JP2014056674A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、化学反応により燃料ガスを発生する燃料発生部材と、酸素を含む酸化剤ガスと前記燃料発生部材から供給される燃料ガスとの反応により発電を行う固体酸化物型燃料電池部とを備える燃料電池システムに関する。 The present invention includes a fuel generating member that generates a fuel gas by a chemical reaction, and a solid oxide fuel cell unit that generates power by a reaction between an oxidant gas containing oxygen and a fuel gas supplied from the fuel generating member. The present invention relates to a fuel cell system provided.
固体酸化物型燃料電池は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）やランタンガレート系（例えば一般式ＬａＳｒＭｇＧａＯで表されるＬＳＧＭ）を用いた固体酸化物電解質膜を、燃料極（アノード）と酸化剤極（カソード）とで両側から挟み込んだものを１つのセル構成としている。そして、燃料極に燃料ガス（例えば水素）を供給する燃料ガス流路と、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば酸素や空気）を供給する酸化剤ガス流路とが設けられ、これらの流路を介して燃料ガス、酸化剤ガスがそれぞれ燃料極、酸化剤極に供給されることにより発電が行われる。 A solid oxide fuel cell includes a solid oxide electrolyte membrane using, for example, yttria-stabilized zirconia (YSZ) or a lanthanum gallate system (for example, LSGM represented by the general formula LaSrMgGaO), a fuel electrode (anode), and an oxidizer electrode. The one sandwiched from both sides by the (cathode) has a single cell configuration. A fuel gas channel for supplying a fuel gas (for example, hydrogen) to the fuel electrode and an oxidant gas channel for supplying an oxidant gas (for example, oxygen or air) to the oxidant electrode are provided. Electric power is generated by supplying the fuel gas and the oxidant gas to the fuel electrode and the oxidant electrode, respectively.
固体酸化物型燃料電池は、固体高分子型燃料電池よりも動作温度を高くする必要があるものの、固体高分子型燃料電池よりも発電効率が高いという利点を有している。 Although the solid oxide fuel cell needs to have a higher operating temperature than the solid polymer fuel cell, it has the advantage of higher power generation efficiency than the solid polymer fuel cell.
特許文献１及び特許文献２には、固体酸化物型燃料電池と鉄（燃料発生部材）を組み合わせた燃料電池システムが開示されている。当該燃料電池システムは、燃料発生部材と固体酸化物型燃料電池の燃料極との間でガスを機械的なエネルギーを用いて強制的に循環させる循環器を備えている。 Patent Documents 1 and 2 disclose a fuel cell system in which a solid oxide fuel cell and iron (a fuel generating member) are combined. The fuel cell system includes a circulator that forcibly circulates gas between the fuel generating member and the fuel electrode of the solid oxide fuel cell using mechanical energy.
６００℃〜１０００℃程度で一般的に運転される固体酸化物型燃料電池の燃料極から排出されるガスが冷却されることなく循環器に流入すると、循環器が高温になって循環器の耐久性が劣化する。したがって、循環器の耐久性を保つためには固体酸化物型燃料電池の燃料極から排出されるガスを冷却する必要がある。ところが、固体酸化物型燃料電池の燃料極から排出されるガスを冷却する際に一般的な冷却装置を使用すると、冷却装置を運転するためにエネルギーが必要となるため、燃料電池システムの発電効率が低下するという課題がある。 When the gas discharged from the anode of a solid oxide fuel cell generally operated at about 600 ° C. to 1000 ° C. flows into the circulator without being cooled, the circulator becomes hot and the circulator becomes durable. Deteriorates. Therefore, in order to maintain the durability of the circulator, it is necessary to cool the gas discharged from the fuel electrode of the solid oxide fuel cell. However, if a general cooling device is used to cool the gas discharged from the anode of the solid oxide fuel cell, energy is required to operate the cooling device. There is a problem that decreases.
また、外気やボンベ等の酸化剤ガス供給源での酸化剤ガスは概ね常温であるため、６００℃〜１０００℃程度で一般的に運転される固体酸化物型燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する際には、酸化剤ガスを加熱してから固体酸化物型燃料電池の酸化剤極に供給する必要がある。ところが、酸化剤ガスを加熱する際に一般的な加熱装置を使用すると、加熱装置を運転するためにエネルギーが必要となるため、燃料電池システムの発電効率が低下するという課題がある。 Further, since the oxidant gas in the oxidant gas supply source such as outside air or cylinder is generally at room temperature, the oxidant is present at the oxidant electrode of a solid oxide fuel cell generally operated at about 600 ° C to 1000 ° C. When supplying the gas, it is necessary to heat the oxidant gas and then supply it to the oxidant electrode of the solid oxide fuel cell. However, when a general heating device is used when heating the oxidant gas, energy is required to operate the heating device, which causes a problem that the power generation efficiency of the fuel cell system decreases.
本発明は、上記の状況に鑑み、循環器の耐久性の劣化を抑えつつ発電効率を高くすることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 In view of the above situation, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can increase power generation efficiency while suppressing deterioration in durability of a circulator.
上記目的を達成するために本発明に係る燃料電池システムは、化学反応により燃料ガスを発生する燃料発生部材と、酸素を含む酸化剤ガスと前記燃料発生部材から供給される燃料ガスとの反応により発電を行う固体酸化物型燃料電池部と、前記燃料発生部材と前記燃料電池部の燃料極との間でガスを循環させるための循環用配管と、前記燃料発生部材と前記燃料極との間でガスを機械的なエネルギーを用いて強制的に循環させる循環器と、前記燃料電池部の発電時に前記燃料電池部の酸化剤極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤極入口側配管と、前記循環用配管内の前記燃料極から排出され前記循環器に流入するまでのガスと前記酸化剤極入口側配管内のガスとの間で熱交換する第１の熱交換器とを備える構成（第１の構成）とする。 In order to achieve the above object, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel generating member that generates a fuel gas by a chemical reaction, an oxidant gas containing oxygen, and a fuel gas supplied from the fuel generating member. A solid oxide fuel cell unit for generating power; a circulation pipe for circulating gas between the fuel generating member and the fuel electrode of the fuel cell unit; and between the fuel generating member and the fuel electrode A circulator for forcibly circulating the gas using mechanical energy, and an oxidant electrode inlet side pipe for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell unit during power generation of the fuel cell unit; A first heat exchanger for exchanging heat between the gas discharged from the fuel electrode in the circulation pipe and flowing into the circulator and the gas in the oxidant electrode inlet side pipe. (First configuration).
