CN100474676C - 固体电解质型燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种固体电解质型燃料电池。该电池具有分支流量调整部(12)，其为了相对于全流量适当地控制在热回收用的流道中流过的流体的流量，在空气供给源(9)和热交换器(10)之间使空气分支，向热回收通道(11)引导被分支的空气，并调整所分支的空气的量。

Description

固体电解质型燃料电池
技术领域
本发明涉及将固体电解质型燃料电池堆(stack)收纳在收纳容器内而构成的固体电解质型燃料电池。
背景技术
以往，提出了如下的燃料电池(参照专利文献1、专利文献2)，即：在电池模组(module)的周围设有回收来自电池模组的损失热的热回收通道而构成，其中电池模组内部包含有：电池堆，其由燃料气体和含有氧气的气体进行发电；以及燃烧部，其使来自该电池堆的剩余燃料气体和含有氧气的气体接触并燃烧。
在专利文献1中所记载的固体电解质型燃料电池构成为，在包围燃料电池堆的高温绝热材料和低温绝热材料之间形成流体流道，通过该流体流道向燃料电池堆的空气投入口提供空气，并且从燃料供给源将燃料用预热器预热之后提供给燃料电池的燃料投入口。
在专利文献2中所记载的燃料电池构成为，在框体和绝热材料之间有配管的收纳容器的内部，收纳由多个燃料电池单元所构成的电池单元堆，通过燃料气体供给管提供燃料气体，通过含有氧气气体管和所述配管提供含有氧气的气体。
专利文献1：日本特开2003-151610号公报
专利文献2：日本特开2003-249256号公报
固体电解质型燃料电池在约700～1000℃的高温下工作，因此为了适当地维持进行发电的电池堆的温度、防止热的损失、高效地进行发电，并且保证外表面在允许温度以下，需要用厚的绝热材料覆盖内部包含电池堆的电池模组，妨碍了也包括周围的绝热层在内的电池模组的紧凑化。
并且，公知有为了电池模组的高效率化，在电池模组周围的绝热层上设置空气通道，用流过空气通道的空气来回收来自电池模组的损失热的技术(参照专利文献1、专利文献2)。但是，在专利文献1、专利文献2的结构中，对电池堆提供的所有空气通过空气通道流动，因此为了以低动力提供空气，需要增大空气流道的截面积，并且，由于空气的流量过大，所以有可能对电池模组进行过冷却，因此不得不在某种程度上增厚热回收用的空气流道和电池模组之间的绝热层，包括热回收用的空气通路的绝热层的厚度也变厚。
并且，在部分负荷运转中，伴随发电量的减少也减少供给空气量，流过热回收用的空气通道的空气的流量减少。但是，电池堆的温度在部分负荷运转时也需要保持与额定运转相同的温度，因此损失热量相对于发电量和供给流量变大。因此，为了进行适当的热回收，将电池模组维持在适当的温度，在部分负荷时，需要使流过热回收用的空气流道的空气的流量相对于全流量的比例在额定运转时相对增加。在微小发电、或通过燃烧维持电池堆的温度的待机运转(热待机)时的情况也同样。但是，不能对应于这样的要求而将流过热回收用的空气流道的空气的流量相对于全流量而变化。
发明内容
本发明就是鉴于上述的问题点而提出的，其目的在于，提供可相对于全流量适当地控制流过热回收用的流道的流体的流量的固体电解质型燃料电池。
本发明的固体电解质型燃料电池通过在电池模组的周围设有回收来自电池模组的损失热的热回收通道而构成，其中电池模组内部包含有：电池堆，其由燃料气体和含有氧气的气体进行发电；以及燃烧部，其使来自该电池堆的剩余燃料气体和含有氧气的气体接触并燃烧，
