JP3246515B2 - Fuel cell system - Google Patents
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- JP3246515B2 JP3246515B2 JP02941492A JP2941492A JP3246515B2 JP 3246515 B2 JP3246515 B2 JP 3246515B2 JP 02941492 A JP02941492 A JP 02941492A JP 2941492 A JP2941492 A JP 2941492A JP 3246515 B2 JP3246515 B2 JP 3246515B2
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、高温動作型の燃料電池
を有する燃料電池システムに関し、特に、水素ガスを含
む燃料を使用する燃料電池を有する燃料電池システムに
関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell system having a high-temperature operation type fuel cell, and more particularly to a fuel cell system having a fuel cell using a fuel containing hydrogen gas.
【０００２】[0002]
【従来の技術】一般に燃料電池では、負極（アノード）
に燃料として例えば水素ガスなどを含むものが供給さ
れ、正極（カソード）に酸化剤として酸素ガスや空気が
供給される。ここで、電解質として固体電解質や溶融塩
などを用いる高温動作型の燃料電池を用いる場合、これ
ら負極および正極に供給される燃料や酸化剤は、燃料電
池本体に送り込まれる前に、予め燃料電池の稼動温度近
くまで加熱する必要がある。稼動温度近くまでに燃料や
酸化剤を加熱する熱源としては、燃料電池で発電する際
に生じる熱エネルギーや、燃料電池から排出される未反
応の水素を燃焼して得られる燃焼熱が利用されている。
また、この高温動作型の燃料電池を使用する場合、系全
体としてのエネルギー利用効率を高めるため、排熱を利
用して、タービンによる発電、吸収式冷凍機による冷
房、給湯などが行なわれる。BACKGROUND OF THE INVENTION In general fuel cell, the negative electrode (anode)
As example those including hydrogen gas fuel is supplied, oxygen gas or air is supplied as an oxidizing agent to the positive electrode (cathode) to. Here, the case of using a fuel cell of high temperature operation type and the like solid electrolyte or a molten salt as an electrolyte, the fuel and oxidant supplied to these negative electrode and the positive electrode, before being fed to the fuel cell body, advance the fuel The battery needs to be heated to near the operating temperature. As a heat source for heating the fuel and oxidant to near the operating temperature, heat energy generated when generating power in the fuel cell and combustion heat obtained by burning unreacted hydrogen discharged from the fuel cell are used. I have.
In addition, in the case of using the high-temperature operation type fuel cell, power generation by a turbine, cooling by an absorption refrigerator, hot water supply, and the like are performed by using exhaust heat in order to increase the energy use efficiency of the entire system.
【０００３】図３は、従来の燃料電池システムの構成を
示す図である。この燃料電池システムでは、天然ガス
（主成分はメタンＣＨ4）から改質によって水素ガス
（Ｈ2）を含む燃料を生成し、この燃料を用いて燃料電
池５１により発電を行なうものである。この燃料電池シ
ステムは、高温動作型の燃料電池５１、天然ガスを受け
入れて天然ガスから硫黄分を取り除く脱硫装置５２、脱
硫装置５２の出口側に設けられた改質装置５３、２個の
熱交換器５４,５５、燃料電池５１からの未反応の水素
を燃焼させる燃焼室５６、排熱を利用して発電を行なう
ためのタービン５７によって構成されている。FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a conventional fuel cell system. In this fuel cell system, a fuel containing hydrogen gas (H 2 ) is generated from natural gas (main component is methane CH 4 ) by reforming, and power is generated by a fuel cell 51 using this fuel. This fuel cell system includes a fuel cell 51 of a high-temperature operation type, a desulfurization device 52 that receives natural gas and removes sulfur from natural gas, a reforming device 53 provided at an outlet side of the desulfurization device 52, and two heat exchange units. The fuel cell 51 includes combustion units 56 for burning unreacted hydrogen from the fuel cell 51, and a turbine 57 for generating electric power by using exhaust heat.
【０００４】この燃料電池システムでは、脱硫装置５２
と改質装置５３との間で脱硫後の天然ガスに水蒸気が加
えられ、改質装置５３内で、水蒸気が加えられた天然ガ
スが水素ガス（Ｈ2）と二酸化炭素（ＣＯ2）に変換され
るようになっている。改質装置５３からの水素を含むガ
ス（水素導入流）は、第１の熱交換器５４の一方の側を
通過して燃料電池５１の稼動温度にまで加熱され、燃料
電池５１の負極５１ａに供給される。一方、酸素導入流
すなわち空気または酸素に富んだ空気は、第２の熱交換
器５５の一方の側を通過して稼動温度まで加熱され、燃
料電池５１の正極５１ｋに供給される。In this fuel cell system, a desulfurizer 52
Steam is added to the natural gas after desulfurization between the gas and the reformer 53, and the natural gas to which the steam is added is converted into hydrogen gas (H 2 ) and carbon dioxide (CO 2 ) in the reformer 53. It is supposed to be. The gas containing hydrogen (hydrogen introduction flow) from the reformer 53 passes through one side of the first heat exchanger 54 and is heated to the operating temperature of the fuel cell 51, and the negative electrode 51a of the fuel cell 51 Supplied to Meanwhile, the air rich in oxygen introduction flow i.e. air or oxygen is passed through one side of the second heat exchanger 55 is heated to the operating temperature, it is supplied to the positive electrode 51k of the fuel cell 51.