上記第１の構成の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤極での反応後のガスを排出するための酸化剤極出口側配管と、前記循環用配管内の前記循環器から流出され前記燃料極に到達するまでのガスと前記酸化剤極出口側配管内のガスとの間で熱交換する第２の熱交換器とを備える構成（第２の構成）としてもよい。 In the fuel cell system of the first configuration, the oxidant electrode outlet side pipe for discharging the gas after the reaction at the oxidant electrode and the circulator in the circulation pipe are flown out to the fuel electrode. It is good also as a structure (2nd structure) provided with the 2nd heat exchanger which heat-exchanges between the gas until it reaches | attains and the gas in the said oxidant electrode exit side piping.
上記第１または第２の構成の燃料電池システムにおいて、前記循環用配管内の前記燃料極から排出され前記第１の熱交換器に流入するまでのガスと前記循環用配管内の前記循環器から流出され前記燃料極に到達するまでのガスとの間で熱交換する第３の熱交換器とを備える構成（第３の構成）としてもよい。 In the fuel cell system having the first or second configuration, the gas from the fuel electrode in the circulation pipe until it flows into the first heat exchanger and the circulator in the circulation pipe It is good also as a structure (3rd structure) provided with the 3rd heat exchanger which heat-exchanges with the gas by which it flows out and reaches | attains the said fuel electrode.
上記第１〜第３のいずれかの構成の燃料電池システムにおいて、外部から前記循環用配管内へのガス供給を可能にするための外部ガス接続口を備え、前記循環用配管の前記第１の熱交換器によって熱交換された後のガスが通過する部分に、前記外部ガス接続口が設けられる構成（第４の構成）としてもよい。 In the fuel cell system having any one of the first to third configurations, an external gas connection port for enabling gas supply from the outside into the circulation pipe is provided, and the first of the circulation pipe is provided. It is good also as a structure (4th structure) by which the said external gas connection port is provided in the part through which the gas after heat-exchanged with a heat exchanger passes.
上記第１〜第４のいずれかの構成の燃料電池システムにおいて、前記循環器によるガスの循環を制御するためのガス循環制御部を備え、前記循環用配管内の前記第１の熱交換器によって熱交換された後のガスが前記ガス循環制御部に流入する構成（第５の構成）としてもよい。 In the fuel cell system having any one of the first to fourth configurations, the fuel cell system includes a gas circulation control unit for controlling gas circulation by the circulator, and is provided by the first heat exchanger in the circulation pipe. The gas after the heat exchange may be configured to flow into the gas circulation control unit (fifth configuration).
上記第１〜第５のいずれかの構成の燃料電池システムにおいて、ガスの状態を検知するためのガス状態検知部を備え、前記循環用配管内の前記第１の熱交換器によって熱交換された後のガスが前記ガス状態検知部に流入する構成（第６の構成）としてもよい。 In the fuel cell system having any one of the first to fifth configurations, the fuel cell system includes a gas state detection unit for detecting a gas state, and heat is exchanged by the first heat exchanger in the circulation pipe. It is good also as a structure (sixth structure) in which the subsequent gas flows into the gas state detector.
上記第１〜第６のいずれかの構成の燃料電池システムにおいて、前記燃料発生部材が、前記化学反応の逆反応により再生可能であり、前記燃料電池部が、前記燃料発生部材の再生時に前記燃料発生部材から供給される前記逆反応の生成物を電気分解する構成（第７の構成）としてもよい。 In the fuel cell system having any one of the first to sixth configurations, the fuel generating member can be regenerated by a reverse reaction of the chemical reaction, and the fuel cell unit is configured to regenerate the fuel when the fuel generating member is regenerated. The reverse reaction product supplied from the generating member may be electrolyzed (seventh configuration).
本発明に係る燃料電池システムによると、第１の熱交換器が、循環用配管内の燃料極から排出され循環器に流入するまでのガスと酸化剤極入口側配管内のガスとの間で熱交換する。これにより、循環器に流入するガスが冷却されるので、循環器が高温になることを防止することができ、循環器の耐久性の劣化を抑えることができる。また、循環用配管内の燃料極から排出され循環器に流入するまでのガスと酸化剤極入口側配管内のガスとの間での熱交換によって、循環器に流入するガスが冷却されるとともに酸化剤極に供給されるガスが加熱されるので、循環器に流入するガスの冷却および酸化剤極に供給されるガスの加熱に用いられるエネルギーを低減することができ、発電効率を高くすることができる。 According to the fuel cell system of the present invention, the first heat exchanger is discharged between the gas from the fuel electrode in the circulation pipe until it flows into the circulator and the gas in the oxidant electrode inlet side pipe. Exchange heat. Thereby, since the gas which flows into a circulator is cooled, it can prevent that a circulator becomes high temperature, and can suppress the deterioration of durability of a circulator. In addition, the gas flowing into the circulator is cooled by heat exchange between the gas discharged from the fuel electrode in the circulation pipe and flowing into the circulator and the gas in the oxidizer electrode inlet pipe. Since the gas supplied to the oxidizer electrode is heated, the energy used for cooling the gas flowing into the circulator and heating the gas supplied to the oxidizer electrode can be reduced, and the power generation efficiency is increased. Can do.
本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。なお、本発明は、後述する実施形態に限られない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, this invention is not restricted to embodiment mentioned later.
＜第１実施形態＞
図１は本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。本実施形態に係る燃料電池システムは、化学反応により燃料ガスを発生する燃料発生部材１と、酸素を含む酸化剤ガスと燃料発生部材１から供給される燃料ガスとの反応により発電を行う固体酸化物型燃料電池部２（以下、燃料電池部２と称する）とを備えている。燃料電池部２は、図１に示す通り、固体酸化物電解質膜２Ａの両面に燃料極２Ｂと酸化剤極２Ｃを接合したＭＥＡ構造(膜・電極接合体：Membrane Electrode Assembly)である。なお、図１では、ＭＥＡを１つだけ設けた構造を図示しているが、ＭＥＡを複数設けたり、さらに複数のＭＥＡを積層構造にしたりしてもよい。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. The fuel cell system according to the present embodiment is a solid oxide that generates power by a reaction between a fuel generating member 1 that generates a fuel gas by a chemical reaction, an oxidant gas containing oxygen and a fuel gas supplied from the fuel generating member 1. And a physical fuel cell unit 2 (hereinafter referred to as a fuel cell unit 2). As shown in FIG. 1, the fuel cell unit 2 has an MEA structure (membrane / electrode assembly) in which a fuel electrode 2B and an oxidant electrode 2C are joined to both surfaces of a solid oxide electrolyte membrane 2A. Although FIG. 1 illustrates a structure in which only one MEA is provided, a plurality of MEAs may be provided, or a plurality of MEAs may be stacked.
