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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungsvorrichtung und ein Brennstoffzellen-Modul.
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Beschreibung des Standes der Technik
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In einem Brennstoffzellen-Modul, das elektrische Leistung durch eine Reaktion von Brennstoffgas und Oxidationsmittelgas erzeugt, ist herkömmlicherweise eine Konfiguration bekannt, bei der Restbrennstoffgas, das bei der elektrischen Leistungserzeugung in einer Brennstoffzelle nicht verbraucht worden ist, in einer Verbrennungsvorrichtung verbrannt wird.
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Als ein Beispiel der Konfiguration der Verbrennungsvorrichtung in einem derartigen Brennstoffzellen-Modul offenbart die japanische Patentoffenlegung mit der Nr. 2018-169080 eine Verbrennungsvorrichtung, die ein Brennstoffrohr beinhaltet, das ein distales Ende hat, aus dem heraus Restbrennstoffgas, das in einer Brennstoffzelle nicht verbraucht worden ist, ausgestoßen wird, und eine Trennwand beinhaltet, die oberhalb des Brennstoffrohrs vorgesehen ist und ein sauerstoffenthaltendes Gas über das Brennstoffrohr führt.
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Bei der Konfiguration, die in der japanischen Patentoffenlegung bzw. Offenlegungsschrift
2018-169080 offenbart ist, besteht jedoch ein Problem dahingehend, dass aufgrund der Tatsache, dass das sauerstoffenthaltende Gas über das Brennstoffrohr entlang der Trennwand mit einem steilen Winkel geführt wird, eine Strömungsgeschwindigkeit des geführten, sauerstoffenthaltenden Gases zunimmt, was eine instabile Verbrennung in der Verbrennungsvorrichtung hervorruft.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die im Hinblick auf das oben beschriebene Problem gemacht worden ist, besteht darin, eine Verbrennungsvorrichtung anzugeben, die dazu in der Lage ist, eine stabile Verbrennung zu erreichen.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
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Eine Verbrennungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist eine Verbrennungsvorrichtung, der Restbrennstoffgas, das bei einer Leistungserzeugungsreaktion in einer Brennstoffzelle nicht verbraucht ist bzw. worden ist, und ein Oxidationsmittelgas zugeführt wird, um das Restbrennstoffgas zusammen mit dem Oxidationsmittelgas zu verbrennen, wobei die Verbrennungsvorrichtung einen Brennstoffgasausstoßabschnitt aufweist, der sich nach oben erstreckt und das Restbrennstoffgas aus einem Brennstoffgasausstoß-Port ausstößt, der in einem oberen Ende des Brennstoffgasausstoßabschnittes gebildet ist, wobei das Oxidationsmittelgas auf der gleichen Höhe wie der Brennstoffgasausstoß-Port oder unterhalb des Brennstoffgasausstoß-Ports ausgestoßen wird, und wobei das Oxidationsmittelgas in einer Richtung entlang einer Seitenwand des Brennstoffgasausstoßabschnittes geführt wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung, die die oben beschriebene Konfiguration hat, kann aufgrund der Tatsache, dass das Oxidationsmittelgas in der Richtung entlang der Seitenwand des Brennstoffgasausstoßabschnittes geführt wird, verhindert werden, dass das Oxidationsmittelgas direkt gegen bzw. auf Verbrennungsflammen des Brennstoffgasausstoßabschnittes gesprüht bzw. gespritzt („sprayed“) wird, wodurch eine stabile Verbrennung erreicht werden kann.