【０００５】燃料電池５１では、負極５１ａに導入され
た水素（Ｈ2）と正極５１ｋに導入された酸素（Ｏ2）と
が反応し、電気と熱を発生する。そして、負極５１ａか
らは、反応によって生成された水蒸気、改質の際に生成
された二酸化炭素、未反応の水素が排出される。また、
正極５１ｋからは、窒素と未反応の酸素が排出される。
これら負極５１ａおよび正極５１ｋから排出されるガス
は、燃焼室５６で合流する。燃焼室５６では、未反応の
水素が燃焼し、高温の排ガスが排出される。この高温の
排ガスは、第１および第２の熱交換器５４,５５のそれ
ぞれ他方の側に導入され、水素導入流および酸素導入流
の加熱のために使用され、その後さらにタービン５７に
導入され、発電のために使用される。この場合、水素導
入流および酸素導入流を燃料電池５１の稼動温度にまで
到達させるのに要する熱量は、定常運転時において、全
発熱量の２０〜３０％であり、全発熱量のうちの残りの
熱量は、タービン５７での発電や、さらに、図示しない
吸収式冷凍機による冷房、給湯などのために使用され
る。[0005] In the fuel cell 51, oxygen is introduced into the positive electrode 51k hydrogen introduced into the negative electrode 51a (H 2) (O 2 ) and react to generate electricity and heat. Then, the negative electrode 51a, the water vapor generated by the reaction, the carbon dioxide generated during the reforming, unreacted hydrogen is discharged. Also,
From the positive electrode 51k, oxygen nitrogen and unreacted is discharged.
Gas discharged from these negative electrode 51a and a positive electrode 51k merges with the combustion chamber 56. In the combustion chamber 56, unreacted hydrogen is burned, and high-temperature exhaust gas is discharged. This hot exhaust gas is introduced to the other side of each of the first and second heat exchangers 54 and 55 and used for heating the hydrogen introduction stream and the oxygen introduction stream, and then further introduced to the turbine 57. Used for power generation. In this case, the amount of heat required to cause the hydrogen introduction flow and the oxygen introduction flow to reach the operating temperature of the fuel cell 51 during normal operation is 20 to 30% of the total heat generation, and the remaining heat generation Is used for power generation in the turbine 57, and also for cooling and hot water supply by an absorption refrigerator (not shown).
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】上述のように従来の燃
料電池システムでは、系全体でのエネルギー利用効率を
高めるため、タービンによる発電、吸収式冷凍機による
冷房、給湯などが行なわれているが、例えばタービンに
よる発電の場合、高温の熱エネルギーを利用するもの
の、発電効率が３０％程度であって残りの７０％は利用
されないという問題点がある。吸収式冷凍機の場合、そ
の動作温度が２００℃以下であって、高温の熱エネルギ
ーを有効には利用していないという問題点がある。さら
に、給湯などの場合、大量に湯を使う用途は限られてお
り、また吸収式冷凍機と同様に高温の熱エネルギーを有
効には利用していという問題点がある。As described above, in the conventional fuel cell system, power generation by a turbine, cooling by an absorption refrigerator, hot water supply, and the like are performed in order to increase the energy use efficiency of the entire system. For example, in the case of power generation using a turbine, there is a problem that, although high-temperature heat energy is used, the power generation efficiency is about 30% and the remaining 70% is not used. In the case of an absorption refrigerator, there is a problem that the operating temperature is 200 ° C. or less and high-temperature heat energy is not effectively used. In addition, in the case of hot water supply and the like, the use of a large amount of hot water is limited, and there is a problem that high-temperature heat energy is effectively used similarly to the absorption refrigerator.
【０００７】本発明の目的は、系で発生する高温の熱エ
ネルギーを有効に利用できる燃料電池システムを提供す
ることにある。An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of effectively utilizing high-temperature heat energy generated in a system.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】第１の発明の燃料電池シ
ステムは、温度差電池が設けられ、前記燃料電池システ
ムに外部から供給される燃料は、前記温度差電池の低温
電極に供給され、その後前記温度差電池の高温電極に供
給され、前記高温電極は前記燃料電池システムの排熱で
加熱され、前記高温電極から流出する前記燃料が前記燃
料電池に供給される。The fuel cell system SUMMARY OF THE INVENTION The first invention is provided with a temperature difference battery, fuel supplied from the outside to the fuel cell system is supplied to the cold electrode of the temperature difference battery, After that, it is supplied to the high-temperature electrode of the temperature difference battery.
Is fed, prior Symbol high temperature electrode is heated by exhaust heat of the fuel cell system, the fuel flowing from the hot electrode is supplied to the fuel cell.