本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池部２を加熱するためのヒーター３と、燃料発生部材１を収容する容器４と、燃料電池部２及びヒーター３を収容する容器５と、燃料発生部材１と燃料極２Ｂとの間でガスを循環させるための循環用配管６と、容器４、容器５、循環用配管６、及び固体酸化物電解質膜２Ａで囲まれる閉空間内に存在するガスを燃料発生部材１と燃料極２Ｂとの間で機械的なエネルギーを用いて強制的に図１中に示す太線矢印の方向で循環させるポンプ７と、燃料電池部２の発電時に酸化剤極２Ｃに酸化剤ガスを供給するための酸化剤極入口側配管８と、酸化剤極２Ｃでの反応後のガスを排出するための酸化剤極出口側配管９と、断熱容器１０と、第１の熱交換器１１とをさらに備えている。なお、酸化剤極入口側配管８及び酸化剤極出口側配管９内のガスを図１中に示す細線矢印の方向に流すために、必要に応じてポンプやブロアなどを入口側配管８側あるいは酸化剤極出口側配管９側に設けてもよい。また、図１では燃料極２Ｂの長手方向と容器４に設けられる燃料ガス流通口の厚み方向とが直角であるが例えば平行であってもよく、図１では酸化剤極２Ｃの長手方向と容器４に設けられる酸化剤ガス流通口の厚み方向とが平行であるが例えば直角であってもよい。また、ポンプ７の代わりに、ブロア等の機械的なエネルギーを用いる他の循環器を用いても構わない。 The fuel cell system according to the present embodiment includes a heater 3 for heating the fuel cell unit 2, a container 4 for storing the fuel generating member 1, a container 5 for storing the fuel cell unit 2 and the heater 3, and fuel generation. Gas existing in a closed space surrounded by the circulation pipe 6 for circulating gas between the member 1 and the fuel electrode 2B, the container 4, the container 5, the circulation pipe 6 and the solid oxide electrolyte membrane 2A. 1 is forcedly circulated between the fuel generating member 1 and the fuel electrode 2B using mechanical energy in the direction of the thick arrow shown in FIG. 1, and the oxidant electrode 2C during power generation of the fuel cell unit 2 An oxidant electrode inlet side pipe 8 for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode, an oxidant electrode outlet side pipe 9 for discharging the gas after reaction at the oxidant electrode 2C, a heat insulating container 10, and a first And a heat exchanger 11. In order to cause the gas in the oxidant electrode inlet side pipe 8 and the oxidant electrode outlet side pipe 9 to flow in the direction of the thin line arrow shown in FIG. 1, a pump, a blower or the like is connected to the inlet side pipe 8 side or You may provide in the oxidizing agent electrode exit side piping 9 side. In FIG. 1, the longitudinal direction of the fuel electrode 2B and the thickness direction of the fuel gas flow port provided in the container 4 are perpendicular to each other, but may be parallel, for example. In FIG. 4 is parallel to the thickness direction of the oxidant gas flow port provided in 4, but may be, for example, a right angle. Further, instead of the pump 7, another circulator using mechanical energy such as a blower may be used.
断熱容器１０は、容器内と容器外とを断熱する容器であって、容器４と、容器５と、循環用配管６の一部と、酸化剤極入口側配管８の一部と、酸化剤極出口側配管９の一部とを収容している。なお、第１の熱交換器１１の一部を断熱容器１０に収容するようにしてもよい。 The heat insulating container 10 is a container that insulates the inside of the container from the outside of the container. The container 4, the container 5, a part of the circulation pipe 6, a part of the oxidant electrode inlet side pipe 8, and the oxidant A part of the pole outlet side pipe 9 is accommodated. A part of the first heat exchanger 11 may be accommodated in the heat insulating container 10.
以下の説明では、燃料発生部材１として基材料（主成分）が鉄である微粒子圧縮体からなる燃料発生部材を用い、燃料ガスとして水素を用いた場合について説明する。 In the following description, a case where a fuel generating member made of a fine particle compressed body whose base material (main component) is iron is used as the fuel generating member 1 and hydrogen is used as the fuel gas will be described.
本実施形態に係る燃料電池システムの発電時に燃料電池部２は外部負荷（不図示）に電気的に接続される。燃料電池部２では、本実施形態に係る燃料電池システムの発電時に、燃料極２Ｂにおいて下記の（１）式の反応が起こる。
Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ- …（１）
The fuel cell unit 2 is electrically connected to an external load (not shown) during power generation of the fuel cell system according to the present embodiment. In the fuel cell unit 2, the following reaction (1) occurs at the fuel electrode 2B during power generation of the fuel cell system according to the present embodiment.
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e − (1)
上記の（１）式の反応によって生成された電子は、外部負荷（不図示）を通って、酸化剤極２Ｃに到達し、酸化剤極２Ｃにおいて下記の（２）式の反応が起こる。
１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｏ2- …（２）
The electrons generated by the reaction of the above formula (1) pass through an external load (not shown) and reach the oxidant electrode 2C, and the reaction of the following formula (2) occurs at the oxidant electrode 2C.
1 / 2O 2 + 2e − → O 2− (2)
そして、上記の（２）式の反応によって生成された酸素イオンは、固体酸化物電解質膜２Ａを通って、燃料極２Ｂに到達する。上記の一連の反応を繰り返すことにより、燃料電池部２が発電動作を行うことになる。また、上記の（１）式から分かるように、本実施形態に係る燃料電池システムの発電動作時には、燃料極２Ｂ側においてＨ2が消費されＨ2Ｏが生成されることになる。 And the oxygen ion produced | generated by reaction of said (2) Formula reaches | attains the fuel electrode 2B through 2 A of solid oxide electrolyte membranes. By repeating the above series of reactions, the fuel cell unit 2 performs a power generation operation. Further, as can be seen from the above equation (1), during the power generation operation of the fuel cell system according to the present embodiment, H 2 is consumed and H 2 O is generated on the fuel electrode 2B side.
上記の（１）式及び（２）式より、本実施形態に係る燃料電池システムの発電動作時における燃料電池部２での反応は下記の（３）式の通りになる。
Ｈ2＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ …（３）
From the above formulas (1) and (2), the reaction in the fuel cell unit 2 during the power generation operation of the fuel cell system according to the present embodiment is as shown in the following formula (3).
H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O (3)
一方、燃料発生部材１は、下記の（４）式に示す酸化反応により、本実施形態に係る燃料電池システムの発電時に燃料電池部２の燃料極２Ｂ側で生成されたＨ2Ｏを消費してＨ2を生成する。
３Ｆｅ＋４Ｈ2Ｏ→Ｆｅ3Ｏ4＋４Ｈ2 …（４）
On the other hand, the fuel generating member 1 consumes H 2 O generated on the fuel electrode 2B side of the fuel cell unit 2 during power generation of the fuel cell system according to the present embodiment by an oxidation reaction expressed by the following equation (4). To produce H 2 .