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In der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Verbrennungsvorrichtung vorzugsweise ferner einen Oxidationsmittelgasführungsabschnitt, wobei das Oxidationsmittelgas in einen Innenraum des Oxidationsmittelgasführungsabschnittes zugeführt wird und wobei der Oxidationsmittelgasführungsabschnitt das Oxidationsmittelgas hin zu der Seitenwand führt, die den Brennstoffgasausstoßabschnitt bildet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung, die die oben beschriebene Konfiguration hat, kollidiert das Oxidationsmittelgas, das zu dem Oxidationsmittelgasführungsabschnitt geführt ist, mit dem Brennstoffgasausstoßabschnitt und strömt dann entlang der Seitenwand des Brennstoffgasausstoßabschnittes. Dies ermöglicht es, dass das Oxidationsmittelgas in der Richtung entlang der Seitenwand des Brennstoffgasausstoßabschnittes geführt wird.
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Zusätzlich ist bei der vorliegenden Erfindung eine Öffnungsfläche bzw. ein Öffnungsflächeninhalt („opening area“) eines Oxidationsmittelgasausstoß-Ports, durch den das Oxidationsmittelgas aus dem Innenraum ausgestoßen wird, größer als eine Öffnungsfläche des Brennstoffgasausstoß-Ports.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung, die die oben beschriebene Konfiguration hat, wird hinreichend Oxidationsmittelgas zugeführt, wodurch die stabile Verbrennung erreicht werden kann.
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Zusätzlich hierzu ist bei der vorliegenden Erfindung das ausgestoßene Oxidationsmittelgas vorzugsweise Restoxidationsmittelgas, das bei der Leistungserzeugungsreaktion in der Brennstoffzelle nicht verbraucht worden ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung, die die oben beschriebene Konfiguration hat, ist es nicht notwendig, neuerdings bzw. nochmalig („newly“) eine Konfiguration (Rohranordnung und dergleichen) zum Zuführen des Oxidationsmittelgases von außen bereitzustellen.
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Zusätzlich hierzu wird bei der vorliegenden Erfindung das Restbrennstoffgas, das bei der Leistungserzeugungsreaktion in dem Brennstoffzellen-Stack nicht verbraucht worden ist, vorzugsweise dem Brennstoffgasausstoßabschnitt zugeführt, ohne vorab mit dem Oxidationsmittelgas gemischt zu werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung, die die oben beschriebene Konfiguration hat, wird das Brennstoffgas aus dem Brennstoffgasausstoß-Port in einem Zustand ausgestoßen, bei dem eine Konzentration des Brennstoffgases hoch ist, wodurch eine stabilere Verbrennung erreicht werden kann.
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Zusätzlich hierzu ist bei der vorliegenden Erfindung der Brennstoffgasausstoßabschnitt vorzugsweise mit einer Vielzahl von Brennstoffgasausstoß-Ports versehen, die in einer Linie bzw. Reihe angeordnet sind.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung, die die oben beschriebene Konfiguration hat, kann eine gleichförmige Verbrennung in einer Anordnungsrichtung der Vielzahl von Brennstoffgasausstoß-Ports erreicht werden, und in der Verbrennungsvorrichtung erzeugte Wärme kann effizienter zum Erwärmen eines Reformers verwendet werden, und dergleichen.
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Ein Brennstoffzellen-Modul der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Brennstoffzelle, die oben beschriebene Verbrennungsvorrichtung, die Restbrennstoffgas, das bei einer Leistungserzeugungsreaktion in der Brennstoffzelle nicht verbraucht worden ist, zusammen mit einem Oxidationsmittelgas verbrennt, und einen Reformer, der oberhalb der Verbrennungsvorrichtung angeordnet ist, der Rohbrennstoffgas („raw fuel gas“) durch Verbrennungswärme der Verbrennungsvorrichtung reformiert und der das reformierte Rohbrennstoffgas der Brennstoffzelle zuführt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung, die die oben beschriebene Konfiguration hat, kann die stabile Verbrennung in der Verbrennungsvorrichtung erreicht werden, wodurch das Rohbrennstoffgas in dem Reformer verlässlich reformiert /„reformed“) werden kann.