【０００９】第２の発明の燃料電池システムは、燃料電
池に供給される燃料を予備加熱する予備加熱手段と、前
記燃料電池に供給される前の前記予備加熱手段で予備加
熱された前記燃料と前記予備加熱手段で予備加熱される
前の前記燃料との温度差を利用して発電する温度差電池
とが設けられている。A fuel cell system according to a second aspect of the present invention includes a preheating means for preheating fuel supplied to the fuel cell, and the fuel preheated by the preheating means before being supplied to the fuel cell. There is provided a temperature difference battery for generating electric power by utilizing a temperature difference with the fuel before being preheated by the preheating means.
【００１０】[0010]
【作用】一般に燃料電池システムでは、水素ガスを含む
燃料を燃料電池の稼動温度まで加熱する必要がある。本
発明の燃料電池システムでは、燃料の成分である水素を
用いた温度差電池を構成することにより、燃料電池シス
テムの運転時に排出される高温の排ガスの熱エネルギー
をより有効に利用することができる。水素を用いた温度
差電池は、水素の酸化還元電位が温度によって変化する
ことを利用したものであり、燃料電池に導入するために
加熱されて高温になった水素と燃料電池システムの外部
から供給された低温の水素との間で起電力を発生させる
ものである。温度差電池を設けることにより、高温の熱
エネルギーを電気エネルギーに変換するとともに水素を
稼動温度まで加熱することができ、総合的なエネルギー
効率が高く、保守の容易なシステムを実現できる。Generally, in a fuel cell system, it is necessary to heat a fuel containing hydrogen gas to the operating temperature of the fuel cell. In the fuel cell system of the present invention, by configuring the temperature difference cell using hydrogen as a fuel component, the thermal energy of the high-temperature exhaust gas discharged during operation of the fuel cell system can be more effectively used. . A temperature difference battery using hydrogen is based on the fact that the oxidation-reduction potential of hydrogen changes depending on the temperature.Hydrogen heated to a high temperature for introduction into a fuel cell and supplied from outside the fuel cell system It generates an electromotive force with the generated low-temperature hydrogen. By providing a temperature difference battery, high-temperature heat energy can be converted to electric energy and hydrogen can be heated to the operating temperature, and a system with high overall energy efficiency and easy maintenance can be realized.
【００１１】まず、水素の温度差電池の原理について説
明する。First, the principle of the hydrogen temperature difference battery will be described.
【００１２】高温および低温の水素を用いた温度差電池
は、一般に、多孔性の低温電極と、同じく多孔性の高温
電極と、これら両方の電極に挟持された電解質とによっ
て構成される。電解質としては、プロトン（Ｈ+イオ
ン）伝導性の固体が一般に使用される。低温電極には、
電解質に接しない側から低温の水素が供給され、高温電
極には、高温の水素が接触している。ここで、両方の電
極を構成する物質が電極反応で変化せず、高温電極が高
温の熱媒体に接していてその温度が低温電極よりも高
く、各電極での水素の圧力（分圧）が等しいと仮定する
と、水素の酸化還元電位の温度による変化によって、低
温電極では、 Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- の反応が起こる。この反応により生成したＨ+イオン
（プロトン）は電解質中を通り高温電極へ移動する。ま
た高温電極では、 ２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2 の反応により水素（ガス）の生成反応が起こる。このよ
うに、高温と低温の水素による起電力の発現により、電
子は低温電極から外部回路を通じて高温電極へ移動す
る。すなわち、水素を用いた温度差電池系においては、
高温電極に供給される高温の熱媒体の熱エネルギーを電
気エネルギーに変換することが可能となる。ここで、外
部の配管を通して、低温電極で電極反応を起こさなかっ
た水素を高温電極に供給し高温の熱媒体と熱交換させれ
ば、発電と同時に水素を低温から高温へ加熱すること可
能となる。また、燃料電池の燃料として純水素を用い、
温度差電池の電解質のプロトン伝導量を大きくすれば、
燃料として使用される純水素の全量をプロトン伝導によ
って（すなわち温度差電池の電極反応に寄与させて）、
低温電極から高温電極に向けて輸送することが可能とな
る。この場合も、発電と同時に燃料の水素ガスの加熱が
行なわれることになる。高温の熱媒体としては、燃料電
池システムから発生する高温の排ガスを用いることがで
き、また、そのようにすることによってエネルギー変換
効率の向上という本発明の目的を達成することができ
る。A temperature difference battery using high-temperature and low-temperature hydrogen is generally constituted by a porous low-temperature electrode, a similarly porous high-temperature electrode, and an electrolyte sandwiched between these two electrodes. As the electrolyte, a proton (H + ion) conductive solid is generally used. For the low-temperature electrode,
Low-temperature hydrogen is supplied from the side not in contact with the electrolyte, and high-temperature hydrogen is in contact with the high-temperature electrode. Here, the material constituting both electrodes does not change due to the electrode reaction, the high-temperature electrode is in contact with the high-temperature heat medium, the temperature is higher than the low-temperature electrode, and the hydrogen pressure (partial pressure) at each electrode increases. Assuming that they are equal, a change in the oxidation-reduction potential of hydrogen with temperature causes a reaction of H 2 → 2H + + 2e − at the low-temperature electrode. H + ions (protons) generated by this reaction move through the electrolyte to the high-temperature electrode. At the high-temperature electrode, a reaction of generating hydrogen (gas) occurs by a reaction of 2H + + 2e − → H 2 . As described above, the electromotive force generated by the high-temperature and low-temperature hydrogen causes the electrons to move from the low-temperature electrode to the high-temperature electrode through an external circuit. That is, in a temperature difference battery system using hydrogen,
It becomes possible to convert the heat energy of the high-temperature heat medium supplied to the high-temperature electrode into electric energy. Here, if hydrogen that does not cause an electrode reaction at the low-temperature electrode is supplied to the high-temperature electrode and exchanged heat with a high-temperature heat medium through an external pipe, the hydrogen can be heated from a low temperature to a high temperature simultaneously with power generation. . Also, pure hydrogen is used as fuel for the fuel cell,
By increasing the proton conductivity of the electrolyte of the temperature difference battery,
The entire amount of pure hydrogen used as fuel is transferred by proton conduction (ie, by contributing to the electrode reaction of the temperature difference battery),
It becomes possible to transport from a low-temperature electrode to a high-temperature electrode. In this case as well, the heating of the fuel hydrogen gas is performed simultaneously with the power generation. As the high-temperature heat medium, high-temperature exhaust gas generated from the fuel cell system can be used, and by doing so, the object of the present invention of improving energy conversion efficiency can be achieved.