3Fe + 4H 2 O → Fe 3 O 4 + 4H 2 (4)
上記の（４）式に示す鉄の酸化反応が進むと、鉄から酸化鉄への変化が進んで鉄残量が減っていくが、上記の（４）式の逆反応（還元反応）により、燃料発生部材１を再生することができ、本実施形態に係る燃料電池システムを充電することができる。 When the oxidation reaction of iron shown in the above formula (4) proceeds, the change from iron to iron oxide proceeds and the remaining amount of iron decreases, but by the reverse reaction (reduction reaction) of the above formula (4), The fuel generating member 1 can be regenerated and the fuel cell system according to this embodiment can be charged.
本実施形態に係る燃料電池システムの充電時に燃料電池部２は外部電源（不図示）に接続される。燃料電池部２では、本実施形態に係る燃料電池システムの充電時に、上記の（３）式の逆反応である下記の（５）式に示す電気分解反応が起こり、燃料極２Ｂ側においてＨ2Ｏが消費されＨ2が生成され、燃料発生部材１では、上記の（４）式に示す酸化反応の逆反応である下記（６）式に示す還元反応が起こり、燃料電池部２の燃料極２Ｂ側で生成されたＨ2が消費されＨ2Ｏが生成される。
Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋１／２Ｏ2 …（５）
Ｆｅ3Ｏ4＋４Ｈ2→３Ｆｅ＋４Ｈ2Ｏ …（６）
When the fuel cell system according to this embodiment is charged, the fuel cell unit 2 is connected to an external power source (not shown). In the fuel cell unit 2, when the fuel cell system according to this embodiment is charged, an electrolysis reaction shown in the following formula (5), which is a reverse reaction of the above formula (3), occurs, and H 2 is generated on the fuel electrode 2B side. O is consumed and H 2 is generated, and the fuel generating member 1 undergoes a reduction reaction represented by the following equation (6), which is a reverse reaction of the oxidation reaction represented by the above equation (4), and the fuel electrode of the fuel cell unit 2 H 2 produced on the 2B side is consumed and H 2 O is produced.
H 2 O → H 2 + 1 / 2O 2 (5)
Fe 3 O 4 + 4H 2 → 3Fe + 4H 2 O (6)
本実施形態では、燃料発生部材１及び燃料電池部２は、本実施形態に係る燃料電池システムの発電時と充電時の両方において、ヒーター３によって６００℃程度に加熱されるようにする。なお、燃料発生部材１は、本実施形態に係る燃料電池システムの発電時に上記の（４）式に示す酸化反応による水素の発生が可能な温度に加熱され、本実施形態に係る燃料電池システムの充電時に上記の（６）式に示す還元反応による燃料発生部材１の再生が可能な温度に加熱され、燃料電池部２は、本実施形態に係る燃料電池システムの発電時に上記の（３）式に示す発電反応による発電が可能な温度に加熱され、本実施形態に係る燃料電池システムの充電時に上記の（５）式に示す電気分解反応による電気分解が可能な温度に加熱されればよい。各加熱温度は例えば３００℃〜８００℃の範囲で設定され、各加熱温度はそれぞれ異なる値に設定されてもよい。また、必要に応じて燃料発生部材１を加熱するヒーター等を設けてもよい。 In the present embodiment, the fuel generating member 1 and the fuel cell unit 2 are heated to about 600 ° C. by the heater 3 both during power generation and charging of the fuel cell system according to the present embodiment. The fuel generating member 1 is heated to a temperature at which hydrogen can be generated by the oxidation reaction shown in the above equation (4) during power generation of the fuel cell system according to this embodiment, and the fuel cell system according to this embodiment During charging, the fuel generating member 1 is heated to a temperature at which the fuel generating member 1 can be regenerated by the reduction reaction shown in the above equation (6), and the fuel cell unit 2 performs the above equation (3) during power generation in the fuel cell system according to the present embodiment. The temperature may be heated to a temperature at which power generation by the power generation reaction shown in FIG. 5 is possible, and may be heated to a temperature at which the electrolysis by the electrolysis reaction shown in the above formula (5) can be performed when the fuel cell system according to the present embodiment is charged. Each heating temperature may be set in a range of 300 ° C. to 800 ° C., for example, and each heating temperature may be set to a different value. Moreover, you may provide the heater etc. which heat the fuel generation member 1 as needed.
第１の熱交換器１１は、循環用配管６内の燃料極２Ｂから排出されポンプ７に流入するまでのガスと酸化剤極入口側配管８内のガスとの間で熱交換する。本実施形態では、燃料電池部２が６００℃程度に加熱されているため、燃料極２Ｂから循環用配管６に排出されるガスの温度も６００℃程度である。一方、酸化剤極入口側配管８が外気あるいは空気ボンベや酸素ボンベ等からガスを取り入れて酸化剤極２Ｃにガスを供給するため、酸化剤極入口側配管８が取り入れるガスは概ね常温である。したがって、第１の熱交換器１１での熱交換により、循環用配管６内の燃料極２Ｂから排出されポンプ７に流入するまでのガスが冷却され、酸化剤極入口側配管８内のガスが加熱される。 The first heat exchanger 11 exchanges heat between the gas discharged from the fuel electrode 2B in the circulation pipe 6 and flowing into the pump 7 and the gas in the oxidant electrode inlet side pipe 8. In the present embodiment, since the fuel cell unit 2 is heated to about 600 ° C., the temperature of the gas discharged from the fuel electrode 2B to the circulation pipe 6 is also about 600 ° C. On the other hand, since the oxidant electrode inlet side pipe 8 takes in gas from outside air, an air cylinder, an oxygen cylinder or the like and supplies the gas to the oxidant electrode 2C, the gas taken in by the oxidant electrode inlet side pipe 8 is generally at room temperature. Therefore, by the heat exchange in the first heat exchanger 11, the gas discharged from the fuel electrode 2 </ b> B in the circulation pipe 6 and flowing into the pump 7 is cooled, and the gas in the oxidant electrode inlet side pipe 8 is cooled. Heated.
上記の通りポンプ７に流入するガスが冷却されるので、ポンプ７が高温になることを防止することができ、ポンプ７の耐久性の劣化を抑えることができる。また、上記の通り第１の熱交換器１１での熱交換により、循環用配管６内の燃料極２Ｂから排出されポンプ７に流入するまでのガスが冷却され、酸化剤極入口側配管８内のガスが加熱されるので、ポンプ７に流入するガスの冷却および酸化剤極２Ｃに供給されるガスの加熱に用いられるエネルギーを低減することができ、本実施形態に係る燃料電池システムの発電時には発電効率を高くすることができ、本実施形態に係る燃料電池システムの充電時には充電効率を高くすることができる。 Since the gas flowing into the pump 7 is cooled as described above, it is possible to prevent the pump 7 from reaching a high temperature and to suppress the deterioration of the durability of the pump 7. Further, as described above, by the heat exchange in the first heat exchanger 11, the gas discharged from the fuel electrode 2B in the circulation pipe 6 and flowing into the pump 7 is cooled, and the inside of the oxidant electrode inlet side pipe 8 is cooled. Since the gas is heated, the energy used for cooling the gas flowing into the pump 7 and heating the gas supplied to the oxidant electrode 2C can be reduced, and at the time of power generation of the fuel cell system according to the present embodiment. The power generation efficiency can be increased, and the charging efficiency can be increased when the fuel cell system according to the present embodiment is charged.