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In der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Brennstoffzellen-Modul vorzugsweise ferner ein Gehäuse, in dem die Verbrennungsvorrichtung und der Reformer aufgenommen sind, wobei die Brennstoffzelle außerhalb des Gehäuses unabhängig von dem Gehäuse angeordnet ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung, die die oben beschriebene Konfiguration hat, kann ein Wärmeeinfluss von der Verbrennungsvorrichtung auf die Brennstoffzelle reduziert werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Verbrennungsvorrichtung bereitgestellt werden, die dazu in der Lage ist, eine stabile Verbrennung zu erreichen.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Diagramm, das eine schematische Konfiguration eines Brennstoffzellen-Moduls gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
- 2 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer Reformer-Heizeinrichtung des Brennstoffzellen-Moduls, das in 1 dargestellt ist;
- 3 bzw. 4 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Verbrennungsvorrichtung des Brennstoffzellen-Moduls darstellt, das in 1 dargestellt ist;
- 4 bzw. 3 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die die Verbrennungsvorrichtung des Brennstoffzellen-Moduls darstellt, das in 1 dargestellt ist;
- 5 ist eine vertikale Querschnittsansicht, die eine Strömung eines Restbrennstoffgases und eine Strömung eines Restoxidationsmittelgases in der Verbrennungsvorrichtung des Brennstoffzellen-Moduls gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
- 6 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer Reformer-Heizeinrichtung eines Brennstoffzellen-Moduls gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 7 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Verbrennungsvorrichtung des Brennstoffzellen-Moduls darstellt, das in 6 dargestellt ist;
- 8 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die die Verbrennungsvorrichtung des Brennstoffzellen-Moduls darstellt, das in 6 dargestellt ist; und
- 9 ist eine vertikale Querschnittsansicht, die eine Strömung eines Restbrennstoffgases und eine Strömung eines Restoxidationsmittelgases in der Verbrennungsvorrichtung des Brennstoffzellen-Moduls gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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<Erste Ausführungsform>
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Nachstehend wird ein Brennstoffzellen-Modul gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist ein Diagramm, das eine schematische Konfiguration eines Brennstoffzellen-Moduls gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Es ist anzumerken, dass in 1 eine Strömung eines Brennstoffgases (einschließlich von Rohbrennstoffgas und Restbrennstoffgas) durch eine Strich-Punkt-Linie gezeigt ist, eine Strömung von Luft (einschließlich von Restoxidationsmittelgas) durch eine durchgezogene Linie gezeigt ist und eine Strömung von Abgas („exhaust gas“) durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist.
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Wie es in 1 dargestellt ist, beinhaltet ein Brennstoffzellen-Modul 1 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Brennstoffzellen-Stack 2, der eine Leistungserzeugungsreaktion durchführt, und eine Fluidzuführeinrichtung 4, die dem Brennstoffzellen-Stack 2 das Brennstoffgas, das aus dem Rohbrennstoffgas reformiert worden ist, und die Luft zuführt, die als ein erwärmtes Oxidationsmittelgas dient. Die Fluidzuführeinrichtung 4 beinhaltet einen Verdampfer 4a und eine Reformer-Heizeinrichtung 4b.
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Der Verdampfer („evaporator“) 4a ist mit einer Wasserzuführrohranordnung („water supply piping“) 20 zum Zuführen von Wasser, mit einer Rohbrennstoffgaszuführrohranordnung 22 zum Zuführen von Rohbrennstoffgas und mit einem Abgasabführrohr 23 zum Abführen von Abgas verbunden. Zusätzlich hierzu ist der Verdampfer 4a mit einer Abgasrohranordnung 26 zum Zuführen von Abgas aus einem Gehäuse 6 der Reformer-Heizeinrichtung 4b zu dem Verdampfer 4a und mit einer Mischgasleitung 28 zum Zuführen von gemischtem Gas bzw. einem Gasgemisch aus dem Verdampfer 4a zu einem Reformer 10 verbunden.