【００１３】さらに、電解質を通り高温電極から低温電
極へ移動する熱エネルギーのうち発電に使われないもの
は、低温の水素の昇温に使われるため熱の損失にはなら
ないという利点を有している。すなわち、一般に温度差
電池では、高温電極から低温電極へ熱が移動して低温電
極から散逸することが効率の低下につながっていたが、
本発明では、この散逸する熱を燃料電池に供給される燃
料の加熱に使用することになり、従来の温度差電池の欠
点を利点に変えたことになる。Further, among the thermal energies that move from the high-temperature electrode to the low-temperature electrode through the electrolyte, those that are not used for power generation have the advantage that they are used for raising the temperature of low-temperature hydrogen and do not cause heat loss. I have. That is, in general, in a temperature difference battery, heat is transferred from the high-temperature electrode to the low-temperature electrode and dissipated from the low-temperature electrode, leading to a decrease in efficiency.
In the present invention, this dissipated heat is used for heating the fuel supplied to the fuel cell, which has turned the disadvantages of the conventional temperature difference cell into advantages.
【００１４】本発明では温度差電池を設けているので、
温度差電池を設けず熱交換のみによって燃料を加熱する
場合に比べ、温度差電池からの出力電力に対応する分だ
け、燃料の加熱に要する熱エネルギーが増加することに
なる。しかしながら、熱源として燃料電池システムの高
温の排ガスを使用している場合には、この増加した熱エ
ネルギーは、従来、有効には利用されていなかった熱エ
ネルギーであり、熱エネルギーの利用効率が高まること
になる。In the present invention, since a temperature difference battery is provided,
The heat energy required for heating the fuel is increased by an amount corresponding to the output power from the temperature difference battery, as compared with the case where the fuel is heated only by heat exchange without providing the temperature difference battery. However, when high-temperature exhaust gas from a fuel cell system is used as a heat source, the increased heat energy is heat energy that has not been effectively used in the past, and the heat energy use efficiency is increased. become.
【００１５】本発明において、温度差電池の各電極に用
いる電極材料としては、多孔性、導電性を有し、使用す
る温度環境に耐えられるものであればよく、例えば、多
孔性の炭素電極、多孔質焼結ニッケル電極、多孔質チタ
ン電極、多孔質白金電極などが好適に用いられる。ま
た、温度差電池の電解質の材料としては、プロトン伝導
性を有するものであれば限定されるものではないが、例
えば、Ｈ3ＰＷ12Ｏ40・２９Ｈ2Ｏ，Ｈ3Ｍｏ12ＰＯ40・
２９Ｈ2Ｏ，ＨＵＯ2ＰＯ4・４Ｈ2Ｏ，Ｚｒ（ＨＰＯ4）2
・２Ｈ2Ｏ，ＳｒＣｅ0.95Ｙｂ0.05Ｏ3，ＫＨ2ＰＯ4，Ｓ
ｒＣｅＯ3系などのものが好適に用いられる。In the present invention, the electrode material used for each electrode of the temperature difference battery is not particularly limited as long as it has porosity and conductivity and can withstand the temperature environment in which it is used. A porous sintered nickel electrode, a porous titanium electrode, a porous platinum electrode, or the like is preferably used. The material of the electrolyte of the temperature difference battery is not limited as long as it has proton conductivity. For example, H 3 PW 12 O 40 .29 H 2 O, H 3 Mo 12 PO 40.
29H 2 O, HUO 2 PO 4 · 4H 2 O, Zr (HPO 4) 2
・ 2H 2 O, SrCe 0.95 Yb 0.05 O 3 , KH 2 PO 4 , S
An rCeO 3 type or the like is preferably used.
【００１６】[0016]
【実施例】次に本発明の実施例について図面を参照して
説明する。図１は、本発明の一実施例の燃料電池システ
ムの構成を示す図、図２は、本発明に使用される温度差
電池の構成の一例を説明する模式断面図である。Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to one embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic sectional view illustrating an example of a configuration of a temperature difference cell used in the present invention.
