JP6079331B2 - Temperature detection system for high temperature fuel cells - Google Patents
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Description
本発明は、高温型燃料電池が発電するために必要な高温場を維持するための高温型燃料電池の温度検知システムに関する。 The present invention relates to a temperature detection system for a high-temperature fuel cell for maintaining a high-temperature field necessary for power generation by the high-temperature fuel cell.
燃料電池には、水素ガス及び空気が供給される。そして、供給された水素と空気中の酸素とが化学反応し、発電が行われる。例えば、SOFC(固体酸化物形燃料電池)の場合には、セラミックスのセルが用いられ、高温場で燃料ガスと酸化ガスとが化学反応することによって発電が行われる。 Hydrogen gas and air are supplied to the fuel cell. Then, the supplied hydrogen and oxygen in the air chemically react to generate power. For example, in the case of a SOFC (solid oxide fuel cell), a ceramic cell is used, and power generation is performed by a chemical reaction between a fuel gas and an oxidizing gas in a high temperature field.
燃料電池がSOFC(固体酸化物形燃料電池)等の高温型の燃料電池により構成される場合には、燃料電池において発電を行う時の温度である運転温度は、700℃〜1000℃と高温である。また、燃料電池において発電を行うためには、この高温を維持する必要がある(例えば、特許文献1参照)。 When the fuel cell is composed of a high-temperature fuel cell such as a SOFC (solid oxide fuel cell), the operating temperature, which is the temperature when generating power in the fuel cell, is as high as 700 ° C to 1000 ° C. is there. Moreover, in order to generate electric power in a fuel cell, it is necessary to maintain this high temperature (for example, refer patent document 1).
燃料電池において発電を行うための高温を維持して、セルを破損しないようにするためには、高温場の温度を検出するための種々のセンサが必要となる。これにより、燃料電池システムの制御が複雑化し、燃料電池システムが高コスト化する。 In order to maintain a high temperature for generating power in the fuel cell and prevent the cell from being damaged, various sensors for detecting the temperature in the high temperature field are required. This complicates the control of the fuel cell system and increases the cost of the fuel cell system.
また、高温場で熱電対を用いて高温場の温度を検出すると、熱電対の劣化が進行しやすい。また、劣化した熱電対を交換する際には、高温場に配置された燃料電池等を、常温まで冷却する必要があり、常温まで冷却されないと、劣化した熱電対の交換等のメンテナンスをすることはできない。 Moreover, when the temperature of a high temperature field is detected using a thermocouple in a high temperature field, deterioration of the thermocouple is likely to proceed. In addition, when replacing a deteriorated thermocouple, it is necessary to cool the fuel cell, etc., placed in a high temperature field to room temperature. If it is not cooled to room temperature, maintenance such as replacement of the deteriorated thermocouple should be performed. I can't.
本発明は、高温場において温度を検出せず、メンテナンスが容易で、高温型燃料電池が発電するために必要な高温場の維持を容易とする高温型燃料電池の温度検知システムを提供することを目的とする。 The present invention provides a temperature detection system for a high-temperature fuel cell that does not detect temperature in a high-temperature field, is easy to maintain, and can easily maintain a high-temperature field required for power generation by the high-temperature fuel cell. Objective.
本発明は、高温型燃料電池と、貫通孔が形成された断熱壁と前記断熱壁により取り囲まれた燃料電池収容空間とを有し、前記断熱壁により前記燃料電池収容空間が前記断熱壁の外部空間に対して断熱されると共に密閉され、前記燃料電池収容空間に前記高温型燃料電池が収納される容器と、金属により構成され、前記断熱壁の貫通孔を貫通して一端部が前記燃料電池収容空間内に配置され他端部が前記断熱壁の外部空間に配置された容器内温度伝達部材と、断熱材により構成され、前記容器内温度伝達部材の一端部から他端部に至るまで前記容器内温度伝達部材の外周を覆う伝達部材断熱材と、を備え、前記伝達部材断熱材は、前記断熱壁の貫通孔の開口の全周に亘って前記断熱壁に接続されている高温型燃料電池の温度検知システムに関する。 The present invention includes a high-temperature fuel cell, a heat insulating wall in which a through hole is formed, and a fuel cell housing space surrounded by the heat insulating wall, and the fuel cell housing space is outside the heat insulating wall by the heat insulating wall. A container that is insulated and sealed with respect to the space and in which the high-temperature fuel cell is housed in the fuel cell housing space and a metal, and has one end passing through the through hole of the heat insulating wall and the fuel cell. A container temperature transmission member disposed in the accommodation space and having the other end disposed in the outer space of the heat insulation wall, and a heat insulating material, and from the one end to the other end of the container temperature transmission member A high-temperature type fuel that is connected to the heat insulating wall over the entire circumference of the opening of the through hole of the heat insulating wall. Regarding battery temperature detection system .