所述固体电解质型燃料电池包含：分支流量调整单元，其将供给所述电池堆的作为燃料气体、含有氧气的气体的一方的供给流体进行分支，并调整所分支的供给流体的流量；以及分支流道，其向所述热回收通道提供被分支且被调整流量的供给流体。
因此，由于能够使向热回收通道提供的供给流体的流量比全流量少，所以热回收通道可以形成得较薄，并且可以减小绝热层的厚度，进而，作为整体可以充分地实现紧凑化。并且，因为可调整分支流量，所以在部分负荷运转时和待机运转时也可进行适当的热回收，因此能够实现良好的高效运转。
在该情况下，优选所述分支流量调整单元对固体电解质型燃料电池进行部分负荷运转或待机运转进行响应，使所述被分支的供给流体的流量相对于全流量的比例增加。
并且，所述热回收通道优选以所述电池模组为基准形成为多层。
并且，所述热回收通道也可以包围与燃烧排气之间进行热交换的热交换器。并且，所述电池模组也可收纳与燃烧排气之间进行热交换的热交换器。
并且，所述热回收通道也可以包围使添加了水的燃料气体气化的气化器。并且，所述电池模组也可收纳使添加了水的燃料气体气化的气化器。
另一固体电解质型燃料电池通过在电池模组的周围设有回收来自电池模组的损失热的热回收通道而构成，其中电池模组内部包含有：电池堆，其由燃料气体和含有氧气的气体进行发电；以及燃烧部，其使来自该电池堆的剩余燃料气体和含有氧气的气体接触并燃烧，
所述固体电解质型燃料电池包含：第1流道，其向所述电池堆引导含有氧气的气体；以及第2流道，其向所述热回收通道引导含有氧气的气体。
因此，由于能够使向热回收通道提供的供给流体的流量比全流量少，所以热回收通道可以形成得较薄，并且可以减小绝热层的厚度，进而，作为整体可以达充分地实现紧凑化。并且，因为可独立调整含有氧气的气体的流量，所以在部分负荷运转时和待机运转时也可进行适当的热回收，能够实现良好的高效运转。
本发明起到能够将固体电解质型燃料电池作为整体充分地小型化，而且具有不限于运转状态而实现高效运转的特有的效果。
附图说明
图1是表示本发明的固体电解质型燃料电池的一个实施方式的概略图。
图2是表示热回收通道的结构的一例的局部剖开概略立体图。
图3是表示热回收通道的结构的一例的横剖面图。
图4是表示热回收通道的结构的另一例的横剖面图。
图5是表示热回收通道的结构的另一例的横剖面图。
图6是表示本发明的固体电解质型燃料电池的另一实施方式的概略图。
图7是表示本发明的固体电解质型燃料电池的另一实施方式的概略图。
图8是表示本发明的固体电解质型燃料电池的另一实施方式的概略图。
图9是表示本发明的固体电解质型燃料电池的另一实施方式的概略图。
图10是表示本发明的固体电解质型燃料电池的另一实施方式的概略图。
符号说明
1：燃料电池堆；3：绝热材料部件；10：热交换器；11：热回收通道；12：分支流量调整部
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的固体电解质型燃料电池的实施方式详细地进行说明。
图1是表示本发明的固体电解质型燃料电池的一个实施方式的概略图。
该固体电解质型燃料电池具有：燃料电池堆1；收纳容器2，其收纳该燃料电池堆1；绝热材料部件3，其包围该收纳容器2；燃料气体供给源4；脱硫器5，其接收燃料气体并进行脱硫处理；水添加部6，其向脱硫器5的输出(脱硫燃料气体)添加水；气化器7，其将在来自所述燃料电池堆1的燃烧气体之间进行热交换、且添加了水的脱硫燃料气体进行气化；改质器8，其将被气化的添加水的脱硫燃料气体进行改质，并提供给所述燃料电池堆1；空气供给源9；热交换器10，其与从气化器7所输出的气体之间进行热交换，对来自空气供给源9的空气进行升温，通过所述高温容器2提供给所述燃料电池堆1；热回收通道11，其形成在所述绝热材料部件3中，且与所述燃料电池堆1的空气供给部连通；分支流量调整部12，其在所述空气供给源9和热交换器10之间使空气分支，将分支后的空气向热回收通道11引导，并且调整被分支的空气的量。
