JP2009129701A - Fuel cell module - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池セル内の温度分布を均一化して、その発電効率を向上せしめることのできる燃料電池モジュールの提供を目的とする。
【解決手段】導入ガスの流路に沿って電気化学反応を生じせしめて発電を行う燃料電池セルを複数含む燃料電池モジュールである。かかる燃料電池セルは導入ガスの流路を互いに平行とするように配置されている。ここで、燃料電池セルのうちの第１及び第２はそれぞれの導入ガス流路内の流れ方向を互いに逆とし、流路に沿った熱の授受が可能となるように配置されている。
【選択図】図４
An object of the present invention is to provide a fuel cell module capable of making the temperature distribution in the fuel cell uniform and improving the power generation efficiency.
A fuel cell module including a plurality of fuel cells that generate electric power by generating an electrochemical reaction along a flow path of an introduced gas. Such fuel cells are arranged so that the flow paths of the introduced gas are parallel to each other. Here, the first and second fuel cells are arranged so that the flow directions in the respective introduced gas flow paths are opposite to each other so that heat can be transferred along the flow paths.
[Selection] Figure 4
Description
本発明は複数の燃料電池セルを含む燃料電池モジュールに関し、特に導入ガスの流路に沿って電気化学反応を生じせしめて発電を行う燃料電池セルを複数含む燃料電池モジュールに関する。 The present invention relates to a fuel cell module including a plurality of fuel cells, and more particularly to a fuel cell module including a plurality of fuel cells that generate an electric power by causing an electrochemical reaction along a flow path of an introduced gas.
固体酸化物形燃料電池セル（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ ＦＵＥＬ ＣＥＬＬ：以下、ＳＯＦＣと称する。）は、酸素イオン伝導性を有する固体酸化物からなる電解質を電極セパレータに用いた燃料電池セルである。詳細には、ジルコニアなどの電解質を挟んで多孔質材料からなる燃料極（アノード）及び空気極（カソード）が対向して設けられる。ここで空気極側には酸化剤ガスとしての空気が供給される。空気極において電子を受け取った空気中の酸素原子は、酸素イオンとなって電解質を燃料極側へ移動する。この酸素イオンは、燃料極の表面を流れる燃料ガス（水素及び一酸化炭素）と反応して電子を放出する。かかる電気化学反応は以下の如きである。
空気極：１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−
燃料極：Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−
A solid oxide fuel cell (Solid Oxide FUEL CELL: hereinafter referred to as SOFC) is a fuel cell using an electrolyte made of a solid oxide having oxygen ion conductivity as an electrode separator. Specifically, a fuel electrode (anode) and an air electrode (cathode) made of a porous material are provided to face each other with an electrolyte such as zirconia interposed therebetween. Here, air as an oxidant gas is supplied to the air electrode side. Oxygen atoms in the air that have received electrons at the air electrode become oxygen ions and move the electrolyte to the fuel electrode side. The oxygen ions react with the fuel gas (hydrogen and carbon monoxide) flowing on the surface of the fuel electrode to emit electrons. Such an electrochemical reaction is as follows.
Air electrode: 1 / 2O 2 + 2e − → O 2−
Fuel electrode: H 2 + O 2− → H 2 O + 2e −
CO + O 2− → CO 2 + 2e −
ここで、燃料極側に導入される水素及び一酸化炭素などの燃料ガスは、燃料電池セルの外部に設けられた改質器によって、石油、石炭、天然ガスなどの原燃料から生成される。例えば、主に炭化水素からなる原燃料ガスに水蒸気を混合して触媒下で反応させると、以下の反応が生じる。
ＣｎＨｍ＋ｎＨ２Ｏ→ｎＣＯ＋（ｎ＋（ｍ／２））Ｈ２
かかる水蒸気改質反応において、改質器を別個に設けることなく、燃料電池セル内部の燃料極上で原燃料ガスを燃料ガスに改質する直接内部改質法が知られている。
Here, fuel gas such as hydrogen and carbon monoxide introduced to the fuel electrode side is generated from raw fuel such as petroleum, coal, and natural gas by a reformer provided outside the fuel cell. For example, when the raw fuel gas mainly composed of hydrocarbon is mixed with water vapor and reacted under a catalyst, the following reaction occurs.
C n H m + nH 2 O → nCO + (n + (m / 2)) H 2
In such a steam reforming reaction, a direct internal reforming method is known in which a raw fuel gas is reformed into a fuel gas on the fuel electrode inside the fuel cell without providing a separate reformer.
ところで、炭化水素から水素及び一酸化炭素などの燃料ガスを得る上記した水蒸気改質反応は吸熱反応である。よって直接内部改質法を利用する燃料電池セルでは、燃料極の熱が水蒸気改質反応によって奪われてしまって、燃料電池セル内の温度が局部的に低下してしまうのである。かかる温度変動は、電池性能の劣化の原因となっている。 By the way, the above-described steam reforming reaction for obtaining fuel gas such as hydrogen and carbon monoxide from hydrocarbon is an endothermic reaction. Therefore, in the fuel cell using the direct internal reforming method, the heat of the fuel electrode is taken away by the steam reforming reaction, and the temperature inside the fuel cell is locally reduced. Such temperature fluctuations cause deterioration of battery performance.