また、前記伝達部材断熱材は、前記断熱壁の貫通孔の開口に圧入されることにより前記断熱壁に接続されていることが好ましい。また、前記伝達部材断熱材は、前記断熱壁と一体成形されていることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the said transmission member heat insulating material is connected to the said heat insulation wall by press-fitting in the opening of the through-hole of the said heat insulation wall. Moreover, it is preferable that the said transmission member heat insulating material is integrally molded with the said heat insulation wall.
また、前記燃料電池収容空間に配置される前記伝達部材断熱材の周面が、耐熱性材料により取り囲まれることにより、前記伝達部材断熱材の外形は保持されていることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the external shape of the said transmission member heat insulating material is hold | maintained by the surrounding surface of the said transmission member heat insulating material arrange | positioned in the said fuel cell accommodation space being surrounded by a heat resistant material.
また、前記断熱材は、珪藻土、又は、シリカ若しくはアルミナの微粒子により構成されていることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the said heat insulating material is comprised by the diatomaceous earth or the microparticles | fine-particles of a silica or an alumina.
本発明によれば、高温場において温度を検出せず、メンテナンスが容易で、高温型燃料電池が発電するために必要な高温場の維持を容易とする高温型燃料電池の温度検知システムを提供することができる。 According to the present invention, there is provided a temperature detection system for a high-temperature fuel cell that does not detect temperature in a high-temperature field, is easy to maintain, and can easily maintain a high-temperature field required for power generation by the high-temperature fuel cell. be able to.
以下、本発明の第1実施形態に係る高温型燃料電池の温度検知システムについて図1〜図2を参照しながら説明する。図1は、本発明の第1実施形態による高温型燃料電池の温度検知システム1を示す概略図である。図2は、本発明の第1実施形態による高温型燃料電池の温度検知システム1の断熱壁21と断熱管40とを示す概略図である。
Hereinafter, a temperature detection system for a high-temperature fuel cell according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic diagram showing a temperature detection system 1 for a high-temperature fuel cell according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic view showing the
図1に示すように、高温型燃料電池の温度検知システム1は、燃料電池10と、容器20と、容器内温度伝達部材としての金属ロッド30と、伝達部材断熱材としての断熱管40とを備えている。
