HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Feld der Erfindung:Field of the invention:
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellenmodul umfassend einen Brennstoffzellenstapel, der durch Stapeln einer Mehrzahl von Brennstoffzellen gebildet ist, zum Erzeugen von elektrischer Energie durch elektrochemische Reaktionen von Brenngas und einem sauerstoffhaltigen Gas.The present invention relates to a fuel cell module comprising a fuel cell stack formed by stacking a plurality of fuel cells for generating electric power by electrochemical reactions of fuel gas and an oxygen-containing gas.
Beschreibung des Standes der Technik:Description of the Related Art:
Allgemein verwendet eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) einen Festelektrolyten. Der Festelektrolyt ist ein Oxidionenleiter, wie zum Beispiel stabilisiertes Zirkonoxid. Der Festelektrolyt ist zwischen einer Anode und einer Kathode eingefügt, um eine Elektrolyt-Elektroden-Anordnung (nachfolgend auch als das MEA bezeichnet) zu bilden. Die Elektrolyt-Elektroden-Anordnung ist zwischen Separatoren (bipolaren Platten) eingelegt. Im Gebrauch werden im Allgemeinen eine vorbestimmte Anzahl der Elektrolyt-Elektroden-Anordnungen und der Separatoren zusammen gestapelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden.Generally, a solid oxide fuel cell (SOFC) uses a solid electrolyte. The solid electrolyte is an oxide ion conductor such as stabilized zirconia. The solid electrolyte is interposed between an anode and a cathode to form an electrolyte-electrode assembly (hereinafter also referred to as the MEA). The electrolyte-electrode assembly is inserted between separators (bipolar plates). In use, a predetermined number of the electrolyte-electrode assemblies and the separators are generally stacked together to form a fuel cell stack.
Allgemein ist die SOFC mit einem Reformer zum Reformieren eines Rohbrennstoffes, der hauptsächlich Kohlenwasserstoff enthält, ausgestattet, um ein Brenngas herzustellen, das zu dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird. Das Brenngas, das in dem Reformer hergestellt wird, wird zu dem Brennstoffzellenstapel zusammen mit dem sauerstoffhaltigen Gas (Luft) zugeführt. In dem Brennstoffzellenstapel wird eine Energieerzeugung durch elektrochemische Reaktionen des Brenngases und des sauerstoffhaltigen Gases durchgeführt. Ferner wird das Brenngas, das von dem Brennstoffzellenstapel als ein Brennstoffabgas und das sauerstoffhaltige Gas, das von dem Brennstoffzellenstapel als ein sauerstoffhaltiges Abgas abgegeben wird, zu einem Abgasverbrennungsgerät zugeführt und dann verbrannt, um ein Verbrennungsabgas herzustellen. Dieses Verbrennungsabgas wird zu dem Reformer, einem Evaporator zur Herstellung von Wasserdampf und einem Luftvorwärmer zum Vorwärmen des sauerstoffhaltigen Gases zugeführt, um eine effiziente Verwendung von Wärmeenergie zu erreichen.Generally, the SOFC is equipped with a reformer for reforming a raw fuel mainly containing hydrocarbon to produce fuel gas supplied to the fuel cell stack. The fuel gas produced in the reformer is supplied to the fuel cell stack together with the oxygen-containing gas (air). In the fuel cell stack, power generation is performed by electrochemical reactions of the fuel gas and the oxygen-containing gas. Further, the fuel gas supplied from the fuel cell stack as a fuel off-gas and the oxygen-containing gas discharged from the fuel cell stack as an oxygen-containing exhaust gas are supplied to an exhaust gas combustor and then burned to produce a combustion exhaust gas. This combustion exhaust gas is supplied to the reformer, an evaporator for producing steam, and an air preheater for preheating the oxygen-containing gas to achieve an efficient use of heat energy.
Beispielsweise wird in einem Brennstoffzellensystem, das in der japanischen, offen gelegten Patentveröffentlichung Nr. 2010-277876 offen gelegt ist, ein Brennstoffabgaszufuhrrohr und ein Brennstoffabgasrohr so angeordnet, dass die Strömungsrichtung des Brennstoffabgases und die Strömungsrichtung des sauerstoffhaltigen Gases im Wesentlichen senkrecht zueinander sind. In der Struktur wechselt die Strömungsrichtung des Abgases abhängig von seinem Strömungsdurchgang relativ zu dem Strömungsdurchgang des sauerstoffhaltigen Abgases. Der Strömungsdurchgang des Brennstoffabgases, das in Richtung des Verbrennungsbereichs gedrückt wird, hängt von seinem Strömungsdurchgang relativ zu dem Strömungsdurchgang des sauerstoffhaltigen Abgases ab. Nach der Offenlegung ist es in der Struktur durch Regulieren des Strömungsdurchgangs des Brennstoffabgases, das in Richtung des Verbrennungsbereichs strömt, um einen vorbestimmten Wert oder weniger aufzuweisen, möglich, die Wärmeenergie, die in dem Verbrennungsgerät hergestellt wird, an einem vorbestimmten Wert oder weniger zu halten und das Verbrennungsgerät, ohne seine Wärme-Widerstandstemperatur zu überschreiten, zu betreiben.For example, in a fuel cell system used in the Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2010-277876 is disclosed, a fuel off-gas supply pipe and a fuel exhaust pipe are arranged so that the flow direction of the fuel off-gas and the flow direction of the oxygen-containing gas are substantially perpendicular to each other. In the structure, the flow direction of the exhaust gas changes depending on its flow passage relative to the flow passage of the oxygen-containing exhaust gas. The flow passage of the fuel off-gas, which is forced toward the combustion region, depends on its flow passage relative to the flow passage of the oxygen-containing exhaust gas. According to the disclosure, in the structure, by regulating the flow passage of the fuel off-gas flowing toward the combustion region to have a predetermined value or less, it is possible to maintain the heat energy produced in the combustion apparatus at a predetermined value or less and the combustion apparatus without exceeding its heat resistance temperature.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNGOVERVIEW OF THE INVENTION