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Der Verdampfer 4a ist dazu konfiguriert, um das Wasser zu verdampfen, das von der Wasserzuführrohranordnung 20 zugeführt wird, und zwar unter Verwendung von Wärme des Abgases, das über die Abgasrohranordnung 26 zugeführt wird, um Dampf („steam“) zu erzeugen, und um diesen Dampf mit dem Rohbrennstoffgas zu mischen, das von der Rohbrennstoffgaszuführrohranordnung 22 zugeführt wird. Das Rohbrennstoffgas, das in dem Verdampfer 4a mit dem Dampf gemischt wird, wird dem Reformer 10 zugeführt, und zwar über die Mischgasleitung 28. Es ist anzumerken, dass das Abgas, das das Wasser erwärmt hat, nach außen durch das Abgasabführrohr 23 abgeführt wird.
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Die Reformer-Heizeinrichtung 4b beinhaltet das Gehäuse 6, und das Gehäuse 6 ist oberhalb des Brennstoffzellen-Stacks 2 angeordnet, derart, dass das Gehäuse 6 in der vertikalen Richtung mit dem Brennstoffzellen-Stack 2 ausgerichtet ist. Der Brennstoffzellen-Stack 2 und das Gehäuse 6 sind von einem Wärmeisolator 8 umgeben, und der Wärmeisolator 8 ist zwischen dem Brennstoffzellen-Stack 2 und dem Gehäuse 6 vorgesehen, so dass der Brennstoffzellen-Stack 2 thermisch gegenüber dem Gehäuse 6 (der Fluidzuführeinrichtung 4) isoliert ist. Der Wärmeisolator 8, der den Brennstoffzellen-Stack 2 und das Gehäuse 6 umgibt, bildet eine äußerste Fläche des Brennstoffzellen-Moduls 1, und ein Behälter, der aus Metall hergestellt ist, oder dergleichen, kann vorgesehen sein oder kann nicht vorgesehen sein, um die Außenseite des Wärmeisolators 8 zu bedecken. Zusätzlich hierzu sind der Reformer 10 und eine Verbrennungsvorrichtung 12 in einem Raum aufgenommen, der von dem Gehäuse 6 umschlossen ist.
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Das Gehäuse 6 hat eine doppelwandige Struktur und hat einen Luftströmungspfad 6A, der zwischen einer inneren Wand und einer äußeren Wand gebildet ist. Eine obere Oberfläche des Gehäuses 6 ist mit einem Luftzuführrohr 24 verbunden, so dass Luft, die als ein Oxidationsmittelgas dient, durch das Luftzuführrohr 24 von der Außenseite zugeführt wird. Die Luft (Oxidationsmittelgas), die in den Luftströmungspfad 6A zugeführt wird, wird durch Verbrennungswärme der Verbrennungsvorrichtung 12 erwärmt, während sie in dem Luftströmungspfad 6A strömt. Die in dem Luftströmungspfad 6A erwärmte Luft wird dem Brennstoffzellen-Stack 2 über einen Oxidationsmittelgaszuführkanal 32 zugeführt.
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Zwischen der Reformer-Heizeinrichtung 4b und dem Brennstoffzellen-Stack 2 ist ein Brennstoffzuführkanal 30 zum Zuführen von Brennstoffgas aus dem Reformer 10 zu dem Brennstoffzellen-Stack 2 vorgesehen, und ist der Oxidationsmittelgaszuführkanal 32 zum Zuführen der erwärmten Luft aus dem Luftströmungspfad 6A des Gehäuses 6 zu dem Brennstoffzellen-Stack 2 vorgesehen. Zusätzlich hierzu sind zwischen der Reformer-Heizeinrichtung 4b und dem Brennstoffzellen-Stack 2 ein Brennstoffabführkanal 34 zum Zuführen zu der Verbrennungsvorrichtung 12 von Restbrennstoffgas, das als Off-Gas dient, das bei der Leistungserzeugung in dem Brennstoffzellen-Stack 2 nicht verbraucht worden ist, und ein Oxidationsmittelgasabführkanal 36 zum Zuführen zu der Verbrennungsvorrichtung 12 von Oxidationsmittelgas verbunden bzw. angeschlossen, das bei der Leistungserzeugung in dem Brennstoffzellen-Stack 2 nicht verbraucht worden ist.