ポンプ７に流入するガスの冷却温度はポンプ７の耐熱性に適合した温度に設定するとよいが、より低温に設定する方がポンプ７の耐久性の劣化をより抑えることができるため好ましい。ただし、循環用配管６内のガスは水素と水蒸気の混合ガスであるため、結露が発生しない範囲でポンプ７に流入するガスの冷却温度をより低温にすることが好ましい。例えば、循環用配管６内のガスの全圧が１気圧である場合、ポンプ７に流入するガスの冷却温度を１００℃〜１２０℃にすれば、結露が発生せず、かつ、ポンプ７に流入するガスの冷却温度を十分低温にすることができる。ここで、十分低温とは、ポンプ７等の循環器として高耐熱性の特殊な循環器を使用する必要がなく、汎用的な循環器を使用することができる温度を意味している。 The cooling temperature of the gas flowing into the pump 7 is preferably set to a temperature suitable for the heat resistance of the pump 7, but it is preferable to set the cooling temperature to a lower temperature because deterioration of durability of the pump 7 can be further suppressed. However, since the gas in the circulation pipe 6 is a mixed gas of hydrogen and water vapor, it is preferable to lower the cooling temperature of the gas flowing into the pump 7 within a range where condensation does not occur. For example, when the total pressure of the gas in the circulation pipe 6 is 1 atm, if the cooling temperature of the gas flowing into the pump 7 is set to 100 ° C. to 120 ° C., condensation does not occur and the pump 7 flows into the pump 7. The cooling temperature of the gas to be made can be made sufficiently low. Here, “sufficiently low temperature” means a temperature at which a general circulator can be used without using a special circulator having high heat resistance as a circulator such as the pump 7.
第１の熱交換器１１は、例えば図２Ａに示すように循環用配管６と酸化剤極入口側配管８とを間隔を狭くして配置する構成とすることができる。また、熱交換可能な配管距離を長くするために、第１の熱交換器１１は、例えば図２Ｂに示すように循環用配管６と酸化剤極入口側配管８の少なくとも一方がらせん形状である構成であってもよく、例えば図２Ｃに示すように循環用配管６と酸化剤極入口側配管８の少なくとも一方が蛇行形状である構成であってもよい。第１の熱交換器１１内における循環用配管６及び酸化剤極入口側配管８の周囲は空間でもよいが、金属などの熱伝導率が高い材質で周囲を覆う方がより熱交換の効率が高くなるため好ましい。 As shown in FIG. 2A, for example, the first heat exchanger 11 can have a configuration in which the circulation pipe 6 and the oxidant electrode inlet side pipe 8 are arranged with a narrow interval. Moreover, in order to lengthen the pipe distance which can be heat-exchanged, as for the 1st heat exchanger 11, as shown, for example to FIG. For example, as shown in FIG. 2C, at least one of the circulation pipe 6 and the oxidant electrode inlet side pipe 8 may have a meandering shape. The space around the circulation pipe 6 and the oxidant electrode inlet side pipe 8 in the first heat exchanger 11 may be a space, but it is more efficient to cover the surroundings with a material having high thermal conductivity such as metal. Since it becomes high, it is preferable.
また、第１の熱交換器１１は、例えば図２Ｄに示すように循環用配管６と冷媒１２との間で熱交換し、酸化剤極入口側配管８と冷媒１２との間で熱交換し、冷媒１２が環状の閉空間内で流動可能となっており、冷媒１２が循環することで循環用配管６内のガスが冷却され、酸化剤極入口側配管８内のガスが加熱される構成であってもよい。 The first heat exchanger 11 exchanges heat between the circulation pipe 6 and the refrigerant 12 as shown in FIG. 2D, for example, and exchanges heat between the oxidant electrode inlet side pipe 8 and the refrigerant 12. The refrigerant 12 can flow in the annular closed space, and the refrigerant 12 circulates to cool the gas in the circulation pipe 6 and heat the gas in the oxidant electrode inlet side pipe 8. It may be.
また、第１の熱交換器１１は、例えば図２Ｅに示すように循環用配管６及び酸化剤極入口側配管８の一方の配管内に他方の配管を通す構成であってもよい。この場合、熱交換可能な配管距離を長くするために、一方の配管内を通る他方の配管を、図２Ｂ又は図２Ｃと同様にらせん形状又は蛇行形状にしてもよい。 The first heat exchanger 11 may have a configuration in which the other pipe is passed through one of the circulation pipe 6 and the oxidant electrode inlet side pipe 8 as shown in FIG. 2E, for example. In this case, in order to increase the pipe distance capable of heat exchange, the other pipe passing through one pipe may be formed in a spiral shape or a meandering shape as in FIG. 2B or 2C.
なお、第１の熱交換器１１において、循環用配管６内を流れるガスの向きと酸化剤極入口側配管８内を流れるガスの向きとは、互いに逆向きである対向流、同一方向である並流、互いに直交する直交流、その他の方向関係のいずれであってもよいが、熱交換の効率を向上させる観点からは対向流が好ましい。 In the first heat exchanger 11, the direction of the gas flowing in the circulation pipe 6 and the direction of the gas flowing in the oxidant electrode inlet side pipe 8 are opposite to each other, and are in the same direction. Any of parallel flow, orthogonal flow orthogonal to each other, and other directional relationships may be used, but counter flow is preferable from the viewpoint of improving the efficiency of heat exchange.
さらに、図３に示す本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの変形例のように、ポンプ７によるガスの循環を制御するためのガス循環制御部１３と、ガスの状態を検知するためのガス状態検知部１４とを設け、第１の熱交換器１１によって熱交換され、その後加熱されていないガスがガス循環制御部１３及びガス状態検知部１４に流入するようにしてもよい。この場合、ガス循環制御部１３及びガス状態検知部１４の耐久性の劣化も抑えることができる。ガス循環制御部１３としては例えばガスの流量を制御することができるマスフローコントローラを挙げることができ、ガス状態検知部１４としては例えば流量計、圧力計、露点計、温度計などを挙げることができる。なお、ガス循環制御部１３及びガス状態検知部１４のうちいずれか一方のみを設けても構わない。 Further, as in a modification of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 3, a gas circulation control unit 13 for controlling the gas circulation by the pump 7 and a gas state are detected. The gas state detection unit 14 may be provided so that the heat exchanged by the first heat exchanger 11 and then the unheated gas may flow into the gas circulation control unit 13 and the gas state detection unit 14. In this case, deterioration of durability of the gas circulation control unit 13 and the gas state detection unit 14 can also be suppressed. Examples of the gas circulation control unit 13 include a mass flow controller capable of controlling the gas flow rate, and examples of the gas state detection unit 14 include a flow meter, a pressure gauge, a dew point meter, and a thermometer. . Note that only one of the gas circulation control unit 13 and the gas state detection unit 14 may be provided.