In der japanischen, offen gelegten Patentveröffentlichung Nr. 2010-277876 , wie oben erwähnt, wird in der Verbrennungskammer das einzelne Brennstoffabgaszufuhrrohr und das einzelne Brennstoffabgasrohr senkrecht zueinander angeordnet. In der Struktur können das Brennstoffabgas und das sauerstoffhaltige Abgas nicht einfach zusammengemischt werden. In einigen Fällen wird abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit insbesondere das Brennstoffabgas weg geblasen. Daher kann das Verbrennungsabgas nicht geeignet erzeugt werden.In the Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2010-277876 As mentioned above, in the combustion chamber, the single fuel exhaust gas supply pipe and the single fuel exhaust pipe are arranged perpendicular to each other. In the structure, the fuel off-gas and the oxygen-containing off-gas can not be easily mixed together. In some cases, depending on the flow velocity, in particular, the fuel off-gas is blown away. Therefore, the combustion exhaust gas can not be properly generated.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um diese Art von Problem zu lösen und ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellenmodul bereitzustellen, in dem ein Brennstoffabgas und ein sauerstoffhaltiges Abgas einfach und zuverlässig zusammengemischt werden können und es möglich ist, ein gewünschtes Verbrennungsabgas effizient herzustellen.The present invention has been made to solve this type of problem, and an object of the present invention is to provide a fuel cell module in which a fuel off-gas and an oxygen-containing off-gas can be easily and reliably mixed together and it is possible to efficiently produce a desired combustion exhaust gas ,
Ein Brennstoffzellenmodul nach der vorliegenden Erfindung umfasst einen Brennstoffzellenstapel und ein Abgasverbrennungsgerät. Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Mehrzahl von gestapelten Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzellen konfiguriert sind, um elektrische Energie durch elektrochemische Reaktionen eines Brenngases und eines sauerstoffhaltigen Gases zu erzeugen. Das Abgasverbrennungsgerät verbrennt das Brenngas, das von dem Brennstoffzellenstapel als ein Brennstoffabgas abgegeben ist und das sauerstoffhaltige Gas, das von dem Brennstoffzellenstapel als ein sauerstoffhaltiges Abgas abgegeben ist, um dadurch ein Verbrennungsabgas herzustellen.A fuel cell module according to the present invention includes a fuel cell stack and an exhaust gas combustor. The fuel cell stack includes a plurality of stacked fuel cells, wherein the fuel cells are configured to generate electrical energy by electrochemical reactions of a fuel gas and an oxygen-containing gas. The exhaust gas combustor combustes the fuel gas discharged from the fuel cell stack as a fuel off-gas and the oxygen-containing gas discharged from the fuel cell stack as an oxygen-containing exhaust gas to thereby produce a combustion exhaust gas.
Das Abgasverbrennungsgerät umfasst ein Düsenelement und ein Außenrohrelement. Eine Mehrzahl von Brennstoffabgasauslassöffnungen ist an einer Vorder-End-Seitenfläche des Düsenelements gebildet, wobei die Brennstoffabgasauslassöffnungen konfiguriert sind, um das Brennstoffabgas abzugeben. Das Außenrohrelement ist um das Düsenelement bereitgestellt. Eine Mehrzahl von Auslassöffnungen für sauerstoffhaltiges Abgas ist an einer Fläche des Außenrohrelements gebildet, die benachbart zu dem vorderen Ende des Düsenelements endet, wobei diese Auslassöffnungen für sauerstoffhaltiges Abgas konfiguriert sind, um das sauerstoffhaltige Abgas in einer axialen Richtung des Düsenelements abzugeben.The exhaust gas combustor includes a nozzle member and an outer tube member. A plurality of fuel exhaust ports are provided on a front end side surface of the Nozzle element formed, wherein the Brennstoffabgasauslassöffnungen are configured to emit the fuel exhaust gas. The outer tube member is provided around the nozzle member. A plurality of oxygen-containing exhaust ports are formed on a surface of the outer pipe member that terminates adjacent to the front end of the nozzle member, these oxygen-containing exhaust ports being configured to discharge the oxygen-containing exhaust gas in an axial direction of the nozzle member.
Ferner wird das Abgas von den Brennstoffabgasauslassöffnungen abgeben und das sauerstoffhaltige Abgas wird von den Auslassöffnungen für sauerstoffhaltiges Abgas in Richtungen senkrecht zueinander abgegeben und das Brennstoffabgas und das sauerstoffhaltige Abgas werden zusammengemischt.Further, the exhaust gas is discharged from the fuel exhaust ports, and the oxygen-containing exhaust gas is discharged from the oxygen-containing exhaust ports in directions perpendicular to each other, and the fuel off-gas and the oxygen-containing exhaust gas are mixed together.
In der vorliegenden Erfindung sind die Brennstoffabgasauslassöffnungen an einer Vorder-End-Seitenfläche des Düsenelements angeordnet und die Mehrzahl von Auslassöffnungen für sauerstoffhaltiges Gas ist an der Endfläche des Außenrohrelements angeordnet. In der Struktur wird das Brennstoffabgas von dem Brennstoffabgasauslassöffnungen abgegeben und das sauerstoffhaltige Abgas wird von Auslassöffnungen für sauerstoffhaltiges Abgas in Richtungen senkrecht zueinander abgegeben und das Brennstoffabgas und das sauerstoffhaltige Abgas werden zuverlässig zusammen gemischt. Daher wird es möglich, das Brennstoffabgas daran zu hindern, aufgrund von einem Strömungsgeschwindigkeitsunterschied weggeblasen zu werden. Entsprechend werden das Brennstoffabgas und das sauerstoffhaltige Abgas einfach und zuverlässig zusammen gemischt und es wird möglich, ein gewünschtes Verbrennungsabgas effizient herzustellen.In the present invention, the fuel off-gas outlet ports are disposed on a front-end side surface of the nozzle member, and the plurality of oxygen-containing gas discharge ports are disposed on the end surface of the outer tube member. In the structure, the fuel off-gas is discharged from the fuel off-gas outlet ports, and the oxygen-containing exhaust gas is discharged from oxygen-containing exhaust gas outlets in directions perpendicular to each other, and the fuel off-gas and the oxygen-containing exhaust gas are reliably mixed together. Therefore, it becomes possible to prevent the fuel offgas from being blown off due to a flow velocity difference. Accordingly, the fuel off-gas and the oxygen-containing off-gas are easily and reliably mixed together, and it becomes possible to efficiently produce a desired combustion exhaust gas.