As shown in FIG. 1, a temperature detection system 1 for a high-temperature fuel cell includes a
燃料電池10は、高温型の燃料電池であるSOFC(固体酸化物形燃料電池)である。燃料電池10においては、水素と、空気中の酸素とが反応することにより、発電が行われる。燃料電池10において発電を行う時の温度である運転温度は、700℃〜1000℃と高温である。燃料電池10によって発電された電気は、パワーコンディショナ(図示せず)に送られ、AC電圧に変換される。
The
容器20は、断熱壁21により取り囲まれた燃料電池収容空間23を有する中空の箱状を有している。断熱壁21は、珪藻土や、シリカ又はアルミナの微粒子により構成された断熱材により構成されている。断熱壁21の一部には貫通孔22が形成されている。燃料電池収容空間23には、燃料電池10が収納される。貫通孔22には、金属ロッド30及び断熱管40が貫通する。また、断熱管40には金属ロッド30が貫通する。これにより貫通孔22は、塞がれている。従って、断熱壁21、金属ロッド30、及び断熱管40により、燃料電池収容空間23は、断熱壁21の外部空間に対して断熱されると共に、密閉されている。
The
また、燃料電池収容空間23内には、燃焼炉等により構成される加熱装置(図示せず)が設けられている。加熱装置により加熱されることにより、燃料電池収容空間23内は、700℃〜1000℃の高温場とされる。そして、燃料電池収容空間23は、断熱壁21の外部空間に対して断熱されているため、高温場は維持される。
In addition, a heating device (not shown) constituted by a combustion furnace or the like is provided in the fuel
金属ロッド30は、円柱状を有しており、熱伝導性を有する材料により構成されている。具体的には、金属ロッド30は、銅、ニッケル、タングステン、金、銀、白金、鉄、チタン、SUS鋼等により構成されており、これらを混合して構成してもよい。また、金属ロッド30の表面には、耐酸化性向上のために、コバルトまたはニッケルをメッキしたものを使用してもよい。金属ロッド30は、断熱壁21の貫通孔22を貫通している。金属ロッド30の一端部は、燃料電池収容空間23内の高温場であって、燃料電池10の近傍の温度測定が必要な場所に配置されている。具体的には、金属ロッド30の一端部は、燃料電池10を構成するセルのスタックの表面や、加熱装置(図示せず)等の近傍に配置される。金属ロッド30の他端部は、断熱壁21の外部空間に配置されている。金属ロッド30の他端部には、温度検出器31が接続される。この温度検出器31は、高温場では使用できず低温場で使用可能なサーモスタット等により構成されるものであり、温度変化によりON/OFFの切替えの制御を行うことができる。
The
断熱管40は、筒状を有しており、容器20の断熱壁21と同一の断熱材、即ち、珪藻土や、シリカ又はアルミナの微粒子により構成された断熱材により構成されている。断熱管40の外径は、後述のように断熱管40が断熱壁21の貫通孔22の開口に圧入される前には、断熱壁21の貫通孔22の直径よりも僅かに大きい。断熱管40は、断熱壁21の貫通孔22の開口に圧入されることにより、断熱壁21の貫通孔22の開口の全周に亘って、断熱壁21に接続され固定されている。断熱管40の内径は、金属ロッド30の外径に一致している。断熱管40は、金属ロッド30の一端部から他端部に至るまで金属ロッド30を覆っている。但し、金属ロッド30の一端面、及び、当該一端面に接続されている周面の一部は、断熱管40に覆われておらず、露出している。同様に、金属ロッド30の他端面、及び、当該他端面に接続されている周面の一部は、断熱管40に覆われておらず、露出している。
The
上記構成の高温型燃料電池の温度検知システム1によれば以下の効果を得ることができる。
高温型燃料電池の温度検知システム1は、熱伝導性を有する材料により構成され、断熱壁21の貫通孔22を貫通して一端部が燃料電池収容空間23内に配置され他端部が断熱壁21の外部空間に配置された容器内温度伝達部材としての金属ロッド30と、断熱材により構成され、金属ロッド30の一端部から他端部に至るまで金属ロッド30の外周を覆う伝達部材断熱材としての断熱管40と、を備える。断熱管40は、断熱壁21の貫通孔22の開口の全周に亘って断熱壁21に接続されている。
According to the temperature detection system 1 of the high-temperature fuel cell having the above configuration, the following effects can be obtained.