また、図４に示すように循環用配管６内を流れるガスの向きを図１に示す本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムとは逆にしても構わない。この場合、第１の熱交換器１１は、循環用配管６内の燃料極２Ｂから排出され燃料発生部材１を通過した後であって前記循環器に流入するまでのガスと前記酸化剤極入口側配管内のガスとの間で熱交換する。 Further, as shown in FIG. 4, the direction of the gas flowing in the circulation pipe 6 may be reversed from that of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. In this case, the first heat exchanger 11 has the gas and the oxidant electrode inlet after being discharged from the fuel electrode 2B in the circulation pipe 6 and passing through the fuel generating member 1 until flowing into the circulator. Exchange heat with the gas in the side piping.
＜第２実施形態＞
図５は本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。本実施形態に係る燃料電池システムは、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムに第２の熱交換器１５を追加した構成である。
Second Embodiment
FIG. 5 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to the second embodiment of the present invention. The fuel cell system according to the present embodiment has a configuration in which a second heat exchanger 15 is added to the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.
第２の熱交換器１５は、循環用配管６内のポンプ７から流出され断熱容器１０の内部に到達するまでのガスと酸化剤極出口側配管９内のガスとの間で熱交換する。本実施形態では、燃料電池部２が６００℃程度に加熱されているため、酸化剤極２Ｃから酸化剤極出口側配管９に排出されるガスの温度も６００℃程度である。一方、循環用配管６内のポンプ７から流出され断熱容器１０の内部に到達するまでのガスは６００℃程度から第１の熱交換器１１によって冷却されており低温である。したがって、第２の熱交換器１５での熱交換により、酸化剤極出口側配管９内のガスが冷却され、循環用配管６内のポンプ７から流出され断熱容器１０の内部に到達するまでのガスが加熱される。 The second heat exchanger 15 exchanges heat between the gas that flows out from the pump 7 in the circulation pipe 6 and reaches the inside of the heat insulating container 10 and the gas in the oxidant electrode outlet side pipe 9. In the present embodiment, since the fuel cell unit 2 is heated to about 600 ° C., the temperature of the gas discharged from the oxidant electrode 2C to the oxidant electrode outlet side pipe 9 is also about 600 ° C. On the other hand, the gas that flows out from the pump 7 in the circulation pipe 6 and reaches the inside of the heat insulating container 10 is cooled by the first heat exchanger 11 from about 600 ° C. and is at a low temperature. Therefore, by the heat exchange in the second heat exchanger 15, the gas in the oxidant electrode outlet side pipe 9 is cooled, flows out from the pump 7 in the circulation pipe 6, and reaches the inside of the heat insulating container 10. The gas is heated.
なお、第２の熱交換器１５は第１の熱交換器１１と同様に様々の構成を用いることができる。 In addition, the 2nd heat exchanger 15 can use various structures similarly to the 1st heat exchanger 11. FIG.
本実施形態に係る燃料電池システムは、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムと同様の効果を奏する。さらに、上記の通り酸化剤極出口側配管９内のガスが冷却されるので、酸化剤極出口側配管９から外部への排熱を抑えることができ、本実施形態に係る燃料電池システムから外部へ無駄なエネルギーを排出することを抑えることができる。また、上記の通り第２の熱交換器１５での熱交換により、循環用配管６内のポンプ７から流出され断熱容器１０の内部に到達するまでのガスが加熱されるので、低温のガスが燃料発生部材１及び燃料極２Ｂに供給されることを防止できる。したがって、本実施形態に係る燃料電池システムの発電時には発電効率を第１実施形態よりも高くすることができ、本実施形態に係る燃料電池システムの充電時には充電効率を第１実施形態よりも高くすることができる。 The fuel cell system according to the present embodiment has the same effects as the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. Furthermore, since the gas in the oxidant electrode outlet side pipe 9 is cooled as described above, exhaust heat from the oxidant electrode outlet side pipe 9 to the outside can be suppressed, and the fuel cell system according to the present embodiment can be externally connected. It is possible to prevent wasteful energy from being discharged. Further, as described above, the heat exchange in the second heat exchanger 15 heats the gas that flows out of the pump 7 in the circulation pipe 6 and reaches the inside of the heat insulating container 10, so that the low-temperature gas is Supply to the fuel generating member 1 and the fuel electrode 2B can be prevented. Therefore, the power generation efficiency of the fuel cell system according to this embodiment can be higher than that of the first embodiment, and the charging efficiency of the fuel cell system according to this embodiment can be higher than that of the first embodiment. be able to.
＜第３実施形態＞
図６は本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。本実施形態に係る燃料電池システムは、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムに第３の熱交換器１６を追加した構成である。
<Third Embodiment>
FIG. 6 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention. The fuel cell system according to the present embodiment has a configuration in which a third heat exchanger 16 is added to the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention.
第３の熱交換器１６は、循環用配管６内の燃料極２Ｂから排出され第１の熱交換器１１に流入するまでのガスと循環用配管６内のポンプ７から流出され断熱容器１０の内部に到達するまでのガスとの間で熱交換する。本実施形態では、燃料電池部２が６００℃程度に加熱されているため、燃料極２Ｂから循環用配管６に排出されるガスの温度も６００℃程度である。一方、循環用配管６内のポンプ７から流出され断熱容器１０の内部に到達するまでのガスは６００℃程度から第１の熱交換器１１によって冷却されており低温であり、第２の熱交換器１５により加熱された後も燃料極２Ｂから循環用配管６に排出されるガスよりも低温であるものとする。したがって、第３の熱交換器１６での熱交換により、燃料極２Ｂから循環用配管６に排出されるガスが冷却され、循環用配管６内のポンプ７から流出され第２の熱交換器１５を通過して断熱容器１０の内部に到達するまでのガスが加熱される。 The third heat exchanger 16 is discharged from the fuel electrode 2B in the circulation pipe 6 and flows out from the pump 7 in the circulation pipe 6 until it flows into the first heat exchanger 11 and flows into the first heat exchanger 11. Exchange heat with the gas until it reaches the inside. In the present embodiment, since the fuel cell unit 2 is heated to about 600 ° C., the temperature of the gas discharged from the fuel electrode 2B to the circulation pipe 6 is also about 600 ° C. On the other hand, the gas that flows out from the pump 7 in the circulation pipe 6 and reaches the inside of the heat insulating container 10 is cooled by the first heat exchanger 11 from about 600 ° C. and is at a low temperature, and the second heat exchange. It is assumed that the temperature is lower than the gas discharged from the fuel electrode 2B to the circulation pipe 6 even after being heated by the vessel 15. Therefore, the gas discharged from the fuel electrode 2 </ b> B to the circulation pipe 6 is cooled by heat exchange in the third heat exchanger 16, and is discharged from the pump 7 in the circulation pipe 6 to be second heat exchanger 15. The gas until it passes through and reaches the inside of the heat insulating container 10 is heated.