例えば特許文献１は、燃料極の表面の一部若しくは全部をガス拡散層で覆った直接内部改質型の燃料電池セルを開示している。直接内部改質型の燃料電池セルでは、原燃料ガスの入口近傍において吸熱反応である水蒸気改質反応が特に急激に進むので温度の低下を生じるのである。一方、原燃料ガスの水蒸気改質反応に対して触媒活性を有しない物質からなるガス拡散層を設けることで、原燃料ガスの燃料極への到達量を部分的に調整することができる。よって、燃料極に沿った水蒸気改質反応を均一にして温度分布の発生を低減し、固体電解質中の酸素イオンの伝導度を均一化出来ると述べている。すなわち、燃料電池セルの内部の温度変動を低減して電池性能の劣化を防止することができるのである。 For example, Patent Document 1 discloses a direct internal reforming fuel cell in which part or all of the surface of the fuel electrode is covered with a gas diffusion layer. In the direct internal reforming fuel cell, the steam reforming reaction, which is an endothermic reaction, proceeds particularly rapidly in the vicinity of the inlet of the raw fuel gas, resulting in a decrease in temperature. On the other hand, by providing a gas diffusion layer made of a material having no catalytic activity for the steam reforming reaction of the raw fuel gas, the amount of the raw fuel gas reaching the fuel electrode can be partially adjusted. Therefore, it is stated that the steam reforming reaction along the fuel electrode can be made uniform, the occurrence of temperature distribution can be reduced, and the conductivity of oxygen ions in the solid electrolyte can be made uniform. That is, the temperature fluctuation inside the fuel battery cell can be reduced to prevent the battery performance from deteriorating.
また、特許文献２においても、特許文献１と同様に、直接内部改質型の燃料電池セルにおける水蒸気改質反応による内部温度の部分的な低下を原因とした電池性能の劣化について述べられている。ここでは、燃料極に担持されている触媒量を変化せしめることで燃料極に沿った水蒸気改質反応の反応速度を調整している。つまり、燃料電池セルの内部の温度変動を低減して、電流密度分布が均一化されるのである。
ところで、直接内部改質型の燃料電池セルにおける水蒸気改質反応の反応速度は、原燃料ガスの種類、量、流入温度、また、これに混合される水蒸気量、燃料電池セルの内部温度に影響を受ける。更に、かかる反応は、一般に触媒の存在下で行われるため、特に内部温度や触媒の被毒の状況によって大きく影響されるのである。 By the way, the reaction rate of the steam reforming reaction in the direct internal reforming type fuel cell influences the type, amount and inflow temperature of the raw fuel gas, the amount of water vapor mixed therein, and the internal temperature of the fuel cell. Receive. Furthermore, since this reaction is generally carried out in the presence of a catalyst, it is greatly influenced by the internal temperature and the poisoning situation of the catalyst.
一方、特許文献１や２に開示の方法では、例えば、ガス拡散層や触媒量を上記したような影響因子に対して状況に合わせて変化させることは困難であって、動的な対処ができない。 On the other hand, in the methods disclosed in Patent Documents 1 and 2, for example, it is difficult to change the gas diffusion layer and the amount of the catalyst according to the situation with respect to the influencing factors as described above, and dynamic countermeasures cannot be performed. .
本発明は上記したような状況に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、燃料電池セル内の温度分布を均一化して、その発電効率を向上せしめることのできる燃料電池モジュールの提供を目的とする。 The present invention has been made in view of the above situation. That is, an object of the present invention is to provide a fuel cell module that can make the temperature distribution in the fuel cells uniform and improve the power generation efficiency.
本発明による燃料電池モジュールは、導入ガスの流路に沿って電気化学反応を生じせしめて発電を行う燃料電池セルを複数含む燃料電池モジュールであって、前記燃料電池セルは前記導入ガスの前記流路を互いに平行とするように配置され、前記流路内の前記導入ガスの流れ方向を互いに逆とする前記燃料電池セルのうちの第１及び第２は前記流路に沿った熱の授受が可能となるように配置されていることを特徴とする。 The fuel cell module according to the present invention is a fuel cell module including a plurality of fuel cells that generate an electric power by causing an electrochemical reaction along the flow path of the introduced gas, and the fuel cell includes the flow of the introduced gas. The first and second of the fuel cells that are arranged so that the paths are parallel to each other and the flow directions of the introduced gas in the flow path are opposite to each other, transfer heat along the flow path. It is arranged to be possible.
かかる燃料電池モジュールでは、燃料電池セルの燃料極に導入される導入ガスの流路に沿って形成されようとする温度勾配が、第１及び第２の燃料電池セルにおいて互いにほぼ対称であって１８０度向きを異にするため、動的に打ち消されるのである。故に、例えば水蒸気改質反応などによって生じる燃料電池セル内の温度分布を動的に均一化し得るのである。つまり、電解質中の酸素イオンの伝導度及び燃料電池セルの電流密度について動的に均一化し得るのである。さらに、電極の面内起電力を均一化し、発電に寄与しない迷走電流を抑制できるのである。すなわち、発電効率を向上せしめることができるのである。 In such a fuel cell module, the temperature gradient to be formed along the flow path of the introduced gas introduced into the fuel electrode of the fuel cell is substantially symmetric with respect to the first and second fuel cells 180. Because the direction is different, it is dynamically canceled out. Therefore, for example, the temperature distribution in the fuel cell generated by the steam reforming reaction or the like can be dynamically made uniform. That is, the oxygen ion conductivity in the electrolyte and the current density of the fuel cell can be made uniform dynamically. Furthermore, the in-plane electromotive force of the electrode can be made uniform, and stray current that does not contribute to power generation can be suppressed. That is, power generation efficiency can be improved.
本発明の実施例による燃料電池モジュールは、導入ガス流路に沿って電気化学反応を生じせしめて発電を行う燃料電池セルを複数含む。かかる燃料電池セルは燃料極に導入される導入ガス流路を互いに平行とするように配置されている。ここで燃料電池セルのうちの第１及び第２は導入ガス流路内の導入ガスの流れ方向を互いに逆とするとともに、導入ガス流路に沿った熱の授受を互いに可能となるように配置されている。 A fuel cell module according to an embodiment of the present invention includes a plurality of fuel cells that generate an electric power by causing an electrochemical reaction along an introduction gas flow path. Such fuel cells are arranged such that the introduction gas flow paths introduced into the fuel electrode are parallel to each other. Here, the first and second fuel cells are arranged so that the flow directions of the introduction gas in the introduction gas passage are opposite to each other and heat transfer along the introduction gas passage is possible. Has been.