【００１７】この燃料電池システムは、天然ガス（主成
分はメタンＣＨ4）から改質によって水素ガス（Ｈ2）を
含む燃料を生成し、この燃料を燃料電池１に供給するも
のであって、高温動作型の燃料電池１、天然ガスを受け
入れて天然ガスから硫黄分を取り除く脱硫装置２、脱硫
装置２の出口に接続された改質装置３、改質装置３の出
口と燃料電池１の負極１ａの入口との間に設けられた温
度差電池４、空気もしくは酸素に富んだ空気（酸素導入
流）を燃料電池１の稼動温度近傍まで加熱するための熱
交換器５、燃料電池１の負極１ａと正極１ｋのそれぞれ
の出口に接続され燃料電池１からの未反応の水素を燃焼
させる燃焼室６、排熱を利用して発電を行なうためのタ
ービン７とからなっている。This fuel cell system generates a fuel containing hydrogen gas (H 2 ) from natural gas (main component is methane CH 4 ) by reforming, and supplies this fuel to the fuel cell 1. A high-temperature operation type fuel cell 1, a desulfurization device 2 that receives natural gas and removes sulfur from natural gas, a reforming device 3 connected to an outlet of the desulfurization device 2, an outlet of the reforming device 3 and a negative electrode of the fuel cell 1. A temperature difference cell 4 provided between the fuel cell 1 and the inlet of the pole 1a; a heat exchanger 5 for heating air or oxygen-rich air (oxygen introduction flow) to near the operating temperature of the fuel cell 1; a combustion chamber 6 for burning unreacted hydrogen from the fuel cell 1 is connected to the respective outlets of the anode 1a and cathode 1 k, which is from the turbine 7 for for performing power generation using waste heat.
【００１８】まず、温度差電池４の構成について、図２
により説明する。First, the configuration of the temperature difference battery 4 will be described with reference to FIG.
This will be described below.
【００１９】この温度差電池４は、負極である多孔性の
低温電極１１、正極である多孔性の高温電極１２、これ
ら低温電極１１と高温電極１２とに挟持されたプロトン
伝導性の固体電解質１３、低温電極１１に接して設けら
れた低温水素配管１４、高温電極１２に接して設けられ
た高温水素配管１５、熱媒体が流通する高温熱媒体配管
１６とによって構成されている。低温水素配管１４は、
入口１４ａと出口１４ｂを有し、水素を含むガス（水素
導入流）がその入口１４ａから導入されたとき、ガスに
含まれる水素の一部を低温電極１１に供給してこの低温
電極１１で電極反応を起こさせるようになっている。水
素導入流の水素以外の成分および低温電極１１に供給さ
れなかった水素は、出口１４ｂから排出される。同様
に、高温水素配管１５は、入口１５ａと出口１５ｂとを
有し、水素導入流がその入口１５ａから供給される。そ
して、高温電極１２での電極反応によって生成した水素
ガスは、高温電極１２からこの高温水素配管１５に移行
し、入口１５ａからのガスともに出口１５ｂから排出さ
れるようになっている。また、高温熱媒体配管１６は、
その中を通過する高温熱媒体によって、高温電極１２と
高温水素配管１５の双方を加熱するようになっており、
高温水素配管１５の入口１５ａから比較的温度の低いガ
スが導入されたときであっても、このガスを加熱し、か
つ高温電極１２の温度を所定の動作温度に維持できるよ
うになっている。[0019] The temperature difference battery 4, a porous low-temperature electrode 11 is a negative electrode, a porous hot electrode 12 is a positive electrode, these cold electrodes 11 and the hot electrode 12 and the sandwiched proton conducting solid It comprises an electrolyte 13, a low-temperature hydrogen pipe 14 provided in contact with the low-temperature electrode 11, a high-temperature hydrogen pipe 15 provided in contact with the high-temperature electrode 12, and a high-temperature heat medium pipe 16 through which a heat medium flows. The low-temperature hydrogen pipe 14
It has an inlet 14a and an outlet 14b, and when a gas containing hydrogen (hydrogen introduction flow) is introduced from the inlet 14a, a part of the hydrogen contained in the gas is supplied to the low-temperature electrode 11 and the low-temperature electrode 11 It is designed to cause a reaction. Components other than hydrogen in the hydrogen introduction stream and hydrogen not supplied to the low-temperature electrode 11 are discharged from the outlet 14b. Similarly, the high-temperature hydrogen pipe 15 has an inlet 15a and an outlet 15b, and a hydrogen introduction flow is supplied from the inlet 15a. The hydrogen gas generated by the electrode reaction at the high-temperature electrode 12 moves from the high-temperature electrode 12 to the high-temperature hydrogen pipe 15, and is discharged from the outlet 15b together with the gas from the inlet 15a. The high-temperature heat medium pipe 16 is
The high-temperature heat medium passing therethrough heats both the high-temperature electrode 12 and the high-temperature hydrogen pipe 15,
Even when a gas having a relatively low temperature is introduced from the inlet 15a of the high-temperature hydrogen pipe 15, this gas can be heated and the temperature of the high-temperature electrode 12 can be maintained at a predetermined operating temperature.