The temperature detection system 1 for a high-temperature fuel cell is made of a material having thermal conductivity, passes through the through
このため、金属ロッド30を介して、燃料電池収容空間23内の高温場であって燃料電池10の近傍の温度測定が必要な場所の大まかな温度を、高温場ではない低温の断熱壁21の外部空間において、検出することができる。この結果、温度を検出するために、高温場では使用できず低温場で使用可能なサーモスタット等の温度検出器31を用いることができ、所定の温度の閾値を境界としたONとOFFとの切替えの制御を、安価且つ簡素化された構成で実現することができる。
For this reason, the rough temperature of the place where the temperature measurement in the vicinity of the
また、温度の検出を断熱壁21の外部空間において行うことができるため、温度検出器31のメンテナンスを断熱壁21の外部空間において行うことができる。従って、温度検出器31を交換する場合であっても、燃料電池収容空間23内の高温場を一旦低温とする必要はなく、メンテナンスを容易とすることができる。また、このような構成により、高温型の燃料電池10が発電するために必要な高温場の維持を、容易とすることができる。
Further, since the temperature can be detected in the outer space of the
また、断熱管40は、容器20の断熱壁21と同一の断熱材により構成されているため、断熱管40と容器20の断熱壁21とを同一の熱膨張率とすることができる。このため、断熱管40と容器20の断熱壁21との間に隙間が生ずることを抑えることができる。
Moreover, since the
また、伝達部材断熱材としての断熱管40は、断熱壁21の貫通孔22の開口に圧入されることにより断熱壁21に接続されている。このため、燃料電池収容空間23を、断熱壁21の外部空間に対して、確実に断熱すると共に、確実に密閉することができる。
Further, the
また、断熱壁21及び断熱管40に用いられる断熱材は、珪藻土、又は、シリカ若しくはアルミナの微粒子により構成されており、材料の熱伝導率が低く、空気の入った微細な空隙を形成することから断熱の効果を高めることができる。
Moreover, the heat insulating material used for the
次に、本発明の第2実施形態に係る高温型燃料電池の温度検知システムについて図3を参照しながら説明する。図3は、本発明の第2実施形態による高温型燃料電池の温度検知システムの断熱壁121と断熱管140とを示す概略図である。
Next, a temperature detection system for a high-temperature fuel cell according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic view showing a
第2実施形態については、主として、第1実施形態と異なる点を中心に説明し、第1実施形態と同様な構成については同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。第2実施形態において、特に説明しない点は、第1実施形態についての説明が適宜適用される。また、第2実施形態においても、第1実施形態と同様な効果が奏される。 The second embodiment will be described mainly with respect to differences from the first embodiment, the same reference numerals are given to the same configurations as those of the first embodiment, and detailed description thereof will be omitted. In the second embodiment, the description of the first embodiment is appropriately applied to points that are not particularly described. Also in the second embodiment, the same effects as in the first embodiment are achieved.
第2実施形態に係る高温型燃料電池の温度検知システムでは、断熱壁121及び断熱管140の構成が第1実施形態に係る高温型燃料電池の温度検知システム1の断熱壁21及び断熱管40の構成とは異なる。これ以外の構成は第1実施形態に係る高温型燃料電池の温度検知システム1の構成と同一である。
In the temperature detection system for a high temperature fuel cell according to the second embodiment, the configuration of the
伝達部材断熱材としての断熱管140は、断熱壁121と一体成形されている。断熱管140と断熱壁121とは、同一の断熱材料により構成されている。このように、伝達部材断熱材としての断熱管140は、断熱壁121と一体成形されているため、断熱管140及び断熱壁121の製造を容易とすることができる。
A
次に、本発明の第3実施形態に係る高温型燃料電池の温度検知システムについて図4を参照しながら説明する。図4は、本発明の第3実施形態による高温型燃料電池の温度検知システムの断熱壁21と断熱管40と形状保持管250とを示す概略図である。
Next, a temperature detection system for a high temperature fuel cell according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a schematic view showing the
第3実施形態については、主として、第1実施形態と異なる点を中心に説明し、第1実施形態と同様な構成については同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。第3実施形態において、特に説明しない点は、第1実施形態についての説明が適宜適用される。また、第3実施形態においても、第1実施形態と同様な効果が奏される。 The third embodiment will be described mainly with respect to differences from the first embodiment, the same reference numerals are given to the same configurations as those of the first embodiment, and detailed description thereof will be omitted. In the third embodiment, the description of the first embodiment is appropriately applied to points that are not particularly described. Also in the third embodiment, the same effects as in the first embodiment are achieved.