Das obige und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden von der folgenden Beschreibung offensichtlicher werden, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen werden, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mittels eines anschaulichen Beispiels gezeigt werden.The above and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following description when taken in conjunction with the accompanying drawings in which a preferred embodiment of the present invention is shown by way of illustrative example.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
1 ist eine Ansicht, die Hauptkomponenten eines Brennstoffzellenmoduls nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; 1 Fig. 13 is a view showing major components of a fuel cell module according to an embodiment of the present invention;
2 ist ein Diagramm, das schematisch eine Struktur des Brennstoffzellenmoduls zeigt; 2 Fig. 12 is a diagram schematically showing a structure of the fuel cell module;
3 ist eine perspektivische Ansicht, die die Hauptkomponenten eines Abgasverbrennungsgeräts des Brennstoffzellenmoduls zeigt; und 3 FIG. 15 is a perspective view showing the main components of an exhaust gas combustion apparatus of the fuel cell module; FIG. and
4 ist eine Draufsicht, von einer Vorder-Endfläche des Abgasverbrennungsgeräts gesehen. 4 FIG. 10 is a plan view seen from a front end surface of the exhaust gas combustor. FIG.
ÜBERBLICK ÜBER DIE BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMENOVERVIEW OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
Ein Brennstoffzellenmodul 10 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das in 1 gezeigt ist, kann in einer ortsfesten Anwendung verwendet werden. Zusätzlich kann das Brennstoffzellenmodul 10 in verschiedenen Anwendungen verwendet werden. Beispielsweise kann das Brennstoffzellenmodul 10 in einem Fahrzeug montiert sein. Das Brennstoffzellenmodul 10 umfasst eine Brennstoffzelleneinheit 12 und die Brennstoffzelleneinheit 12 ist in einem Gehäuse 14 platziert.A fuel cell module 10 according to one embodiment of the present invention, which in 1 can be used in a stationary application. In addition, the fuel cell module 10 be used in different applications. For example, the fuel cell module 10 be mounted in a vehicle. The fuel cell module 10 includes a fuel cell unit 12 and the fuel cell unit 12 is in a housing 14 placed.
Wie in 1 und 2 gezeigt, wird die Brennstoffzelleneinheit 12 durch Zusammenstellen eines Brennstoffzellenstapels 16, eines Reformers 18, eines Luftvorwärmers 20, eines Abgasverbrennungsgeräts 22 und eines Evaporators 24 gebildet. Das Abgasverbrennungsgerät 22 ist in einer Abgasverbrennungskammer 26 bereitgestellt und eine Fläche der Abgasverbrennungskammer 26 ist durch eine Vorwärmeinheit 28 gebildet.As in 1 and 2 shown, the fuel cell unit 12 by putting together a fuel cell stack 16 , a reformer 18 , an air preheater 20 , an exhaust gas combustion device 22 and an evaporator 24 educated. The exhaust gas combustion device 22 is in an exhaust gas combustion chamber 26 provided and an area of the exhaust gas combustion chamber 26 is through a preheating unit 28 educated.
Wie in 2 gezeigt, sind der Luftvorwärmer 20 und ein Kanal für sauerstoffhaltiges Gas (nicht gezeigt) des Brennstoffzellenstapels 16 durch ein Luftzufuhrrohr 30a verbunden. Der Evaporator 24, die Vorwärmeinheit 28 und der Reformer 18 sind durch ein Zufuhrrohr für gemischtes Gas 30b verbunden. Der Reformer 18 und ein Brenngaskanal (nicht gezeigt) des Brennstoffzellenstapels 16 sind durch ein Zufuhrrohr für Brenngas 30c verbunden. Der Evaporator 24 ist oberstromig der Vorwärmeinheit 28 in der Strömungsrichtung eines Rohbrennstoffes bereitgestellt.As in 2 shown are the air preheater 20 and an oxygen-containing gas channel (not shown) of the fuel cell stack 16 through an air supply pipe 30a connected. The evaporator 24 , the preheating unit 28 and the reformer 18 are through a mixed gas supply pipe 30b connected. The reformer 18 and a fuel gas passage (not shown) of the fuel cell stack 16 are through a supply pipe for fuel gas 30c connected. The evaporator 24 is upstream of the preheating unit 28 provided in the flow direction of a raw fuel.
Ein Brennstoffabgasauslass des Brennstoffzellenstapels 16 und das Abgasverbrennungsgerät 22 sind durch ein Brennstoffabgasrohr 30d verbunden. Ein Auslass für sauerstoffhaltiges Abgas des Brennstoffzellenstapels 16 und das Abgasverbrennungsgerät 22 sind durch ein Rohr für sauerstoffhaltiges Abgas 30e verbunden. Das Abgasverbrennungsgerät 22 stellt Verbrennungsabgas her und das Verbrennungsabgas wird zu dem Luftvorwärmer 20 zugeführt und dann zu dem Evaporator 24 durch ein Rohr für Verbrennungsabgas 30f zugeführt.A fuel exhaust outlet of the fuel cell stack 16 and the exhaust gas combustion device 22 are through a fuel exhaust pipe 30d connected. An outlet for oxygen-containing exhaust gas of the fuel cell stack 16 and the exhaust gas combustion device 22 are through a tube for oxygen-containing exhaust gas 30e connected. The exhaust gas combustion device 22 makes combustion exhaust gas and the combustion exhaust gas becomes the air preheater 20 fed and then to the evaporator 24 through a tube for combustion exhaust gas 30f fed.