ここで、燃料電池セルのうちの第１及び第２はその端部近傍同士において、導入ガス流路と垂直方向に伸びる伝熱体によって結合されている。かかる構成により、伝熱体によって結合された燃料電池セルのうちの第１及び第２の端部同士の温度差が低減される。つまり、燃料電池セルのうちの第１及び第２において、導入ガス流路に沿って形成されようとする温度勾配は、互いにほぼ対称であって１８０度向きを異にして打ち消しあうとともに、燃料電池モジュールの運転中における動的な変化も打ち消しあうのである。 Here, the first and second of the fuel cells are connected to each other in the vicinity of the end portions thereof by a heat transfer body extending in a direction perpendicular to the introduction gas flow path. With this configuration, the temperature difference between the first and second ends of the fuel cells coupled by the heat transfer body is reduced. That is, in the first and second of the fuel cells, the temperature gradients that are to be formed along the introduction gas flow path are substantially symmetrical with each other and cancel each other out in the direction of 180 degrees. It also cancels out dynamic changes during the operation of the module.
故に、例えば、炭化水素系の原燃料ガスを水素及び一酸化炭素に改質する水蒸気改質反応を電気化学反応とともに生じる燃料電池セル内の温度分布の如きであってもこれを動的に均一化し得るのである。すなわち、燃料電池セル内の電解質中の酸素イオンの伝導度及び電流密度について動的に均一化し得るのである。さらに、温度変化により生じる起電力変化を均一化し、発電に寄与しない迷走電流を抑制できるのである。つまり、かかる燃料電池セルを含む燃料電池モジュールの発電効率を向上せしめることができるのである。 Therefore, for example, a steam reforming reaction that reforms a hydrocarbon-based raw fuel gas into hydrogen and carbon monoxide together with an electrochemical reaction can be performed evenly even in the temperature distribution in the fuel cell. It can be converted. That is, the conductivity and current density of oxygen ions in the electrolyte in the fuel cell can be made uniform dynamically. Furthermore, the electromotive force change caused by the temperature change can be made uniform, and stray current that does not contribute to power generation can be suppressed. That is, the power generation efficiency of the fuel cell module including such fuel cells can be improved.
更に、１つの実施例において、上記した伝熱体に代えて、燃料電池セルの第１及び第２は伝熱板で仕切られており、導入ガス流路に沿った熱の授受が可能となるようにしてもよい。すなわち、伝熱板の一方の面には燃料電池セルの第１の温度勾配を反映した温度勾配が形成されようとするとともに、伝熱板の他方の面には燃料電池セルの第２の温度勾配を反映した温度勾配が形成されようとするのである。燃料電池セルの第１及び第２の温度勾配は互いにほぼ対称に生じようとするので、伝熱板上での温度勾配は動的に打ち消しあうとともに、燃料電池セルのうちの第１及び第２の導入ガス流路に沿った温度勾配も動的に打ち消しあうのである。なお伝熱板においては燃料電池セルへの例えば空気の導入を円滑にするため、ガスの通過を可能とすることが好ましい。 Furthermore, in one embodiment, instead of the above-described heat transfer body, the first and second fuel cells are partitioned by a heat transfer plate, so that heat can be transferred along the introduction gas flow path. You may do it. That is, a temperature gradient reflecting the first temperature gradient of the fuel cell is about to be formed on one surface of the heat transfer plate, and a second temperature of the fuel cell is formed on the other surface of the heat transfer plate. A temperature gradient reflecting the gradient is about to be formed. Since the first and second temperature gradients of the fuel cells tend to be substantially symmetrical with each other, the temperature gradient on the heat transfer plate dynamically cancels and the first and second of the fuel cells are The temperature gradient along the introduced gas flow path also cancels dynamically. In the heat transfer plate, it is preferable to allow gas to pass, for example, to smoothly introduce air into the fuel cell.
故に、例えば、炭化水素系の原燃料ガスを水素及び一酸化炭素に改質する水蒸気改質反応を電気化学反応とともに生じる燃料電池セル内の温度分布の如きであってもこれを動的に均一化し得るのである。すなわち、燃料電池セル内の電解質中の酸素イオンの伝導度及び電流密度も動的に均一化し得るのである。さらに、温度変化により生じる起電力変化を均一化し、発電に寄与しない迷走電流を抑制できる。つまり、かかる燃料電池セルを含む燃料電池モジュールの発電効率を向上せしめることができるのである。 Therefore, for example, a steam reforming reaction that reforms a hydrocarbon-based raw fuel gas into hydrogen and carbon monoxide together with an electrochemical reaction can be performed evenly even in the temperature distribution in the fuel cell. It can be converted. That is, the conductivity and current density of oxygen ions in the electrolyte in the fuel cell can be made uniform dynamically. Furthermore, the electromotive force change caused by the temperature change can be made uniform, and stray current that does not contribute to power generation can be suppressed. That is, the power generation efficiency of the fuel cell module including such fuel cells can be improved.
上記した実施例において、燃料電池モジュールは、燃料電池セルのうちの第１の１つと第２の１つとを組として、この組を１又は複数含んでもよい。かかる構成により、１つの組の燃料電池セルのうちの第１及び第２において、導入ガス流路に沿った温度勾配は動的に打ち消しあうのである。故に、上記したと同様にこれらの組を１又は複数含む燃料電池モジュールの発電効率を向上せしめることができるのである。 In the above-described embodiment, the fuel cell module may include one or a plurality of the first and second ones of the fuel cells. With this configuration, the temperature gradient along the introduction gas flow path dynamically cancels out in the first and second fuel cells of one set. Therefore, as described above, the power generation efficiency of the fuel cell module including one or a plurality of these sets can be improved.