此外，支撑燃料电池堆1的机构是以往公知的，因此省略图示。
上述结构的固体电解质型燃料电池接收燃料气体和空气的供给，通过使燃料气体燃烧，并且回收排热来维持约700～1000℃的工作温度，使燃料气体的燃烧持续，这一点是以往所公知的，因此在此省略详细的说明。
在该实施方式中，通过设在绝热材料部件3上的热回收通道11的空气的量比相对于发电的全部必要量少，因此可以使热回收通道11变薄，减少截面积，并且能够大幅减少绝热层的厚度，充分实现整体的小型化。
并且，通过分支流量调整部12能够调整被分支的空气的流量，因此能够对应于额定运转时、部分负荷运转时、以及待机运转时等的运转状态，将被分支的空气的流量变为适当的量，能够不限于运转状态而实现良好的高效运转。
在图1中，把热回收通道11作为在图中的上下方向(例如，与圆筒状的绝热材料部件3的中心轴平行的方向)延伸的形式示出，但如图2所示，也可为以环状(例如，以圆筒状的绝热材料部件3的中心轴为中心的环状)延伸的形式。在该情况下，如图3所示，也可以是在同一平面内相互同心地折回状，如图4所示，也可以是在同一平面内相互同心、向同一方向引导空气的串联连接的形状，如图5所示，也可以是在同一平面内形成为单一的环状的形状。但是，在图3至图5的任意一个的情况下，均通过所期望的连接通道，与图2的不同平面的热回收通道11之间实现连接。
图6是表示本发明的固体电解质型燃料电池的另一实施方式的概略图。
该固体电解质型燃料电池与图1的固体电解质型燃料电池的不同点仅在于，替代将分支流量调整部12设在空气供给源9和热交换器10之间，而设在脱硫器5和水添加部6之间。
在该实施方式中，能够向热回收通道11引导脱硫燃料气体来回收排热，能够与通过空气回收排热的图1的实施方式实现同样的作用。
图7是表示本发明的固体电解质型燃料电池的另一实施方式的概略图。
该固体电解质型燃料电池与图1的固体电解质型燃料电池的不同点仅在于，将水在气化器7中气化之后添加给脱硫燃料气体。
在该实施方式中，将水气化之后添加给脱硫燃料气体，但最终，以与图1的实施方式相同的状态，能够向电池堆1提供添加了水的脱硫燃料气体，进而，能够实现与图1的实施方式同样的作用。
图8是表示本发明的固体电解质型燃料电池的另一实施方式的概略图。
该固体电解质型燃料电池与图1的固体电解质型燃料电池的不同点仅在于，绝热材料部件3形成为也分别各自包围气化器7和热交换器10，热回收通道11形成为也包围气化器7和热交换器10。
在该实施方式中，除了能够进一步提高热回收效率之外，还能够实现与图1的实施方式相同的作用。其中，对于图6、图7的实施方式可实施与图8的实施方式同样的变更。
图9是表示本发明的固体电解质型燃料电池的另一实施方式的概略图。
该固体电解质型燃料电池与图1的固体电解质型燃料电池的不同点仅在于，在收纳燃料电池堆1的空间中也收纳气化器7和热交换器10。
在该实施方式中，除了能够进一步提高热回收效率之外，还能够实现与图1的实施方式相同的作用。其中，对于图6、图7的实施方式可实施与图9的实施方式同样的变更。
图10是表示本发明的固体电解质型燃料电池的另一实施方式的概略图。
该固体电解质型燃料电池与图1的固体电解质型燃料电池的不同点仅在于，替代分支流量调整部12，设置向热交换器10引导空气的第1流道13，和向热回收通道11引导空气的第2流道14，在各流道13、14中设置流量调整部15、16。