Der Brennstoffzellenstapel 16 erzeugt elektrische Energie durch elektrochemische Reaktionen eines Brenngases (gemischtes Gas aus Wasserstoffgas, Methan und Kohlenmonoxid) und eines sauerstoffhaltigen Gases (Luft). Wie in 1 gezeigt, umfasst der Brennstoffzellenstapel 16 eine Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln 31 in der Form von flachen-Platten-geformten Festoxidbrennstoffzellen, die in einer vertikalen Richtung, angezeigt durch einen Pfeil A, oder in einer horizontalen Richtung zusammen gestapelt sind.The fuel cell stack 16 generates electrical energy by electrochemical reactions of a fuel gas (mixed gas of hydrogen gas, methane and carbon monoxide) and an oxygen-containing gas (air). As in 1 shown includes the fuel cell stack 16 a plurality of fuel cell stacks 31 in the form of flat-plate shaped solid oxide fuel cells, which are stacked together in a vertical direction indicated by an arrow A or in a horizontal direction.
Der Brennstoffzellenstapel 16 und die Vorwärmeinheit 28 sind jeweils an entgegengesetzten Seiten der Abgasverbrennungskammer 26 bereitgestellt. Das heißt, dass der Brennstoffzellenstapel 16 und die Vorwärmeinheit 28 einander über die Abgasverbrennungskammer 26 zugewandt sind. Der Reformer 18 ist in einer im Wesentlichen U-Form entlang Seitenflächen der Abgasverbrennungskammer 26 bereitgestellt. Obgleich nicht gezeigt, ist der Reformer 18 mit einem reformierenden Katalysator gefüllt. Als der reformierende Katalysator wird wenigstens ein katalytisches Metall, ausgewählt aus Ru (Ruthenium), Ni (Nickel), Pt (Platin), Rh (Rhodium), Pd (Palladium), Ir (Iridium) und Fe (Eisen), verwendet. Der Reformer 18 führt ein Dampfreformen eines gemischten Gases aus einem Rohbrennstoff durch, der hauptsächlich Kohlenstoff (zum Beispiel Stadtgas) enthält und Wasserdampf, um dadurch ein Brenngas herzustellen, das zu dem Brennstoffzellenstapel 16 zugeführt wird.The fuel cell stack 16 and the preheating unit 28 are each on opposite sides of the exhaust gas combustion chamber 26 provided. That means that the fuel cell stack 16 and the preheating unit 28 each other via the exhaust gas combustion chamber 26 are facing. The reformer 18 is in a substantially U-shape along side surfaces of the exhaust gas combustion chamber 26 provided. Although not shown, the reformer is 18 filled with a reforming catalyst. As the reforming catalyst, at least one catalytic metal selected from Ru (ruthenium), Ni (nickel), Pt (platinum), Rh (rhodium), Pd (palladium), Ir (iridium) and Fe (iron) are used. The reformer 18 performs steam reforming of a mixed gas from a raw fuel mainly containing carbon (for example, city gas) and water vapor, thereby to produce a fuel gas leading to the fuel cell stack 16 is supplied.
Wie in 1 und 3 gezeigt, ist das Abgasverbrennungsgerät 22 mit einem unteren Bereich des Brennstoffzellenstapels 16 verbunden und an einem oberen Ort der Abgasverbrennungskammer 26 bereitgestellt. Das Abgasverbrennungsgerät 22 umfasst ein Düsenelement 32 und ein Außenrohrelement 34, das um das Düsenelement 32 bereitgestellt ist. Das Düsenelement 32 und das Außenrohrelement 34 bilden eine Doppelrohrstruktur. Das Düsenelement 32 weist eine zylindrische Form mit einem Boden auf. Eine Mehrzahl von Brennstoffabgasauslassöffnungen 36 ist an einer Vorder-End-Umfangsfläche (Seitenfläche) 32a des Düsenelements 32 angeordnet, zum Abgeben des Brennstoffabgases. Die Brennstoffabgasauslassöffnungen 36 öffnen in horizontale Richtungen. Jede der Brennstoffabgasauslassöffnungen 36 weist eine kreisförmige Form auf. Die Brennstoffabgasauslassöffnungen 36 sind an gleichen Winkelintervallen entlang der Vorder-End-Umfangsfläche 32a gebildet.As in 1 and 3 shown is the exhaust gas combustion device 22 with a lower portion of the fuel cell stack 16 connected and at an upper location of the exhaust gas combustion chamber 26 provided. The exhaust gas combustion device 22 comprises a nozzle element 32 and an outer tube member 34 that around the nozzle element 32 is provided. The nozzle element 32 and the outer tube member 34 form a double tube structure. The nozzle element 32 has a cylindrical shape with a bottom. A plurality of fuel exhaust vents 36 is on a front-end peripheral surface (side surface) 32a of the nozzle element 32 arranged for discharging the fuel off-gas. The fuel exhaust vents 36 open in horizontal directions. Each of the fuel exhaust vents 36 has a circular shape. The fuel exhaust vents 36 are at equal angular intervals along the front-end peripheral surface 32a educated.