なお、第３の熱交換器１６は第１の熱交換器１１や第２の熱交換器１５と同様に様々の構成を用いることができる。 In addition, the 3rd heat exchanger 16 can use various structures similarly to the 1st heat exchanger 11 and the 2nd heat exchanger 15. FIG.
本実施形態に係る燃料電池システムは、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムと同様の効果を奏するが、第３の熱交換器１６によってポンプ７に流入するガスがより一層冷却され、循環用配管６内のポンプ７から流出され断熱容器１０の内部に到達するまでのガスがより一層加熱されるので、第２実施形態よりも効果が顕著になる。 The fuel cell system according to this embodiment has the same effects as the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention, but the gas flowing into the pump 7 is further cooled by the third heat exchanger 16, Since the gas that flows out from the pump 7 in the circulation pipe 6 and reaches the inside of the heat insulating container 10 is further heated, the effect is more remarkable than in the second embodiment.
なお、酸化剤極出口側配管９内のガスが燃料極２Ｂから循環用配管６に排出されるガスよりも高温である場合には、図７に示すように循環用配管６内のポンプ７から流出されたガスが第３の熱交換器１６、第２の熱交換器１５の順で第３の熱交換器１６、第２の熱交換器１５を通過するようにすればよい。 When the gas in the oxidant electrode outlet side pipe 9 is at a higher temperature than the gas discharged from the fuel electrode 2B to the circulation pipe 6, the pump 7 in the circulation pipe 6 is used as shown in FIG. The outflowed gas may pass through the third heat exchanger 16 and the second heat exchanger 15 in the order of the third heat exchanger 16 and the second heat exchanger 15.
＜第４実施形態＞
図８は本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。本実施形態に係る燃料電池システムは、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムにガス接続口１７及び１８を追加した構成である。
<Fourth embodiment>
FIG. 8 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to the fourth embodiment of the present invention. The fuel cell system according to the present embodiment has a configuration in which gas connection ports 17 and 18 are added to the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.
本実施形態に係る燃料電池システムは、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムと同様の効果を奏する。 The fuel cell system according to the present embodiment has the same effects as the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.
本発明の第１〜第３実施形態に係る燃料電池システム及び本実施形態に係る燃料電池システムは、容器４、容器５、循環用配管６、及び固体酸化物電解質膜２Ａで囲まれる空間が閉空間になっているが、完全な封止は困難であるため、時間経過とともに窒素などの不要なガスが容器４、容器５、循環用配管６、及び固体酸化物電解質膜２Ａで囲まれる空間に混入し、上記の（３）〜（５）式に示す反応で用いられる反応ガス（Ｈ2、Ｈ2Ｏ）の分圧が下がり、その結果、燃料電池システムの性能が劣化する。 In the fuel cell system according to the first to third embodiments of the present invention and the fuel cell system according to the present embodiment, the space surrounded by the container 4, the container 5, the circulation pipe 6, and the solid oxide electrolyte membrane 2A is closed. Although it is a space, it is difficult to completely seal it. As time passes, unnecessary gas such as nitrogen is surrounded by the container 4, the container 5, the circulation pipe 6, and the solid oxide electrolyte membrane 2A. The partial pressure of the reaction gas (H 2 , H 2 O) mixed in and used in the reactions shown in the above equations (3) to (5) decreases, and as a result, the performance of the fuel cell system deteriorates.
したがって、容器４、容器５、循環用配管６、及び固体酸化物電解質膜２Ａで囲まれる空間内のガスを定期的に反応ガス（Ｈ2、Ｈ2Ｏ）で置換して燃料電池システムの性能を回復させることが好ましい。 Accordingly, the gas in the space surrounded by the container 4, the container 5, the circulation pipe 6, and the solid oxide electrolyte membrane 2 </ b > A is periodically replaced with the reaction gas (H 2 , H 2 O), and the performance of the fuel cell system. It is preferable to recover.
本実施形態に係る燃料電池システムでは、外部から循環用配管６内へのガス供給を可能にするためのガス接続口１７及び１８を設けることで、反応ガス（Ｈ2、Ｈ2Ｏ）の供給源を必要なときにだけ循環用配管６に接続することを可能にしている。また、循環用配管６の第１の熱交換器１１によって熱交換されその後加熱されていないガスが通過する部分に、ガス接続口１７及び１８を設けているので、ガス接続口１７及び１８が高温にならない。これにより、高温による錆や変形がガス接続口１７及び１８に生じることを防止することができ、ガス接続口１７及び１８の接続不良を防止することができる。 In the fuel cell system according to the present embodiment, reaction gas (H 2 , H 2 O) is supplied by providing gas connection ports 17 and 18 for enabling gas supply from the outside into the circulation pipe 6. It is possible to connect the source to the circulation pipe 6 only when necessary. Moreover, since the gas connection ports 17 and 18 are provided in the part through which the gas which has been heat-exchanged by the 1st heat exchanger 11 of the circulation pipe 6 and is not heated after that passes, the gas connection ports 17 and 18 are high temperature. do not become. Thereby, it can prevent that the rust and deformation | transformation by high temperature arise in the gas connection ports 17 and 18, and the connection failure of the gas connection ports 17 and 18 can be prevented.
ガス接続口１７は、外部配管１９が接続されていない状態において循環用配管６の内部と外部とのガスの流通を遮断し、図８に示すように外部配管１９が接続されている状態において循環用配管６の内部と外部配管１９の内部との間でガスを流通させ、循環用配管６及び外部配管１９の内部と外部とのガスの流通を遮断する。同様に、ガス接続口１８は、外部配管２０が接続されていない状態において循環用配管６の内部と外部とのガスの流通を遮断し、図９に示すように外部配管２０が接続されている状態において循環用配管６の内部と外部配管２０の内部との間でガスを流通させ、循環用配管６及び外部配管２０の内部と外部とのガスの流通を遮断する。 The gas connection port 17 blocks the circulation of gas between the inside and outside of the circulation pipe 6 when the external pipe 19 is not connected, and circulates when the external pipe 19 is connected as shown in FIG. Gas is circulated between the inside of the piping for piping 6 and the inside of the external piping 19, and the circulation of gas between the inside and outside of the piping for circulation 6 and the external piping 19 is blocked. Similarly, the gas connection port 18 blocks the gas flow between the inside and the outside of the circulation pipe 6 when the external pipe 20 is not connected, and the external pipe 20 is connected as shown in FIG. In this state, gas is circulated between the inside of the circulation pipe 6 and the inside of the external pipe 20, and the circulation of gas between the inside and outside of the circulation pipe 6 and the external pipe 20 is blocked.
