、発電効率を向上させることができる。また、この空気の流れは負圧を利用した緩やかなものであるため、空気によって燃料ガスが冷やされることはなく、高温での発電を可能にできる。したがって、さらに発電効率を向上させることができる。
　また、本発明によれば、内管に燃料ガスを流通させ、外管に空気を流通させる二重管構造とするため、装置全体としてコンパクトにすることができる。また、外管が燃料ガスの流通方向における前後に配置された燃料ガス管に固定されているため、外管は強度のみを考慮した材質で形成すればよい。したがって、外管の材質を適したものにすることで、使用による劣化を防止することができる。
　また、本発明によれば、空気流入口が複数個形成されているため、多くの空気を空気流路に導入することができ、空気極に効率よく空気を供給することができる。
　また、本発明によれば、燃料ガスを車両の排ガスとすることで、排ガス中の炭化水素等を利用できる。さらには排ガスの流速の速さを利用して、空気流出孔を介した負圧による空気の流れも形成できる。
本発明に係る発電装置の概略断面図である。 本発明に係る別の発電装置の概略断面図である。
　図１に示すように、本発明に係る発電装置１は、燃料電池２と、燃料ガス管路３と、空気流路４とを備えている。燃料電池２は、燃料極５と空気極６、及びこれらの間に密着している電解質７とを有している。燃料極５は、燃料ガス管路３に露出している。燃料極５には、燃料ガス管路３を矢印Ｂ方向に流れている燃料ガスが供給される。空気極６は、空気流路４に露出している。空気極６には、空気流路４を矢印Ａ方向に流れている空気が供給される。これにより、空気極６は空気中の酸素を還元し、還元された酸素イオンが電解質７を通り、燃料極５で燃料ガス中の水素と反応して水を生成する。このとき、燃料極５で生じた電子が回路（不図示）を移動して、空気極６で再び酸素をイオン化するとともに、回路に電流が流れて発電される。電解質７は、例えば固体酸化物である。このような固体酸化物を用いた場合、燃料電池２は固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）となる。特に、燃料ガスとして排ガスを利用する場合は、高温に耐えられ、触媒が不要であり、出力密度の高さから小型化できるため、ＳＯＦＣを用いることが好ましい。また、同様に燃料ガスとして排ガスを用いる場合、燃料ガス管路３の燃料極５よりも上流側に燃料改質材（不図示）を設けておくことが好ましい。この燃料改質材は、排ガス中の炭化水素や水等を水素に変換するためのものであり、水素濃度を向上させるものである。
　燃料ガス管路３は中空円筒状の内管８で形成されている。空気流路４は内管８の周壁８ａを介して燃料ガス管路３と隔てられ、周壁８ａの一部を覆うカバー９で囲まれて形成されている。すなわち、空気流路４は周壁８ａとカバー９にて形成されている。カバー９には、空気を空気流路４に導入させるための空気流入孔１０が設けられている。したがって、空気流路４においては空気流入孔１０側が上流端となる。空気流路４に露出する空気極６よりも下流側（図では空気流路４の下流端）における内管８には、空気流路４と燃料ガス管路３とを連通させるための空気流出孔１１が設けられている。
　このように、空気流路４の下流側に燃料ガス管路３と連通する空気流出孔１１が備わるため、燃料ガス管路３を燃料ガスが高速で流通している場合、空気流出孔１１を介して負圧が生じ、空気流路４の空気が燃料ガス管路３に流出する。これにより、空気流路４に一方向の流れが生じ、空気極６に効率よく空気を供給することができる。したがって、発電効率を向上させることができる。また、この空気の流れは負圧を利用した緩やかなものであるため、空気によって燃料ガスが冷やされることはなく、高温での発電を可能にできる。したがって、さらに発電効率を向上させることができる。空気の流れがゆるやかであっても、空気中には約２１％の酸素が存在しているため、空気極に対する酸素の供給量に関して問題はない。また、燃料ガスとして車両の排ガスを利用した場合は、排ガスの流速の速さを利用して、空気流出孔１１を介した負圧による空気の流れも容易に形成できる。この場合、燃料極５には排ガス中の炭化水素等が供給される。
　図２に示すように、カバー９を内管８よりも径が大きい中空円筒状とし、内管８とともに二重管構造とし、いわゆるチューブ型としてもよい。この場合、カバー９は内管８に対して外管となる。内管８と外管９との間に空気流路４が形成され、この空気流路４の両端面は蓋１３で塞がれている。空気流路４における下流側の蓋１３に、この蓋１３を管８、９の長手方向に貫通する空気流出孔１１が形成されている。このように、二重管構造を有するチューブ型の発電装置１は、燃料ガスが流通する燃料ガス管１２の途中に配設される。すなわち、燃料ガス管路３は、内管８と、この内管８と連続して両側に延びている燃料ガス管１２とで形成されている。外管９は、その両端部において燃料ガス管１２に固定されている。図の場合、燃料極５が内管８を兼ねている。すなわち、燃料極５は中空円筒状に形成され、燃料ガス管路３を形成している。なお、管状の蓋１３に形成された中心孔１３ａも内管８の一部を形成している。
　このように、内管８に燃料ガスを流通させ、外管９に空気を流通させる二重管構造とするため、装置全体としてコンパクトにすることができる。また、外管９が燃料ガスの流通方向における前後に配置された燃料ガス管１２に固定されるため、外管９は強度のみを考慮した材質で形成すればよい。したがって、外管の材質を適したものにすることで、使用による劣化を防止することができる。外管９の材質としては、例えば、金属や高強度のセラミック等を利用できる。なお、外管（カバー）９に設ける空気流入口１０を複数個設けてもよい。これにより、多くの空気を空気流路４に導入することができ、空気極６に効率よく空気を供給することができる。
１　発電装置
２　燃料電池
３　燃料ガス管路
４　空気流路
５　燃料極
６　空気極
７　電解質
８　内管
８ａ　周壁
９　カバー（外管）
１０　空気流入孔
１１　空気流出孔
１２　燃料ガス管
１３　蓋
１３ａ　中心孔

Claims (4)

  1. 　燃料ガスが供給される燃料極と空気が供給される空気極とを有する燃料電池を用いた発電装置であって、
    　前記燃料ガスが流通する燃料ガス管路と、
    　該燃料ガス管路の外側を覆い、前記燃料ガス管路の周壁との間に前記燃料ガス管路に沿って延びる空気流路を形成するカバーと、
    　前記カバーに形成され、前記空気流路に空気を流入させるための空気流入孔と、
    　前記空気流路に露出した前記空気極よりも下流側に設けられ、前記燃料ガス管路と前記空気流路とを互いに連通させる空気流出孔とを備えたことを特徴とする発電装置。
  2. 　前記燃料極で内管を形成し、
    　前記カバーは前記内管とともに二重管構造を形成する外管を形成し、
    　該外管は、前記内管と連続して、前記燃料ガスが流通する燃料ガス管に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
  3. 　前記空気流入口が複数個形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
  4. 　前記燃料ガスは、車両の排ガスであることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
PCT/JP2011/053678 2010-04-07 2011-02-21 発電装置 WO2011125377A1 (ja)

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US13/640,240 US8524417B2 (en) 2010-04-07 2011-02-21 Electricity-generation device
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