Das Außenrohrelement 34 weist eine rechteckige, rohrförmige Form auf und eine Vorder-End (Unter-End) Fläche 34a des Außenrohrelements 34 ist benachbart zu einem vorderen Ende (unteren Ende) des Düsenelements 32 positioniert, das sich in die Richtung der Schwerkraft erstreckt, insbesondere an einer Position, die nach oben von der Vorder-End-Position des Düsenelements 32 um einen Abstand t beabstandet ist. Eine Mehrzahl von Auslassöffnungen für sauerstoffhaltiges Abgas 38 ist an der Vorder-End-Fläche 34a des Außenrohrelements 34 angeordnet, zum Abgeben des sauerstoffhaltigen Abgases in einer axialen Richtung des Düsenelements 32. Die Auslassöffnungen für sauerstoffhaltiges Abgas 38 öffnen nach unten. Die Auslassöffnungen für sauerstoffhaltiges Abgas 38 weisen eine nicht-kreisförmige Form auf, wie zum Beispiel eine ovale Form, eine elliptische Form oder eine rechteckige Form. Es sollte bemerkt werden, dass das Außenrohrelement 34 eine kreisförmige, zylindrische Form aufweisen kann.The outer tube element 34 has a rectangular, tubular shape and a front-end (bottom-end) surface 34a of the outer tube element 34 is adjacent to a front end (lower end) of the nozzle member 32 positioned, which extends in the direction of gravity, in particular at a position which is upwardly from the front-end position of the nozzle member 32 is spaced by a distance t. A plurality of oxygen-containing exhaust gas outlet openings 38 is at the front-end surface 34a of the outer tube element 34 arranged to discharge the oxygen-containing exhaust gas in an axial direction of the nozzle member 32 , The outlet openings for oxygen-containing exhaust gas 38 open down. The outlet openings for oxygen-containing exhaust gas 38 have a non-circular shape, such as an oval shape, an elliptical shape or a rectangular shape. It should be noted that the outer tube element 34 may have a circular, cylindrical shape.
Das Brennstoffabgas wird in einer horizontalen Richtung von den Brennstoffabgasauslassöffnungen 36 abgegeben und das sauerstoffhaltige Abgas wird nach unten von den Auslassöffnungen für sauerstoffhaltiges Abgas 38 abgegeben. Das heißt, dass das Brennstoffabgas und das sauerstoffhaltige Abgas in Richtungen, die senkrecht zueinander sind, abgegeben werden und zusammen gemischt werden. Wie in 4 gezeigt, sind zwei Auslassöffnungen für sauerstoffhaltiges Abgas 38 zwischen Erstreckungslinien L, die sich jeweils von den benachbarten Brennstoffabgasauslassöffnungen 36 in einer Draufsicht erstrecken, gesehen von der Vorder-End-Fläche 34a des Außenrohrelements 34, bereitgestellt. Alternativ kann eine Auslassöffnung für sauerstoffhaltiges Abgas 38 oder drei oder mehr Auslassöffnungen für sauerstoffhaltiges Abgas 38 zwischen den Erstreckungslinien L bereitgestellt sein, die sich jeweils von den benachbarten Brennstoffabgasauslassöffnungen 36 erstrecken.The fuel off-gas is directed in a horizontal direction from the fuel exhaust vents 36 discharged and the oxygen-containing exhaust gas is down from the outlet openings for oxygen-containing exhaust gas 38 issued. That is, the fuel off-gas and the oxygen-containing exhaust gas are discharged in directions perpendicular to each other and mixed together. As in 4 are shown, two outlet openings for oxygen-containing exhaust gas 38 between extension lines L respectively extending from the adjacent fuel exhaust vents 36 extend in a plan view, as seen from the front-end surface 34a of the outer tube element 34 , provided. Alternatively, an exhaust port for oxygen-containing exhaust gas 38 or three or more exhaust ports for oxygen-containing exhaust gas 38 be provided between the extension lines L, each extending from the adjacent Brennstoffabgasauslassöffnungen 36 extend.
Jeder der Auslassöffnungen für sauerstoffhaltiges Abgas 38 ist in einer nicht-kreisförmigen Form ausgebildet, die eine kurze Breite H in einer Umfangsrichtung des Düsenelements 32 und eine lange Länge L in einer Radialrichtung des Düsenelements 32 (L > H) aufweist. Die Auslassöffnung für sauerstoffhaltiges Abgas 38 weist einen Öffnungsbereich auf, der größer ist, als der der Brennstoffauslassöffnungen 36. Der gesamte Öffnungsbereich der Auslassöffnungen für sauerstoffhaltiges Abgas 38 ist größer als der gesamte Öffnungsbereich der Brennstoffabgasauslassöffnungen 36.Each of the exhaust ports for oxygen-containing exhaust gas 38 is formed in a non-circular shape having a short width H in a circumferential direction of the nozzle member 32 and a long length L in a radial direction of the nozzle member 32 (L> H). The exhaust port for oxygen-containing exhaust gas 38 has an opening area that is larger than that of the fuel outlet openings 36 , The entire opening area of the oxygen-containing exhaust ports 38 is larger than the entire opening area of the fuel exhaust ports 36 ,
Wie in 1 gezeigt, ist eine Glühkerze 40 als eine Zündeinheit an dem Reformer 18 angebracht. Die Glühkerze 40 erstreckt sich in die horizontale Richtung und das vordere Ende der Glühkerze 40 ist benachbart zu dem Abgasverbrennungsgerät 22 positioniert. Das vordere Ende der Glühkerze 40 ist in der gleichen Höhe wie die Brennstoffabgasauslassöffnungen 36 positioniert.As in 1 shown is a glow plug 40 as an ignition unit on the reformer 18 appropriate. The glow plug 40 extends in the horizontal direction and the front end of the glow plug 40 is adjacent to the exhaust gas combustion device 22 positioned. The front end of the glow plug 40 is at the same height as the fuel exhaust vents 36 positioned.