図９に示す状態にすることで、容器４、容器５、循環用配管６、及び固体酸化物電解質膜２Ａで囲まれる空間内のガスを反応ガス（Ｈ2、Ｈ2Ｏ）で置換することが可能になる。 In the state shown in FIG. 9, the gas in the space surrounded by the container 4, the container 5, the circulation pipe 6, and the solid oxide electrolyte membrane 2A is replaced with a reactive gas (H 2 , H 2 O). Is possible.
＜その他＞ <Others>
上述した実施形態では、燃料電池部２の燃料ガスを水素にしているが、一酸化炭素や炭化水素など水素以外の還元性ガスを燃料電池部２の燃料ガスとして用いても構わない。 In the embodiment described above, the fuel gas of the fuel cell unit 2 is hydrogen, but a reducing gas other than hydrogen, such as carbon monoxide or hydrocarbon, may be used as the fuel gas of the fuel cell unit 2.
また、上述した各実施形態同士は、矛盾のない限り適宜組み合わせて実施しても構わない。また、上述した各実施形態において説明した具体例や変形例は矛盾のない限り他の実施形態において適用しても構わない。 Further, the above-described embodiments may be appropriately combined as long as there is no contradiction. Further, the specific examples and modifications described in the above-described embodiments may be applied to other embodiments as long as there is no contradiction.
上述した各実施形態に係る燃料電池システムは循環器を冷却する冷却装置や酸化剤極入口側配管内のガスを加熱する加熱装置を備えていないが、必要に応じてこれらの装置を設けてもよい。循環器を冷却する冷却装置や酸化剤極入口側配管内のガスを加熱する加熱装置を設ける場合でも、本発明に係る燃料電池システムによると、これらの装置に投入するエネルギーを熱交換器による熱交換の分だけ低減することができるため、発電効率を高くすることができる。 The fuel cell system according to each of the above-described embodiments does not include a cooling device that cools the circulator and a heating device that heats the gas in the oxidant electrode inlet side pipe, but these devices may be provided as necessary. Good. Even when a cooling device for cooling the circulator and a heating device for heating the gas in the oxidant electrode inlet side pipe are provided, according to the fuel cell system according to the present invention, the energy input to these devices is heated by the heat exchanger. Since the amount of replacement can be reduced, the power generation efficiency can be increased.
１ 燃料発生部材
２ 固体酸化物型燃料電池部
２Ａ 固体酸化物電解質膜
２Ｂ 燃料極
２Ｃ 酸化剤極
３ ヒーター
４、５ 容器
６ 循環用配管
７ ポンプ
８ 酸化剤極入口側配管
９ 酸化剤極出口側配管
１０ 断熱容器
１１ 第１の熱交換器
１２ 冷媒
１３ ガス循環制御部
１４ ガス状態検知部
１５ 第２の熱交換器
１６ 第３の熱交換器
１７、１８ ガス接続口
１９、２０ 外部配管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel generating member 2 Solid oxide fuel cell part 2A Solid oxide electrolyte membrane 2B Fuel electrode 2C Oxidant electrode 3 Heater 4, 5 Container 6 Circulation piping 7 Pump 8 Oxidant electrode inlet side piping 9 Oxidant electrode outlet side Piping 10 Thermal insulation container 11 First heat exchanger 12 Refrigerant 13 Gas circulation control unit 14 Gas state detection unit 15 Second heat exchanger 16 Third heat exchanger 17, 18 Gas connection port 19, 20 External piping
Claims (7)
酸素を含む酸化剤ガスと前記燃料発生部材から供給される燃料ガスとの反応により発電を行う固体酸化物型燃料電池部と、
前記燃料発生部材と前記燃料電池部の燃料極との間でガスを循環させるための循環用配管と、
前記燃料発生部材と前記燃料極との間でガスを機械的なエネルギーを用いて強制的に循環させる循環器と、
前記燃料電池部の発電時に前記燃料電池部の酸化剤極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤極入口側配管と、
前記循環用配管内の前記燃料極から排出され前記循環器に流入するまでのガスと前記酸化剤極入口側配管内のガスとの間で熱交換する第１の熱交換器とを備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel generating member that generates fuel gas by a chemical reaction;
A solid oxide fuel cell unit that generates power by a reaction between an oxidant gas containing oxygen and a fuel gas supplied from the fuel generating member;
A circulation pipe for circulating gas between the fuel generating member and the fuel electrode of the fuel cell unit;
A circulator for forcibly circulating gas between the fuel generating member and the fuel electrode using mechanical energy;
An oxidant electrode inlet side pipe for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell unit during power generation of the fuel cell unit;
A first heat exchanger that exchanges heat between the gas discharged from the fuel electrode in the circulation pipe and flowing into the circulator and the gas in the oxidant electrode inlet-side pipe. A fuel cell system.
前記循環用配管内の前記循環器から流出され前記燃料極に到達するまでのガスと前記酸化剤極出口側配管内のガスとの間で熱交換する第２の熱交換器とを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 An oxidant electrode outlet side pipe for discharging the gas after reaction at the oxidant electrode;
A second heat exchanger that exchanges heat between the gas that flows out from the circulator in the circulation pipe and reaches the fuel electrode and the gas in the oxidant electrode outlet side pipe. The fuel cell system according to claim 1, wherein
前記循環用配管の前記第１の熱交換器によって熱交換された後のガスが通過する部分に、前記外部ガス接続口が設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 Provided with an external gas connection port for enabling gas supply from the outside into the circulation pipe,
The said external gas connection port is provided in the part through which the gas after heat-exchanged by the said 1st heat exchanger of the said piping for circulation passes is provided. The fuel cell system described.
前記循環用配管内の前記第１の熱交換器によって熱交換された後のガスが前記ガス循環制御部に流入することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 A gas circulation control unit for controlling gas circulation by the circulator;
The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the gas after the heat exchange by the first heat exchanger in the circulation pipe flows into the gas circulation control unit. system.
前記循環用配管内の前記第１の熱交換器によって熱交換された後のガスが前記ガス状態検知部に流入することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 Provided with a gas state detector for detecting the gas state,
The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the gas after heat exchange by the first heat exchanger in the circulation pipe flows into the gas state detection unit. system.
前記燃料電池部が、前記燃料発生部材の再生時に前記燃料発生部材から供給される前記逆反応の生成物を電気分解することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 The fuel generating member can be regenerated by a reverse reaction of the chemical reaction;
The fuel according to any one of claims 1 to 6, wherein the fuel cell unit electrolyzes the product of the reverse reaction supplied from the fuel generating member during regeneration of the fuel generating member. Battery system.
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