なお、上記した実施例において、燃料電池セルは固体酸化物形であることが好ましいが、固体酸化物形に限定されるものではない。また、燃料電池セルは導入ガス流路に沿って炭化水素系の原燃料ガスを水素及び一酸化炭素に水蒸気改質する直接内部改質型に限定されない。すなわち、直接内部改質型の燃料電池セルでなくとも、導入ガス流路に沿って形成されようとする温度勾配であれば、これを動的に打ち消しあい、燃料電池モジュールの発電効率を向上せしめることができるのである。 In the above-described embodiments, the fuel cell is preferably in the solid oxide form, but is not limited to the solid oxide form. Further, the fuel cell is not limited to a direct internal reforming type in which a hydrocarbon-based raw fuel gas is steam-reformed into hydrogen and carbon monoxide along the introduction gas flow path. In other words, even if it is not a direct internal reforming type fuel cell, if it is a temperature gradient that is to be formed along the introduction gas flow path, this will be canceled dynamically and the power generation efficiency of the fuel cell module will be improved. It can be done.
次に本発明による実施例である燃料電池モジュールについて、図１乃至図５を参照しつつ詳細に説明する。 Next, a fuel cell module according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
図１に示すように、燃料電池セル１は、円筒形であって、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などからなる固体酸化物の電解質５を両側から挟むようにして、例えば、ニッケル・ジルコニア（Ｎｉ−ＺｒＯ２）サーメットからなる燃料極４及びランタンマンガナイト（ＬａＭｎＯ３）からなる空気極６が対向するように設けられている。燃料極４及び空気極６は共に多孔質であって、特に、燃料極４は原燃料ガスを燃料ガスに水蒸気改質するための触媒を担持している。円筒形の燃料電池セル１の中心孔は、その長手方向に沿って導入ガス流路２を形成している。 As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 has a cylindrical shape. For example, the solid oxide electrolyte 5 made of, for example, yttria-stabilized zirconia (YSZ) is sandwiched from both sides. The fuel electrode 4 made of -ZrO 2 ) cermet and the air electrode 6 made of lanthanum manganite (LaMnO 3 ) are provided so as to face each other. Both the fuel electrode 4 and the air electrode 6 are porous. In particular, the fuel electrode 4 carries a catalyst for steam reforming the raw fuel gas into the fuel gas. The central hole of the cylindrical fuel cell 1 forms an introduction gas flow path 2 along its longitudinal direction.
ここで図２に示すように、発電運転時において燃料電池セル１では、燃料極４と電解質５との界面近傍において、燃料ガス（Ｈ２及びＣＯ）と空気極６から供給される酸素イオンとの結合による電気化学反応が生じる。詳細には、空気極６の多孔質体内部を流れる酸素は、空気極６から電子を受け取って電解質５内に酸素イオンの形で侵入する。電解質５内の酸素イオンは燃料極４に到達すると、燃料ガス（Ｈ２及びＣＯ）と結合して、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２となって電子を燃料極４内に放出するのである。なお、この電気化学反応は発熱反応であり、部分的な反応ムラなどに伴って燃料電池セル１の温度が変動し得るのである。 Here, as shown in FIG. 2, in the fuel cell 1 during the power generation operation, in the vicinity of the interface between the fuel electrode 4 and the electrolyte 5, the fuel gas (H 2 and CO) and the oxygen ions supplied from the air electrode 6 An electrochemical reaction occurs due to the bonding. Specifically, oxygen flowing inside the porous body of the air electrode 6 receives electrons from the air electrode 6 and enters the electrolyte 5 in the form of oxygen ions. When the oxygen ions in the electrolyte 5 reach the fuel electrode 4, they are combined with the fuel gas (H 2 and CO) to form H 2 O and CO 2 and discharge electrons into the fuel electrode 4. Note that this electrochemical reaction is an exothermic reaction, and the temperature of the fuel cell 1 can fluctuate with partial reaction unevenness.
ところで、図３に併せて示すように、直接内部改質型の燃料電池セル１では、燃料極４の表面近傍及び／若しくはその多孔質体内部において、炭化水素系の原燃料ガスが燃料ガス（Ｈ２及びＣＯ）に改質されるのである。この水蒸気改質反応は吸熱反応である。 As shown in FIG. 3, in the direct internal reforming fuel cell 1, the hydrocarbon-based raw fuel gas is a fuel gas (in the vicinity of the surface of the fuel electrode 4 and / or in the porous body thereof). H 2 and CO). This steam reforming reaction is an endothermic reaction.
故に、再び図１及び図２に示すように、燃料電池セル１の導入ガスを導入する導入口１０の近傍においては急激に進む水蒸気改質反応のために内部温度が低下するのである。一方、導入ガスの流路に沿って水蒸気改質反応は順次行われて収束していくため、燃料電池セル１の排出口１１近傍においては、内部温度の低下は小さいのである。つまりかかる水蒸気改質反応により、燃料電池セル１の長手方向、すなわち導入ガス流路２の方向に沿った温度勾配が燃料電池セル１の内表面に生じるのである。これにより、燃料電池セル１の外表面においても、内表面の温度勾配を反映した温度勾配が生じる。 Therefore, as shown in FIGS. 1 and 2 again, in the vicinity of the inlet 10 through which the introduction gas of the fuel cell 1 is introduced, the internal temperature decreases due to the steam reforming reaction that proceeds rapidly. On the other hand, since the steam reforming reaction is sequentially performed and converged along the flow path of the introduced gas, the decrease in the internal temperature is small in the vicinity of the discharge port 11 of the fuel cell 1. That is, by this steam reforming reaction, a temperature gradient along the longitudinal direction of the fuel cell 1, that is, the direction of the introduction gas flow path 2 is generated on the inner surface of the fuel cell 1. Thereby, also on the outer surface of the fuel cell 1, a temperature gradient reflecting the temperature gradient of the inner surface is generated.