【００２０】次に、この燃料電池システムにおける各構
成要素の接続関係について、さらに詳しく説明する。Next, the connection relationship of each component in the fuel cell system will be described in more detail.
【００２１】天然ガスは脱硫装置２に供給されるが、脱
硫装置２と改質装置３との間で、脱硫された天然ガスに
水蒸気が添加されるようになっている。改質装置３の出
口と温度差電池４の低温水素配管１４の入口１４ａとが
接続され、低温水素配管１４の出口１４ｂと高温水素配
管１５の入口１５ａとが接続され、高温水素配管の出口
１５ｂと燃料電池１の負極１ａの入口とが接続されてい
る。酸素導入流の配管は、熱交換器５の一方の側を介し
て燃料電池１の正極１ｋの入口に接続されている。そし
て、燃焼室６の出口は、温度差電池４の高温熱媒体配管
１６の入口に接続され、この高温熱媒体配管１６の出口
は、熱交換器５の他方の側を介してタービン７に接続さ
れている。The natural gas is supplied to the desulfurizer 2, and between the desulfurizer 2 and the reformer 3, steam is added to the desulfurized natural gas. The outlet of the reformer 3 is connected to the inlet 14a of the low-temperature hydrogen pipe 14 of the temperature difference battery 4, the outlet 14b of the low-temperature hydrogen pipe 14 is connected to the inlet 15a of the high-temperature hydrogen pipe 15, and the outlet 15b of the high-temperature hydrogen pipe is connected. And the inlet of the negative electrode 1a of the fuel cell 1 are connected. Piping oxygen introduction flow is connected to the inlet of the positive electrode 1k of the fuel cell 1 through the one side of the heat exchanger 5. The outlet of the combustion chamber 6 is connected to the inlet of the high-temperature heat medium pipe 16 of the temperature difference battery 4, and the outlet of the high-temperature heat medium pipe 16 is connected to the turbine 7 via the other side of the heat exchanger 5. Have been.
【００２２】次に、本実施例の動作について説明する。Next, the operation of this embodiment will be described.
【００２３】脱硫装置２に供給された天然ガスは脱硫さ
れ、そののち水蒸気を添加されて改質装置３に導入され
る。改質装置３では、 ＣＨ4 ＋ ２Ｈ2Ｏ → ４Ｈ2 ＋ ＣＯ2 の反応により天然ガスの改質が行なわれ、水素と二酸化
炭素を主成分とするガス（水素導入流）が出力される。
上記の反応は吸熱反応であるため改質装置３は加熱さ
れ、その結果、改質装置３からの水素導入流の出口温度
は４００℃程度である。The natural gas supplied to the desulfurization unit 2 is desulfurized, and then steam is added to the natural gas and introduced into the reforming unit 3. In the reformer 3, natural gas is reformed by a reaction of CH 4 + 2H 2 O → 4H 2 + CO 2 , and a gas containing hydrogen and carbon dioxide as main components (hydrogen introduction flow) is output.
Since the above reaction is an endothermic reaction, the reformer 3 is heated, and as a result, the outlet temperature of the hydrogen introduction flow from the reformer 3 is about 400 ° C.
【００２４】この水素導入流すなわち水素を含むガス
は、低温水素配管１４の入口１４ａから温度差電池４に
供給され、水素導入流中の水素の一部は、負極である低
温電極１１において、 Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- の反応により外部回路に電子を放出してＨ+イオン（プ
ロトン）となり、固体電解質１３を通って、高温電極１
２へ移動する。反応しなかった残りの水素ガスおよび二
酸化炭素は、低温水素配管１４の出口１４ｂから高温水
素配管１５の入口１５ｂに入り、高温水素配管１５を通
過しながら、高温熱媒体配管１６を通過する高温の排ガ
スによって加熱される。ここで、高温電極１２上では、
固体電解質１３中を通過してきたＨ+イオンが、 ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- → Ｈ2 の反応により外部回路から電子を受け取って高温の水素
となり、高温水素配管１５の入口１５ａより流入してき
た水素導入流（Ｈ2／ＣＯ2混合ガス）と合流し、出口１
５ｂから流出する。この結果、高温水素配管中１５の水
素導入流は燃料電池１の稼動温度付近まで加熱され、燃
料電池１の負極１ａに導入される。The hydrogen introduction flow, that is, the gas containing hydrogen is supplied to the temperature difference battery 4 from the inlet 14a of the low-temperature hydrogen pipe 14, and a part of the hydrogen in the hydrogen introduction flow is supplied to the low-temperature electrode 11 as the negative electrode. The reaction of H 2 → 2H + + 2e − releases electrons to an external circuit to become H + ions (protons), passes through the solid electrolyte 13 and passes through the high-temperature electrode 1
Move to 2. The remaining unreacted hydrogen gas and carbon dioxide enter the inlet 15b of the high-temperature hydrogen pipe 15 from the outlet 14b of the low-temperature hydrogen pipe 14 and pass through the high-temperature heat medium pipe 16 while passing through the high-temperature hydrogen pipe 15. Heated by the exhaust gas. Here, on the high-temperature electrode 12,
H + ions that have passed through the solid electrolyte 13 receive electrons from an external circuit by the reaction of 2H + + 2e − → H 2 to become high-temperature hydrogen, and the hydrogen introduction flow flowing from the inlet 15a of the high-temperature hydrogen pipe 15 (H 2 / CO 2 gas mixture) and joined, the outlet 1
5b. As a result, the hydrogen introduction flow in the high-temperature hydrogen pipe 15 is heated to near the operating temperature of the fuel cell 1 and is introduced into the negative electrode 1 a of the fuel cell 1.