在该实施方式中，通过设在绝热材料部件3上的热回收通道11的空气的量比相对于发电的全部必要量少，因此可以使热回收通道11变薄、减少截面积，并且能够大幅减少绝热层的厚度，充分实现整体的小型化。
并且，通过设在各流道13、14中的流量调整部15、16，能够调整各自的空气的流量，因此能够对应于额定运转时、部分负荷运转时、待机运转时等的运转状态，将被分支的空气的流量变为适当的量，能够不限于运转状态而实现良好的高效运转。
此外，在以上的各实施方式中，通过采用完全内部改质型的结构，可省略改质器8。

Claims (19)

1.一种固体电解质型燃料电池，该电池在电池模组的周围具有回收来自电池模组的损失热的热回收通道，其中电池模组内部包含有：电池堆，其由燃料气体和含有氧气的气体进行发电；以及燃烧部，其使来自该电池堆的剩余燃料气体和含有氧气的气体接触并燃烧，其特征在于，
所述固体电解质型燃料电池包含：分支流量调整单元，其将供给所述电池堆的作为燃料气体、含有氧气的气体中的一方的供给流体进行分支，并调整所分支的供给流体的流量；以及分支流道，其向所述热回收通道提供被分支且被调整流量的供给流体。
2.根据权利要求1所述的固体电解质型燃料电池，其中，所述分支流量调整单元对固体电解质型燃料电池进行的部分负荷运转或待机运转进行响应，使所述被分支的供给流体的流量相对于全流量的比例增加。
3.根据权利要求1或2所述的固体电解质型燃料电池，其中，所述热回收通道以所述电池模组为基准形成为多层。
4.根据权利要求1或2所述的固体电解质型燃料电池，其中，所述热回收通道还包围与燃烧排气之间进行热交换的热交换器。
5.根据权利要求1或2所述的固体电解质型燃料电池，其中，所述电池模组还收纳与燃烧排气之间进行热交换的热交换器。
6.根据权利要求1或2所述的固体电解质型燃料电池，其中，所述热回收通道还包围使燃料气体中添加的水气化的气化器。
7.根据权利要求1或2所述的固体电解质型燃料电池，其中，所述电池模组还收纳使燃料气体中添加的水气化的气化器。
8.根据权利要求3所述的固体电解质型燃料电池，其中，所述热回收通道还包围与燃烧排气之间进行热交换的热交换器。
9.根据权利要求3所述的固体电解质型燃料电池，其中，所述电池模组还收纳与燃烧排气之间进行热交换的热交换器。
10.根据权利要求3所述的固体电解质型燃料电池，其中，所述热回收通道还包围使燃料气体中添加的水气化的气化器。
11.根据权利要求4所述的固体电解质型燃料电池，其中，所述热回收通道还包围使燃料气体中添加的水气化的气化器。
12.根据权利要求5所述的固体电解质型燃料电池，其中，所述热回收通道还包围使燃料气体中添加的水气化的气化器。
13.根据权利要求8所述的固体电解质型燃料电池，其中，所述热回收通道还包围使燃料气体中添加的水气化的气化器。
14.根据权利要求9所述的固体电解质型燃料电池，其中，所述热回收通道还包围使燃料气体中添加的水气化的气化器。
15.根据权利要求3所述的固体电解质型燃料电池，其中，所述电池模组还收纳使燃料气体中添加的水气化的气化器。
16.根据权利要求4所述的固体电解质型燃料电池，其中，所述电池模组还收纳使燃料气体中添加的水气化的气化器。
17.根据权利要求5所述的固体电解质型燃料电池，其中，所述电池模组还收纳使燃料气体中添加的水气化的气化器。
18.根据权利要求8所述的固体电解质型燃料电池，其中，所述电池模组还收纳使燃料气体中添加的水气化的气化器。
19.根据权利要求9所述的固体电解质型燃料电池，其中，所述电池模组还收纳使燃料气体中添加的水气化的气化器。
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