ここで図４に示すように、断熱容器７内において、複数の燃料電池セルのうちの第１である燃料電池セル１ａは、同じく複数の燃料電池セルのうちの第２である燃料電池セル１ｂの長手方向に沿って、互いの導入ガス流路２を平行にしてかつ導入ガス流路２内の原燃料ガスの流れ方向を逆にして配置される。燃料電池セル１ａ及び１ｂは、互いに輻射、空気流等によって熱ｑの授受が可能となるように配置されている。なお、断熱容器７には図示しない酸化剤として空気をその内部に導入・排出する導入口及び排出口が備えられている。 Here, as shown in FIG. 4, in the heat insulating container 7, the first fuel cell 1 a among the plurality of fuel cells is similarly the second fuel cell 1 b among the plurality of fuel cells. Are arranged such that the introduction gas passages 2 are parallel to each other and the flow direction of the raw fuel gas in the introduction gas passage 2 is reversed. The fuel cells 1a and 1b are arranged so that heat q can be exchanged by radiation, air flow, or the like. The heat insulating container 7 is provided with an inlet and an outlet for introducing / excluding air as an oxidizing agent (not shown).
上記した構成によれば、図５に示すように、燃料電池セル１ａの導入口１０ａから排出口１１ａへの温度勾配Ｔａ及び燃料電池セル１ｂの導入口１０ｂから排出口１１ｂへの温度勾配Ｔｂが形成されようとしても、燃料電池セル１ａの導入口１０ａ近傍と燃料電池セル１ｂの排出口１１ｂ近傍との間で互いに熱ｑの授受を行って同一の温度に近づくのである。同様に導入口１０ｂ近傍と排出口１１ａ近傍においても互いに熱ｑの授受を行って同一の温度に近づくのである。すなわち、燃料電池セル１ａと燃料電池セル１ｂとは導入ガス流路２に沿った温度勾配を互いに動的に打ち消し合うのである。故に、例えば、水蒸気改質反応を電気化学反応とともに生じる直接内部改質型の燃料電池セル１内の温度分布を動的に均一化し得るのである。すなわち、燃料電池セル内の固体電解質中の酸素イオンの伝導度及び電流密度について動的に均一化し得るのである。さらに、温度による起電力変化を均一化し、発電に寄与しない迷走電流を抑制できるのである。つまり、かかる燃料電池セル１ａ及び１ｂを含む燃料電池モジュールの発電効率を向上せしめることができるのである。 According to the configuration described above, as shown in FIG. 5, the temperature gradient Ta from the inlet 10a to the outlet 11a of the fuel cell 1a and the temperature gradient Tb from the inlet 10b to the outlet 11b of the fuel cell 1b are as follows. Even if it is formed, heat q is exchanged between the vicinity of the introduction port 10a of the fuel cell 1a and the vicinity of the discharge port 11b of the fuel cell 1b to approach the same temperature. Similarly, in the vicinity of the inlet 10b and the outlet 11a, the heat q is exchanged and approaches the same temperature. That is, the fuel cell 1a and the fuel cell 1b dynamically cancel each other out of the temperature gradient along the introduction gas flow path 2. Therefore, for example, the temperature distribution in the direct internal reforming fuel cell 1 that causes the steam reforming reaction together with the electrochemical reaction can be dynamically made uniform. That is, the conductivity and current density of oxygen ions in the solid electrolyte in the fuel cell can be made uniform dynamically. Furthermore, the change in electromotive force due to temperature can be made uniform, and stray currents that do not contribute to power generation can be suppressed. That is, the power generation efficiency of the fuel cell module including the fuel cells 1a and 1b can be improved.
次に本発明による他の実施例である燃料電池モジュールについて、図６及び図７を参照しつつ詳細に説明する。 Next, a fuel cell module according to another embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
図６に示すように、実施例１で述べたのと同様の燃料電池セル１ａ及び１ｂは、伝熱体３ａによって連結されていても良い。詳細には、燃料電池セル１ａ及び１ｂは、その長手方向と平行な導入ガス流路２と垂直方向に伸びる伝熱体３ａによって結合されている。伝熱体３ａは燃料電池セル１ａ及び１ｂのそれぞれ熱的に端部近傍を連結するように取付けることが好適である。伝熱体３ａは熱伝導性の高い材料、例えばステンレス鋼、ニッケル合金、タングステンなどからなるワイヤー及び広帯などが好ましい。 As shown in FIG. 6, the fuel cells 1a and 1b similar to those described in the first embodiment may be connected by a heat transfer body 3a. Specifically, the fuel cells 1a and 1b are coupled to each other by a heat transfer body 3a extending in a vertical direction with an introduction gas flow path 2 parallel to the longitudinal direction thereof. The heat transfer body 3a is preferably attached so as to thermally connect the vicinity of the end portions of the fuel cells 1a and 1b. The heat transfer body 3a is preferably made of a material having high thermal conductivity, such as a wire and a wide band made of stainless steel, nickel alloy, tungsten, or the like.
また、図７に示すように、燃料電池モジュール２０は、伝熱体３ａによって束ねられた燃料電池セル１ａ及び１ｂの組１３を複数含むのである。 Further, as shown in FIG. 7, the fuel cell module 20 includes a plurality of sets 13 of fuel cells 1a and 1b bundled by the heat transfer body 3a.
かかる構成によれば、燃料電池セル１ａと燃料電池セル１ｂとは、輻射、空気流等に加えて、伝熱体３ａによっても熱の授受が可能となるのである。よって、上記したと同様に、燃料電池セル１ａ及び１ｂの導入ガス流路２に沿った温度勾配は動的に互いに打ち消し合って、燃料電池セル１ａ及び１ｂ内の温度分布を動的に均一化し得るのである。よって、かかる燃料電池セル１ａ及び１ｂを含む燃料電池モジュール２０の発電効率を向上せしめることができるのである。 According to such a configuration, the fuel battery cell 1a and the fuel battery cell 1b can exchange heat by the heat transfer body 3a in addition to radiation, air flow, and the like. Therefore, as described above, the temperature gradients along the introduction gas flow paths 2 of the fuel cells 1a and 1b dynamically cancel each other, and the temperature distribution in the fuel cells 1a and 1b is dynamically uniformized. To get. Therefore, the power generation efficiency of the fuel cell module 20 including the fuel cells 1a and 1b can be improved.