【００２５】一方、外部から供給される酸素導入流すな
わち空気または酸素に富んだ空気は、熱交換器５の一方
の側を通過し、このとき熱交換器５の他方の側を流通す
る高温の排ガスによって燃料電池１の稼動温度付近にま
で加熱され、燃料電池１の正極１ｋに供給される。その
結果、水素導入流中の水素と酸素導入流中の酸素とが燃
料電池１の内部で反応し、電力と熱とを発生させる。燃
料電池１の負極１ａの出口からは、反応によって生成し
た高温の水蒸気、改質の際に生成された二酸化炭素およ
び未反応の水素が排出される。また、正極１ｋの出口か
らは、未反応の酸素および反応に関与しない窒素が排出
され、これらは燃焼室６で合流する。なお、燃料電池１
で発生する熱エネルギーは、負極１ａおよび正極１ｋか
ら排出されるガスによって、燃料電池１外に運び出され
る。On the other hand, the oxygen introduction flow supplied from the outside, that is, air or oxygen-rich air, passes through one side of the heat exchanger 5 and at this time, the high-temperature oxygen flowing through the other side of the heat exchanger 5 is heated to near operating temperature of the fuel cell 1 by the exhaust gas, it is supplied to the positive electrode 1k of the fuel cell 1. As a result, the hydrogen in the hydrogen introduction flow reacts with the oxygen in the oxygen introduction flow inside the fuel cell 1 to generate electric power and heat. From the outlet of the negative electrode 1a of the fuel cell 1, high-temperature steam generated by the reaction, carbon dioxide generated during the reforming, and unreacted hydrogen are discharged. Also, from the outlet of the positive electrode 1k, nitrogen does not participate in the oxygen and the reaction of the unreacted is discharged, it merges in the combustion chamber 6. The fuel cell 1
In heat energy generated by the gas discharged from the anode 1a and cathode 1k, it is carried off the fuel cell 1.
【００２６】燃焼室６では、燃料電池１から排出された
未反応の水素が燃焼し、燃焼ガスが高温の排ガスとして
排出される。この、高温の排ガスは、燃焼室６での燃焼
熱のほか燃料電池１で発生した熱エネルギーの担体とし
て機能し、温度差電池４の高温熱媒体配管１６に導入さ
れ、高温水素配管１５内の水素導入流および高温電極１
２を加熱し、さらに熱交換器５の他方の側に供給されて
酸素導入流を加熱する。そして、熱交換器５の他方の側
の出口から排出されたこの排ガスは、タービンを駆動す
るには十分な温度を有しているので、発電のためにター
ビン７に供給される。さらに、排ガスの熱エネルギーは
給湯などにも使用することが可能である。ここでは、温
度差電池１と熱交換器５の他方の側とが直列に接続され
ているが、並列に接続することも可能である。In the combustion chamber 6, unreacted hydrogen discharged from the fuel cell 1 burns, and the combustion gas is discharged as high-temperature exhaust gas. This high-temperature exhaust gas functions as a carrier for heat energy generated in the fuel cell 1 in addition to the heat of combustion in the combustion chamber 6, is introduced into the high-temperature heat medium pipe 16 of the temperature difference battery 4, and Hydrogen introduction flow and high temperature electrode 1
2 is heated and further supplied to the other side of the heat exchanger 5 to heat the oxygen inlet stream. The exhaust gas discharged from the outlet on the other side of the heat exchanger 5 has a temperature sufficient to drive the turbine, and is supplied to the turbine 7 for power generation. Further, the heat energy of the exhaust gas can be used for hot water supply and the like. Here, the temperature difference battery 1 and the other side of the heat exchanger 5 are connected in series, but they may be connected in parallel.
【００２７】ここで、温度差電池４として、低温電極１
１および高温電極１２にそれぞれ編目状多孔性白金板を
使用し、固体電解質１３にＳｒＣｅ0.95Ｙｂ0.05Ｏ3を
使用したものを用いたところ、低温電極１１側と高温電
極１２側それぞれでの水素の分圧を１ａｔｍとしたとき
に、電極間の温度差１℃当りの起電力はほぼ一定で０.
１８ｍＶ／℃であった。そして、この燃料電池システム
の定常運転時において、低温電極１１の平均温度を４０
０℃、高温電極１２の平均温度を８００℃としたとこ
ろ、温度差電池４のセル当り７２ｍＶの起電力が得ら
れ、また短絡電流は０.８Ａ／ｃｍ2となり、単に燃料を
加熱するのに比べ高効率な燃料電池システムが構築でき
た。Here, the low temperature electrode 1 is used as the temperature difference battery 4.