Der Luftvorwärmer 20 wärmt das sauerstoffhaltige Gas durch den Wärmetausch mit dem Verbrennungsabgas und führt das sauerstoffhaltige Gas zu dem Brennstoffzellenstapel 16 zu. Wasser und der Rohbrennstoff werden zu dem Evaporator 24 zugeführt. An dem Evaporator 24 wird Wasser verdampft, um Wasserdampf herzustellen. Ein gemischtes Gas aus Wasserdampf und dem Rohbrennstoff wird zu der Vorwärmeinheit 28 durch ein Zufuhrrohr für gemischtes Gas 30b zugeführt. Die Vorwärmeinheit 28 wärmt das gemischte Gas durch die Verbrennungswärme des Verbrennungsabgases und führt das gewärmte, gemischte Gas dem Reformer 18 zu.The air preheater 20 The oxygen-containing gas heats up with the combustion exhaust gas by the heat exchange, and supplies the oxygen-containing gas to the fuel cell stack 16 to. Water and the raw fuel become the evaporator 24 fed. At the evaporator 24 Water is evaporated to produce water vapor. A mixed gas of water vapor and the raw fuel becomes the preheating unit 28 through a supply pipe for mixed gas 30b fed. The preheating unit 28 The mixed gas heats by the combustion heat of the combustion exhaust gas and supplies the heated mixed gas to the reformer 18 to.
Ein Betrieb des Brennstoffzellenmoduls 10 wird unten stehend beschrieben werden.An operation of the fuel cell module 10 will be described below.
Wie in 1 und 2 gezeigt, während eines Betriebs des Brennstoffzellenmoduls 10, wird Luft zu dem Luftvorwärmer 20 zugeführt und der Rohbrennstoff und Wasser werden zu dem Evaporator 24 zugeführt. in dem Luftvorwärmer 20 wird Luft durch Verbrennungsabgas, das später beschrieben wird (das heißt, das ein Wärmetausch zwischen der Luft und dem Verbrennungsabgas stattfindet) gewärmt und die gewärmte Luft wird zu dem Kanal für sauerstoffhaltiges Gas des Brennstoffzellenstapels 16 zugeführt.As in 1 and 2 shown during operation of the fuel cell module 10 , air becomes the air preheater 20 fed and the raw fuel and water become the evaporator 24 fed. in the air preheater 20 For example, air is heated by combustion exhaust gas, which will be described later (that is, a heat exchange between the air and the combustion exhaust gas takes place), and the warmed air becomes the oxygen-containing gas channel of the fuel cell stack 16 fed.
In der Zwischenzeit wird der Rohbrennstoff, wie zum Beispiel das Stadtgas (CH4, C2H6, C3H8, C4H10 enthaltend), und das Wasser zu dem Evaporator 24 zugeführt. Weil das Verbrennungsabgas zu dem Evaporator 24 zugeführt wird, wird Wasser evaporiert, um Wasserdampf herzustellen und ein gemischtes Gas aus diesem Wasserdampf und dem Rohbrennstoff strömt in die Vorwärmeinheit 28. In der Vorwärmeinheit 28 wird das gemischte Gas durch die Verbrennungswärme des Verbrennungsabgases erwärmt.In the meantime, the raw fuel such as the city gas (CH 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8 , C 4 H 10 containing), and the water to the evaporator 24 fed. Because the combustion exhaust gas to the evaporator 24 is supplied, water is evaporated to produce water vapor, and a mixed gas of this water vapor and the raw fuel flows into the preheating unit 28 , In the preheating unit 28 The mixed gas is heated by the combustion heat of the combustion exhaust gas.
Das erwärmte, gemischte Gas wird zu dem Reformer 18 zugeführt. In dem Reformer 18 wird ein Dampfreformen des gemischten Gases durchgeführt. Wasserstoff Kohlenstoff wird aus C2+ entfernt (reformiert) und ein reformiertes Gas, das hauptsächlich Methan enthält, wird erhalten. Das reformierte Gas wird zu dem Brenngaskanal des Brennstoffzellenstapels 16 zugeführt.The heated, mixed gas becomes the reformer 18 fed. In the reformer 18 Steam reforming of the mixed gas is performed. Hydrogen Carbon is removed from C 2+ (reformed) and a reformed gas mainly containing methane is obtained. The reformed gas becomes the fuel gas stack of the fuel cell stack 16 fed.
Daher wird in jeder der Brennstoffzellen 31 elektrische Energie durch elektrochemische Reaktion des Sauerstoffs und der Luft erzeugt. Das Brenngas, das in der Energieerzeugungsreaktion verbraucht wird, wird von dem Brennstoffzellenstapel 16 als das Brennstoffabgas in das Brennstoffabgasrohr 30d abgegeben. Ebenfalls wird das sauerstoffhaltige Gas, das in der Energieerzeugungsreaktion verbraucht wird, von dem Brennstoffzellenstapel 16 als das sauerstoffhaltige Abgas in das Rohr für sauerstoffhaltiges Abgas 30e abgegeben.Therefore, in each of the fuel cells 31 electrical energy generated by electrochemical reaction of oxygen and air. The fuel gas consumed in the power generation reaction is supplied from the fuel cell stack 16 as the fuel off-gas into the fuel exhaust pipe 30d issued. Also, the oxygen-containing gas consumed in the power generation reaction is discharged from the fuel cell stack 16 as the oxygen-containing exhaust gas into the oxygen-containing exhaust gas pipe 30e issued.