次に本発明によるさらに他の実施例である燃料電池モジュールについて、図８を参照しつつ詳細に説明する。 Next, a fuel cell module according to another embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
図８に示すように、同一方向に流れる導入ガス流路２を有する燃料電池セル１ａは、やはり同一の方向に流れる導入ガス流路２を有する燃料電池セル１ｂと網状体からなる伝熱板３ｂによって仕切られている。つまり、燃料電池セル１ａ及び１ｂは互いに導入ガス流路２を平行にするとともに、導入ガス流路２内の原燃料ガスの流れ方向を逆向きにして配置される。なお、伝熱板３ｂは、ガスの通過を可能とするパンチングメタルの如く小穴を多数備える板状体や多孔質の板状体などでもよい。 As shown in FIG. 8, the fuel cell 1a having the introduction gas flow path 2 flowing in the same direction is composed of the fuel cell 1b having the introduction gas flow path 2 flowing in the same direction and the heat transfer plate 3b made of a net-like body. It is partitioned by. That is, the fuel cells 1a and 1b are arranged with the introduction gas passage 2 parallel to each other and with the flow direction of the raw fuel gas in the introduction gas passage 2 reversed. The heat transfer plate 3b may be a plate-like body having a large number of small holes, such as a punching metal that allows gas to pass, or a porous plate-like body.
かかる構成によれば、燃料電池セル１ａ及び１ｂの温度勾配は互いにほぼ対称に生じようとするのである。ここで、燃料電池セル１ａの温度分布は伝熱板３ｂの一方の面に反映されるとともに、燃料電池セル１ｂの温度分布は伝熱板３ｂの他方の面に反映されるのである。故に、伝熱板上での温度勾配は動的に打ち消し合うとともにこれにより燃料電池セル１ａ及び１ｂの導入ガス流路２に沿った温度勾配も動的に打ち消し合うのである。なお、例えば、図８のように、燃料電池セル１ａと燃料電池セル１ｂの数が異なっていても、ほぼ上記したのと同様に温度勾配は動的に打ち消し合うのである。すなわち、燃料電池セル１ａ及び１ｂ内の温度分布を動的に均一化し得るのである。よって、かかる燃料電池セル１ａ及び１ｂを含む燃料電池モジュールの発電効率を向上せしめることができるのである。 According to such a configuration, the temperature gradients of the fuel cells 1a and 1b tend to be almost symmetrical with each other. Here, the temperature distribution of the fuel cell 1a is reflected on one surface of the heat transfer plate 3b, and the temperature distribution of the fuel cell 1b is reflected on the other surface of the heat transfer plate 3b. Therefore, the temperature gradient on the heat transfer plate dynamically cancels, and thereby the temperature gradient along the introduction gas flow path 2 of the fuel cells 1a and 1b also dynamically cancels. For example, as shown in FIG. 8, even if the numbers of the fuel cells 1a and the fuel cells 1b are different, the temperature gradients cancel each other out in the same manner as described above. That is, the temperature distribution in the fuel cells 1a and 1b can be made uniform dynamically. Therefore, the power generation efficiency of the fuel cell module including the fuel cells 1a and 1b can be improved.
次に本発明によるさらに他の実施例である燃料電池モジュールについて、図９を参照しつつ詳細に説明する。 Next, a fuel cell module according to another embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
図９に示すように、原燃料ガスの流れ方向の１８０度異なる燃料電池セル１ａ及び１ｂをその長手方向と垂直な面内において縦横方向にそれぞれ交互に並置する。すなわち燃料電池セル１ａ及び１ｂをその長手方向と垂直な面内において市松模様の如く並置せしめるのである。また、各燃料電池セル１ａ及び１ｂの間にはガスの通過を可能とする伝熱板３ｂを挿入しても良い。伝熱板３ｂは、パンチングメタルの如き小穴を多数備える板状体や多孔質の板状体又は網状体からなる。 As shown in FIG. 9, the fuel cells 1 a and 1 b that are 180 degrees different from each other in the flow direction of the raw fuel gas are alternately arranged in the vertical and horizontal directions in a plane perpendicular to the longitudinal direction. That is, the fuel cells 1a and 1b are juxtaposed like a checkerboard pattern in a plane perpendicular to the longitudinal direction. Moreover, you may insert the heat exchanger plate 3b which enables passage of gas between each fuel cell 1a and 1b. The heat transfer plate 3b is made of a plate-like body having many small holes such as punching metal, a porous plate-like body, or a net-like body.