第3実施形態に係る高温型燃料電池の温度検知システムは、形状保持管250を有する点において、第1実施形態に係る高温型燃料電池の温度検知システム1とは異なる。これ以外の構成は第1実施形態に係る高温型燃料電池の温度検知システム1の構成と同一である。
The temperature detection system for a high-temperature fuel cell according to the third embodiment differs from the temperature detection system 1 for a high-temperature fuel cell according to the first embodiment in that it has a
形状保持管250は、筒状を有しており、形状保持管250の内径は、断熱管40の外径と同一である。形状保持管250は、燃料電池収容空間23に配置される断熱管40の部分の外表面であって、断熱管40の軸方向における端面以外の周面の全体を、取り囲むようにして設けられている。形状保持管250は、燃料電池10の運転温度である700℃〜1000℃程度の高温に耐えることができる耐熱性の材料により構成されている。具体的には、本実施形態では、形状保持管250は、例えばSUS鋼等により構成されている。このような形状保持管250により、断熱管40の外郭を保持することができるため、燃料電池10の運転温度である700℃〜1000℃程度の高温において、断熱管40の外形を保持することができる。
The
本発明は、上記実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的範囲において変形が可能である。例えば、本実施形態では、燃料電池10としてSOFC(固体酸化物形燃料電池)が用いられたが、SOFCに限定されない。高温型燃料電池であればよい。
The present invention is not limited to the above embodiment, and can be modified within the technical scope described in the claims. For example, in the present embodiment, an SOFC (solid oxide fuel cell) is used as the
また、容器及び断熱壁の形状は、本実施形態の容器20及び断熱壁21の形状に限定されない。また、容器内温度伝達部材として金属ロッド30を用いたが、容器内温度伝達部材は、金属ロッド30に限定されない。容器内温度伝達部材は、熱伝導性を有する材料により構成され、断熱壁21の貫通孔22を貫通して、一端部が燃料電池収容空間23内に配置され他端部が断熱壁21の外部空間に配置されていればよい。
Moreover, the shape of a container and a heat insulation wall is not limited to the shape of the
また、伝達部材断熱材としての断熱管40を用いたが、断熱管40に限定されない。伝達部材断熱材は、断熱材により構成され、容器内温度伝達部材の一端部から他端部に至るまで容器内温度伝達部材の外周を覆う構成を有し、且つ、断熱壁21の貫通孔22の開口の全周に亘って断熱壁21に接続されていればよい。
Moreover, although the heat insulation pipe |
また、形状保持管250が用いられたが、形状保持管250に限定されない。燃料電池収容空間23に配置される伝達部材断熱材の周面が、耐熱性材料により取り囲まれることにより、伝達部材断熱材の外形は保持されていればよい。
Further, although the
1 高温型燃料電池の温度検知システム
10 燃料電池
20、120 容器
21、121 断熱壁
22 貫通孔
30 金属ロッド(容器内温度伝達部材)
40、140 断熱管(伝達部材断熱材)
250 形状保持管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
40,140 Insulation pipe (transmission member insulation)
250 shape retention tube
Claims (5)
貫通孔が形成された断熱壁と前記断熱壁により取り囲まれた燃料電池収容空間とを有し、前記断熱壁により前記燃料電池収容空間が前記断熱壁の外部空間に対して断熱されると共に密閉され、前記燃料電池収容空間に前記高温型燃料電池が収納される容器と、
金属により構成され、前記断熱壁の貫通孔を貫通して一端部が前記燃料電池収容空間内に配置され他端部が前記断熱壁の外部空間に配置された容器内温度伝達部材と、
断熱材により構成され、前記容器内温度伝達部材の一端部から他端部に至るまで前記容器内温度伝達部材の外周を覆う伝達部材断熱材と、を備え、
前記伝達部材断熱材は、前記断熱壁の貫通孔の開口の全周に亘って前記断熱壁に接続されている高温型燃料電池の温度検知システム。 A high-temperature fuel cell;
A heat insulation wall formed with a through hole and a fuel cell housing space surrounded by the heat insulation wall, and the fuel cell housing space is insulated from the external space of the heat insulation wall and sealed by the heat insulation wall. A container in which the high-temperature fuel cell is stored in the fuel cell storage space;
An in-container temperature transmission member made of metal , penetrating through the through hole of the heat insulating wall and having one end disposed in the fuel cell housing space and the other end disposed in the external space of the heat insulating wall;
A heat insulating material, and a transmission member heat insulating material that covers the outer periphery of the internal temperature transmission member from one end to the other end of the internal temperature transmission member; and
The transmission member heat insulating material is a temperature detection system for a high-temperature fuel cell that is connected to the heat insulating wall over the entire circumference of the opening of the through hole of the heat insulating wall.
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