Wie in 1 und 3 gezeigt, strömt das Brennstoffabgas nach unten entlang dem Brennstoffabgasdurchgang 30d des Düsenelements 32 und strömt dann in der Horizontalrichtung von den Brennstoffabgasauslassöffnungen 36, die in der Vorder-End-Umfangsfläche 32a gebildet sind, in die Abgasverbrennungskammer 26. In der Zwischenzeit strömt das sauerstoffhaltige Abgas nach unten entlang dem Durchgang für sauerstoffhaltiges Abgas 30e des Außenrohrelements 34. Dann strömt das sauerstoffhaltige Abgas nach unten von den Auslassöffnungen für sauerstoffhaltiges Abgas 38, die in der Vorder-End-Fläche 34a gebildet sind und dann strömt das sauerstoffhaltige Abgas in die Abgasverbrennungskammer 26.As in 1 and 3 shown, the fuel exhaust gas flows down along the fuel exhaust passage 30d of the nozzle element 32 and then flows in the horizontal direction from the Brennstoffabgasauslassöffnungen 36 placed in the front-end perimeter area 32a are formed in the exhaust gas combustion chamber 26 , In the meantime, the oxygen-containing exhaust gas flows down along the oxygen-containing exhaust gas passage 30e of the outer tube element 34 , Then, the oxygen-containing exhaust gas flows downward from the oxygen-containing exhaust gas outlet ports 38 in the front-end area 34a are formed and then the oxygen-containing exhaust gas flows into the exhaust gas combustion chamber 26 ,
Daher werden in der Abgasverbrennungskammer 26 das Brennstoffabgas, das in die horizontale Richtung abgegeben ist und das sauerstoffhaltige Abgas, das nach unten in der Richtung der Schwerkraft abgegeben ist, zusammen gemischt und verbrannt, um das Verbrennungsabgas herzustellen. Übrigens wird die Glühkerze 40, wie notwendig, in der Abgasverbrennungskammer 26 betrieben und das gemischte Verbrennungsgas des Brennstoffabgases und des sauerstoffhaltigen Abgases wird entzündet.Therefore, in the exhaust gas combustion chamber 26 the fuel off-gas discharged in the horizontal direction and the oxygen-containing exhaust gas discharged down in the direction of gravity are mixed together and burned to produce the combustion exhaust gas. Incidentally, the glow plug 40 as necessary, in the exhaust gas combustion chamber 26 operated and the mixed combustion gas of the fuel exhaust gas and the oxygen-containing exhaust gas is ignited.
Wie in 2 gezeigt, wärmt das Verbrennungsabgas den Reformer 18 und überträgt die Verbrennungswärme an die Vorwärmeinheit 28. Ferner wird das Verbrennungsabgas zu dem Luftvorwärmer 20 und dann zu dem Evaporator 24 zugeführt. Daher wird die Verbrennungswärme an den Luftvorwärmer 20 und den Evaporator 24 abgegeben.As in 2 shown, the combustion exhaust gas warms the reformer 18 and transmits the heat of combustion to the preheating unit 28 , Further, the combustion exhaust gas becomes the air preheater 20 and then to the evaporator 24 fed. Therefore, the heat of combustion to the air preheater 20 and the evaporator 24 issued.
In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 1 und 3 gezeigt, sind die Brennstoffabgasauslassöffnungen 36 an einer Vorder-End-Seitenfläche 32a des Düsenelements 32 angeordnet und die Mehrzahl von Auslassöffnungen für sauerstoffhaltiges Gas 38 ist an der Vorder-Endfläche 34a des Außenrohrelements 34 angeordnet. Daher wird das Brennstoffabgas von dem Brennstoffabgasauslassöffnungen 36 abgegeben und das sauerstoffhaltige Abgas wird von Auslassöffnungen für das sauerstoffhaltige Abgas 38 in Richtungen senkrecht zueinander abgegeben und das Brennstoffabgas und das sauerstoffhaltige Abgas werden zuverlässig zusammen gemischt. Daher wird es möglich, das Brennstoffabgas daran zu hindern, aufgrund von einem Strömungsgeschwindigkeitsunterschied weggeblasen zu werden. Entsprechend werden das Brennstoffabgas und das sauerstoffhaltige Abgas einfach und zuverlässig zusammen gemischt und es wird möglich, ein gewünschtes Verbrennungsabgas effizient herzustellen.In the embodiment of the present invention, as in 1 and 3 shown are the fuel exhaust vents 36 on a front-end side surface 32a of the nozzle element 32 arranged and the plurality of outlet openings for oxygen-containing gas 38 is at the front end face 34a of the outer tube element 34 arranged. Therefore, the fuel off-gas from the fuel off-gas outlet becomes 36 discharged and the oxygen-containing exhaust gas is from outlet openings for the oxygen-containing exhaust gas 38 discharged in directions perpendicular to each other and the fuel off-gas and the oxygen-containing exhaust gas are reliably mixed together. Therefore, it becomes possible to prevent the fuel offgas from being blown off due to a flow velocity difference. Accordingly, the fuel off-gas and the oxygen-containing off-gas are easily and reliably mixed together, and it becomes possible to efficiently produce a desired combustion exhaust gas.
Ferner sind, in dem Brennstoffzellenmodul 10, wie in 4 gezeigt, in einer Draufsicht, gesehen von der Vorder-End-Fläche 34a des Außenrohrelements 34, zwei Auslassöffnungen für sauerstoffhaltiges Abgas 38 zwischen den Erstreckungslinien, die sich jeweils von den Brennstoffabgasauslassöffnungen 36 erstrecken, bereitgestellt. In der Struktur wird, selbst wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffabgases unterschiedlich von der des sauerstoffhaltigen Abgases ist, wenn beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit des sauerstoffhaltigen Abgases größer als die des Brennstoffabgases ist, das Brennstoffabgas (als eines der Gase) nicht weggeblasen. Daher kann das gemischte Verbrennungsgas zuverlässig erhalten werden und es ist möglich, ein gewünschtes Verbrennungsabgas herzustellen.Further, in the fuel cell module 10 , as in 4 shown, in a plan view, seen from the front-end surface 34a of the outer tube element 34 , two exhaust ports for oxygen-containing exhaust gas 38 between the extension lines extending from the fuel exhaust vents, respectively 36 extend, provided. In the structure, even if the flow rate of the fuel off-gas is different from that of the oxygen-containing exhaust gas, when For example, the flow rate of the oxygen-containing exhaust gas is greater than that of the fuel off-gas, the fuel off-gas (as one of the gases) is not blown off. Therefore, the mixed combustion gas can be reliably obtained, and it is possible to produce a desired combustion exhaust gas.