1 and the high-temperature electrode 12 were each made of a mesh-like porous platinum plate, and the solid electrolyte 13 was made of SrCe 0.95 Yb 0.05 O 3 . When the partial pressure is 1 atm, the electromotive force per 1 ° C. of the temperature difference between the electrodes is almost constant and is 0.1 mm.
18 mV / ° C. During the steady operation of the fuel cell system, the average temperature of the low-
When 0 ° C. and the average temperature of the high-temperature electrode 12 are 800 ° C., an electromotive force of 72 mV per cell of the temperature difference battery 4 is obtained, and the short-circuit current is 0.8 A / cm 2 . A highly efficient fuel cell system was constructed.
【００２８】[0028]
【発明の効果】以上説明したように本発明は、燃料の成
分である水素の温度差電池を構成することにより、燃料
電池システムの運転時に排出される高温排ガスの熱エネ
ルギーをより有効に利用することができるようになると
いう効果を有する。As described above, according to the present invention, the thermal energy of the high-temperature exhaust gas discharged during the operation of the fuel cell system can be more effectively used by configuring the temperature difference cell for hydrogen as a fuel component. It has the effect that it becomes possible to do.
【図１】本発明の一実施例の燃料電池システムの構成を
示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to one embodiment of the present invention.
【図２】本発明に使用される温度差電池の構成の一例を
説明する模式断面図である。FIG. 2 is a schematic sectional view illustrating an example of a configuration of a temperature difference battery used in the present invention.
【図３】従来の燃料電池システムの構成を示す図であ
る。FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a conventional fuel cell system.
１ 燃料電池 １ａ 負極 １ｋ 正極 ２ 脱硫装置 ３ 改質装置 ４ 温度差電池 ５ 熱交換器 ６ 燃焼室 ７ タービン １１ 低温電極 １２ 高温電極 １３ 固体電解質 １４ 低温水素配管 １５ 高温水素配管 １６ 高温熱媒体配管1 the fuel cell 1a anode 1k positive electrode 2 desulfurizer 3 reformer 4 the temperature difference battery 5 heat exchanger 6 combustion chamber 7 turbine 11 low electrode 12 the hot electrode 13 solid electrolyte 14 cold hydrogen pipe 15 hot hydrogen pipe 16 hot heat medium Piping
フロントページの続き (72)発明者 小山 光範 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24 H01M 14/00 Continuation of front page (72) Inventor Mitsunori Koyama 1-6-1, Uchisaiwaicho, Chiyoda-ku, Tokyo Nippon Telegraph and Telephone Corporation (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01M 8/00-8 / 24 H01M 14/00
Claims (4)
を有する燃料電池システムにおいて、 温度差電池が設けられ、 前記燃料電池システムに外部から供給される燃料は、前
記温度差電池の低温電極に供給され、その後前記温度差
電池の高温電極に供給され、 前記高温電極は前記燃料電池システムの排熱で加熱さ
れ、 前記高温電極から流出する前記燃料が前記燃料電池に供
給されることを特徴とする燃料電池システム。1. A fuel cell system having a fuel cell using a fuel containing hydrogen gas, provided the temperature difference battery, fuel supplied from the outside to the fuel cell system, the cold electrode of the temperature difference battery Supplied , then the temperature difference
It is supplied to the hot electrode of the battery, before Symbol high temperature electrode is heated by exhaust heat of the fuel cell system, the fuel cell system the fuel flowing from the hot electrode, characterized in that it is supplied to the fuel cell.
を有する燃料電池システムにおいて、 前記燃料電池に供給される燃料を予備加熱する予備加熱
手段と、 前記燃料電池に供給される前の前記予備加熱手段で予備
加熱された前記燃料と前記予備加熱手段で予備加熱され
る前の前記燃料との温度差を利用して発電する温度差電
池とが設けられていることを特徴とする燃料電池システ
ム。2. A fuel cell system having a fuel cell using a fuel containing hydrogen gas, a preheating means for preheating fuel supplied to the fuel cell, and the preheating means before being supplied to the fuel cell. A fuel cell system, comprising: a temperature difference battery that generates power using a temperature difference between the fuel preheated by a heating unit and the fuel that is not preheated by the preheating unit. .
生する高温排ガスの熱エネルギーを利用して予備加熱を
行なうものである請求項２記載の燃料電池システム。Wherein the preliminary heating means, the fuel cell system according to claim 2, wherein performs preheating by utilizing thermal energy of the hot exhaust gas generated in the fuel cell system.
間にはさまれて設けられプロトン伝導体で構成された電
解質を有する請求項１ないし３いずれか１項に記載の燃
料電池システム。4. The fuel cell system according to claim 1, wherein the temperature difference cell has an electrolyte provided between the low-temperature electrode and the high-temperature electrode and composed of a proton conductor. .
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| JP02941492A JP3246515B2 (en) | 1992-02-17 | 1992-02-17 | Fuel cell system |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1992
- 1992-02-17 JP JP02941492A patent/JP3246515B2/en not_active Expired - Lifetime
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| US6746730B1 (en) | 1999-06-28 | 2004-06-08 | Chisso Corporation | Varnish composition and liquid-crystal display element |
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