かかる構成によれば、燃料電池セル１ａ及び１ｂの温度勾配は互いにほぼ対称に生じようとするのである。ここで、燃料電池セル１ａの温度分布は伝熱板３ｂの一方の面に反映されるとともに、燃料電池セル１ｂの温度分布は伝熱板３ｂの他方の面に反映されるのである。故に、伝熱板３ｂ上での温度勾配は動的に打ち消し合うとともにこれにより燃料電池セル１ａ及び１ｂの導入ガス流路２に沿った温度勾配も動的に打ち消し合うのである。さらに、これらの生じようとする温度勾配は、例えば燃料電池セル１ａの長手方向と垂直な面内においてこれを縦横方向から挟み込むように並置された4本の燃料電池セル１ｂによって互いに動的に打ち消し合うのである。すなわち、燃料電池セル１ａ及び１ｂ内の温度分布を動的に均一化し得るのである。よって、かかる燃料電池セル１ａ及び１ｂを含む燃料電池モジュールの発電効率を向上せしめることができるのである。 According to such a configuration, the temperature gradients of the fuel cells 1a and 1b tend to be almost symmetrical with each other. Here, the temperature distribution of the fuel cell 1a is reflected on one surface of the heat transfer plate 3b, and the temperature distribution of the fuel cell 1b is reflected on the other surface of the heat transfer plate 3b. Therefore, the temperature gradient on the heat transfer plate 3b dynamically cancels, and thereby the temperature gradient along the introduction gas flow path 2 of the fuel cells 1a and 1b also dynamically cancels. Furthermore, these temperature gradients to be generated are dynamically canceled out by the four fuel cells 1b juxtaposed so as to be sandwiched from the vertical and horizontal directions in a plane perpendicular to the longitudinal direction of the fuel cells 1a, for example. It fits. That is, the temperature distribution in the fuel cells 1a and 1b can be made uniform dynamically. Therefore, the power generation efficiency of the fuel cell module including the fuel cells 1a and 1b can be improved.
次に本発明によるさらに他の実施例である燃料電池モジュールについて、図１０乃至図１２を参照しつつ詳細に説明する。 Next, a fuel cell module according to another embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
図１０に示すように、平板型の燃料電池モジュール２１は、固体電解質５を燃料極４及び空気極６によって上下方向から挟みこんだ電極ユニット２２と、かかる電極ユニット２２を更に上下方向から挟みこんだインターコネクタ２７ａ及び２７ｂとからなる多層体である。インターコネクタ２７ａ及び２７ｂは、セラミックス若しくは金属からなり、例えば、ステンレス鋼やニッケル基合金からなることが好ましい。 As shown in FIG. 10, the flat plate fuel cell module 21 includes an electrode unit 22 in which the solid electrolyte 5 is sandwiched between the fuel electrode 4 and the air electrode 6 in the vertical direction, and the electrode unit 22 is further sandwiched in the vertical direction. It is a multilayer body composed of interconnectors 27a and 27b. The interconnectors 27a and 27b are made of ceramics or metal, and are preferably made of, for example, stainless steel or nickel-base alloy.
略平板状のインターコネクタ２７ａは、燃料極４に向けた開口を有するストライプ溝の導入ガス流路２８を有する。すなわち、導入ガス流路２８内に向けて燃料極４の表面が露出しているのである。また、略平板状のインターコネクタ２７ｂは、導入ガス流路２８の原燃料ガスの流れ方向と垂直方向に且つ空気極６に向けた開口を有するストライプ溝の空気流路２９を有する。すなわち、空気流路２９に空気極６の表面が露出しているのである。 The substantially flat interconnector 27 a has a stripe groove introduction gas flow path 28 having an opening toward the fuel electrode 4. That is, the surface of the fuel electrode 4 is exposed toward the introduction gas flow path 28. Further, the substantially flat interconnector 27 b has a stripe groove air flow path 29 having an opening in the direction perpendicular to the flow direction of the raw fuel gas in the introduction gas flow path 28 and toward the air electrode 6. That is, the surface of the air electrode 6 is exposed in the air flow path 29.
ここで、インターコネクタ２７ａに設けられた導入ガス流路２８内を流れる原燃料ガスの流れ方向は、隣り合う導入ガス流路２８同士において、互いに逆向きである。つまり原燃料ガスの流れ方向の１８０度異なる導入ガス流路２８を有する燃料電池セル１ａ及び１ｂが空気流路２９の空気の流れ方向に順番にストライプ状に並べられているのである。 Here, the flow directions of the raw fuel gas flowing in the introduction gas passage 28 provided in the interconnector 27a are opposite to each other in the introduction gas passages 28 adjacent to each other. That is, the fuel cells 1a and 1b having the introduction gas flow paths 28 that are 180 degrees different from each other in the flow direction of the raw fuel gas are arranged in a stripe shape in order in the air flow direction of the air flow path 29.
かかる構成によれば、燃料電池セル１ａ及び１ｂは、インターコネクタ２７ａ及び２７ｂを介した熱伝導により互いに熱の授受を可能に連結されるのである。すなわち、原燃料ガスの流れ方向の１８０度異なる導入ガス流路２８を有する燃料電池セル１ａ及び１ｂにおいて、導入ガス流路２８に沿って形成されようとする温度勾配は互いにほぼ対称であって１８０度向きが異なるため、互いに動的に打ち消しあうのである。故に、例えば、水蒸気改質反応を電気化学反応とともに生じる燃料電池セル１ａ及び１ｂを含む燃料電池モジュール２１の温度分布を動的に均一化し得るのである。つまり、発電効率を向上せしめることができるのである。 According to such a configuration, the fuel cells 1a and 1b are connected to each other so as to be able to exchange heat by heat conduction via the interconnectors 27a and 27b. That is, in the fuel cells 1a and 1b having the introduction gas passages 28 that differ by 180 degrees in the flow direction of the raw fuel gas, the temperature gradients that are to be formed along the introduction gas passage 28 are substantially symmetrical with each other. Because the degrees are different, they cancel each other out dynamically. Therefore, for example, the temperature distribution of the fuel cell module 21 including the fuel cells 1a and 1b that cause the steam reforming reaction together with the electrochemical reaction can be dynamically made uniform. That is, power generation efficiency can be improved.