Ferner ist jede der Auslassöffnungen für sauerstoffhaltiges Abgas 38 in einer nicht-kreisförmigen Form ausgebildet, die eine kurze Breite H in einer Umfangsrichtung des Düsenelements 32 und eine lange Länge L in einer Radialrichtung des Düsenelements 32 (L > H) aufweist. Daher wird es möglich, die zwei oder mehr Auslassöffnungen für sauerstoffhaltiges Abgas 38 zuverlässig und effizient zwischen den Brennstoffabgasauslassöffnungen 36 zu platzieren.Further, each of the exhaust ports is oxygen-containing exhaust gas 38 formed in a non-circular shape having a short width H in a circumferential direction of the nozzle member 32 and a long length L in a radial direction of the nozzle member 32 (L> H). Therefore, it becomes possible to have the two or more exhaust ports for oxygen-containing exhaust gas 38 reliable and efficient between the fuel exhaust ports 36 to place.
Ferner ist der gesamte Öffnungsbereich der Auslassöffnungen für sauerstoffhaltiges Abgas 38 größer als der gesamte Öffnungsbereich der Brennstoffauslassöffnungen 36. In dem Brennstoffzellenstapel 16 ist während eines Betriebs das Strömungmaß der Luft größer als das Strömungsmaß des Brennstoffes. Daher ist die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffes relativ gering, wenn die Öffnungsbereiche die gleichen sind. Daher wird es durch Einstellen des gesamten Öffnungsbereiches der Auslassöffnungen für sauerstoffhaltiges Abgas 38, so dass sie größer sind als der gesamte Öffnungsbereich der Brennstoffabgasauslassöffnungen 36, möglich, die Strömungsgeschwindigkeit des sauerstoffhaltigen Abgases der Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffabgases anzugleichen, soweit dies möglich ist.Further, the entire opening area of the oxygen-containing exhaust gas outlet ports is 38 larger than the entire opening area of the fuel outlet openings 36 , In the fuel cell stack 16 During operation, the flow rate of the air is greater than the flow rate of the fuel. Therefore, the flow rate of the fuel is relatively low when the opening areas are the same. Therefore, it becomes by adjusting the entire opening area of the oxygen-containing exhaust gas outlet ports 38 so that they are larger than the entire opening area of the fuel exhaust vents 36 , possible to match the flow rate of the oxygen-containing exhaust gas, the flow rate of the fuel exhaust gas, as far as possible.
Ferner, wie in 1 gezeigt, weist das Abgasverbrennungsgerät 22 die Glühkerze 40 zum Entzünden das Brennstoffabgases und sauerstoffhaltigen Abgases auf. In dieser Hinsicht sind die Brennstoffabgasauslassöffnungen 36 in der Vorder-End-Umfangsfläche 32a des Düsenelements 32 gebildet, die sich in der Richtung der Schwerkraft erstreckt, und die Brennstoffabgasauslassöffnungen 36 sind in der horizontalen Richtung geöffnet. Das vordere Ende der Glühkerze 40 ist an der gleichen Höhe positioniert, wie die Brennstoffabgasauslassöffnungen 36. Daher wird das Brennstoffabgas zuverlässig an einer Position abgegeben, die benachbart zu einer Entzündungsposition der Glühkerze 40 ist und die Durchführung eines Entzündens des Brennstoffabgases wird geeignet verbessert.Further, as in 1 shown has the exhaust gas combustion device 22 the glow plug 40 for igniting the fuel off-gas and oxygen-containing off-gas. In this regard, the fuel exhaust vents are 36 in the front-end peripheral surface 32a of the nozzle element 32 formed extending in the direction of gravity, and the Brennstoffabgasauslassöffnungen 36 are open in the horizontal direction. The front end of the glow plug 40 is positioned at the same height as the fuel exhaust vents 36 , Therefore, the fuel offgas is reliably discharged at a position adjacent to an ignition position of the glow plug 40 and the performance of igniting the fuel off-gas is appropriately improved.
Ein Brennstoffzellenmodul (10) umfasst einen Brennstoffzellenstapel (16) und ein Abgasverbrennungsgerät (22). Das Abgasverbrennungsgerät (22) umfasst ein Düsenelement (32) und ein Außenrohrelement (34). Eine Mehrzahl von Brennstoffabgasauslassöffnungen (36) ist an einer Vorder-End-Umfangsfläche (32a) des Düsenelements (32) gebildet und eine Mehrzahl von Auslassöffnungen für sauerstoffhaltiges Abgas (38) ist an einer Vorder-End-Fläche (34a) des Außenrohrelements (34) gebildet. Brennstoffabgas wird von den Brennstoffabgasauslassöffnungen (36) abgegeben und sauerstoffhaltiges Abgas wird von den Auslassöffnungen für sauerstoffhaltiges Abgas (38) abgegeben, in Richtungen, die senkrecht zueinander sind, und das Brennstoffabgas und das sauerstoffhaltige Abgas werden zusammengemischt.A fuel cell module ( 10 ) comprises a fuel cell stack ( 16 ) and an exhaust gas combustion device ( 22 ). The exhaust gas combustion device ( 22 ) comprises a nozzle element ( 32 ) and an outer tube element ( 34 ). A plurality of fuel exhaust vents (FIGS. 36 ) is on a front-end peripheral surface ( 32a ) of the nozzle element ( 32 ) and a plurality of outlet openings for oxygen-containing exhaust gas ( 38 ) is on a front-end surface ( 34a ) of the outer tube element ( 34 ) educated. Fuel exhaust gas is emitted from the fuel exhaust vents (FIG. 36 ) and oxygen-containing exhaust gas is discharged from the oxygen-containing exhaust gas outlet openings ( 38 ), in directions perpendicular to each other, and the fuel off-gas and the oxygen-containing off gas are mixed together.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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JP 2010-277876 [0004, 0005] JP 2010-277876 [0004, 0005]