なお、図１１及び図１２に示すように燃料電池モジュール２１を２層以上積層させた複合燃料電池モジュールであっても良い。すなわち、図１１に示すように、複数の燃料電池モジュール２１はそれぞれの燃料電池セル１ａを上下方向に１列に並ぶように、また、燃料電池セル１ｂを上下方向に１列に並ぶように積層されて複合燃料電池モジュールを構成するのである。さらに、図１２に示すように複数の燃料電池モジュール２１はそれぞれの燃料電池セル１ａ及び１ｂを上下方向に交互に並ぶように積層されて複合燃料電池モジュールを構成しても良い。 11 and 12, a composite fuel cell module in which two or more fuel cell modules 21 are stacked may be used. That is, as shown in FIG. 11, the plurality of fuel cell modules 21 are stacked such that the respective fuel cells 1a are arranged in a row in the vertical direction and the fuel cells 1b are arranged in a row in the vertical direction. Thus, a composite fuel cell module is configured. Further, as shown in FIG. 12, a plurality of fuel cell modules 21 may be stacked such that the respective fuel cells 1a and 1b are alternately arranged in the vertical direction to constitute a composite fuel cell module.
かかる構成によれば、温度分布を動的に均一化し得る燃料電池モジュール２１をさらに積層して上下方向にも温度分布を動的に均一化することができるのである。すなわち、より多数の燃料電池セル１ａ及び１ｂを含む複合燃料電池モジュールの温度分布を動的に均一化し得るのである。つまり、発電効率を向上せしめることができるのである。 According to such a configuration, the fuel cell module 21 capable of dynamically uniforming the temperature distribution can be further stacked to dynamically uniform the temperature distribution in the vertical direction. That is, the temperature distribution of the composite fuel cell module including a larger number of fuel cells 1a and 1b can be dynamically made uniform. That is, power generation efficiency can be improved.
次に本発明によるさらに他の実施例である燃料電池モジュールについて、図１３を参照しつつ詳細に説明する。 Next, a fuel cell module according to another embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
図１３に示すように、平板型の複合燃料電池モジュール２３は、積層された燃料電池モジュール２１ａ及び２１ｂからなる。燃料電池モジュール２１ａ及び２１ｂは、導入ガス流路２８内を流れる原燃料ガスの流れ方向以外は、それぞれ上記した実施例５の燃料電池モジュール２１と同様であるので詳述しない。 As shown in FIG. 13, the flat plate type composite fuel cell module 23 is composed of stacked fuel cell modules 21a and 21b. The fuel cell modules 21a and 21b are the same as the fuel cell module 21 of Example 5 described above except for the flow direction of the raw fuel gas flowing in the introduction gas flow path 28, and therefore will not be described in detail.
燃料電池モジュール２１ａのインターコネクタ２７ａ及び燃料電池モジュール２１ｂのインターコネクタ２７ｂは、互いに接触して熱の授受を可能に連結されている。ここで燃料電池モジュール２１ａ及び２１ｂのそれぞれにおいて、導入ガス流路２８内を流れる原燃料ガスの流れ方向は同一である。 The interconnector 27a of the fuel cell module 21a and the interconnector 27b of the fuel cell module 21b are connected to each other so as to be able to exchange heat. Here, in each of the fuel cell modules 21a and 21b, the flow direction of the raw fuel gas flowing in the introduction gas flow path 28 is the same.
かかる構成によれば、燃料電池モジュール２１ａの導入ガス流路２８に沿って形成されようとする温度勾配は、燃料電池モジュール２１ｂの導入ガス流路２８に沿って形成されようとする温度勾配と互いにほぼ対称であって１８０度向きが異なるため、互いに動的に打ち消しあうのである。故に、例えば、水蒸気改質反応を電気化学反応とともに生じる燃料電池セル１ａ及び１ｂを多数含む複合燃料電池モジュール２３の温度分布を動的に均一化し得るのである。つまり、発電効率を向上せしめることができるのである。 According to this configuration, the temperature gradient that is to be formed along the introduction gas flow path 28 of the fuel cell module 21a is mutually different from the temperature gradient that is to be formed along the introduction gas flow path 28 of the fuel cell module 21b. Since they are almost symmetrical and have different directions of 180 degrees, they cancel each other out dynamically. Therefore, for example, the temperature distribution of the composite fuel cell module 23 including a large number of fuel cells 1a and 1b that cause a steam reforming reaction together with an electrochemical reaction can be dynamically made uniform. That is, power generation efficiency can be improved.
１、１ａ、１ｂ 燃料電池セル
２ 導入ガス流路
３ａ 伝熱体
３ｂ 伝熱板
４ 燃料極
５ 電解質
６ 空気極
７ 断熱容器
１０ 導入口
１１ 排出口
２１、２１ａ、２１ｂ 燃料電池モジュール
２２ 電極ユニット
２３ 複合燃料電池モジュール
２７ａ、２７ｂ インターコネクタ
２８ 導入ガス流路
２９ 空気流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1a, 1b Fuel cell 2 Introducing gas flow path 3a Heat transfer body 3b Heat transfer plate 4 Fuel electrode 5 Electrolyte 6 Air electrode 7 Heat insulation container 10 Inlet 11 Discharge port 21, 21a, 21b Fuel cell module 22 Electrode unit 23 Composite fuel cell modules 27a, 27b Interconnector 28 Introducing gas flow path 29 Air flow path
Claims (9)
前記燃料電池セルは前記導入ガスの前記流路を互いに平行とするように配置され、前記流路内の前記導入ガスの流れ方向を互いに逆とする前記燃料電池セルのうちの第１及び第２は前記流路に沿った熱の授受が可能となるように配置されていることを特徴とする燃料電池モジュール。 A fuel cell module including a plurality of fuel cells that generate an electric power by causing an electrochemical reaction along a flow path of an introduced gas,
The fuel cells are arranged so that the flow paths of the introduced gas are parallel to each other, and the first and second of the fuel battery cells in which the flow directions of the introduced gas in the flow paths are opposite to each other. Is arranged so as to be able to exchange heat along the flow path.
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|---|---|---|---|---|
| JP2013519509A (en) * | 2010-02-13 | 2013-05-30 | マクアリスター テクノロジーズ エルエルシー | Reaction vessel having a permeable surface for producing hydrogen-based fuels and structural elements, and related systems and methods |
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2007
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