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Der Reformer 10 ist mit einem reformierenden Katalysator (nicht dargestellt) gefüllt und ist dazu konfiguriert, um mit dem Rohbrennstoffgas versorgt zu werden, das mit dem Dampf aus dem Verdampfer 4a gemischt ist, und zwar über die Mischgasleitung 28, und um das Rohbrennstoffgas durch Verbrennungswärme der Verbrennungsvorrichtung 12 zu dampf-reformieren, um ein wasserstoffreiches Brennstoffgas zu erzeugen. Das in dem Reformer 10 erzeugte Brennstoffgas wird zu dem Brennstoffzellen-Stack 2 übergeben und wird bei der Leistungserzeugung bzw. für die Leistungserzeugung in dem Brennstoffzellen-Stack 2 verbraucht. Das Brennstoffgas wird den Brennstoffzellen-Stack 2 über den Brennstoffzuführkanal 30 zugeführt, der sich zwischen dem Reformer 10 und dem Brennstoffzellen-Stack 2 erstreckt. Da der Reformer 10 in dem Gehäuse 6 aufgenommen ist und da das Gehäuse 6 von dem Wärmeisolator 8 umgeben ist, erstreckt sich hierbei der Brennstoffzuführkanal 30 zum Zuführen des Brennstoffgases zu dem Brennstoffzellen-Stack 2 durch das Gehäuse 6 und den Wärmeisolator 8 hindurch.
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Die Verbrennungsvorrichtung 12 ist dazu konfiguriert, das Restbrennstoffgas und die Restluft zu verbrennen, die verbleiben, ohne dass sie bei der bzw. für die Leistungserzeugung in dem Brennstoffzellen-Stack 2 verbraucht werden. Der Brennstoff, der verbleibt, ohne bei der Leistungserzeugung in dem Brennstoffzellen-Stack 2 verbraucht zu werden, wird zu der Verbrennungsvorrichtung 12 über den Brennstoffabführkanal 34 abgeführt, der sich zwischen der Verbrennungsvorrichtung 12 und dem Brennstoffzellen-Stack 2 erstreckt. Der Brennstoffabführkanal 34 erstreckt sich von dem Brennstoffzellen-Stack 2 zu der Verbrennungsvorrichtung 12 ebenfalls durch das Gehäuse 6 und den Wärmeisolator 8 hindurch . Der verbleibende Brennstoff, der an die Verbrennungsvorrichtung 12 abgeführt wird, wird von der Verbrennungsvorrichtung 12 verbrannt und erwärmt den Reformer 10, der oberhalb der Verbrennungsvorrichtung 12 angeordnet ist. Auf diese Art und Weise wird der reformierende Katalysator (nicht dargestellt) in dem Reformer 10 auf die Temperatur erwärmt, bei der das Dampf-Reformieren durchgeführt werden kann.
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Andererseits wird die Luft, die als das Oxidationsmittelgas für die Leistungserzeugung dient, auch von der Außenseite zu dem Gehäuse 6 durch das Luftzuführrohr 24 hindurch zugeführt, wird von der Verbrennungswärme der Verbrennungsvorrichtung 12 erwärmt, während sie in den Luftströmungspfad 6A strömt, und wird dem Brennstoffzellen-Stack 2 in einem Zustand zugeführt, bei dem die Temperatur der Luft hoch ist. Die Luft für die Leistungserzeugung, die in der Fluidzuführeinrichtung 4 erwärmt wird, wird dem Brennstoffzellen-Stack 2 über den Oxidationsmittelgaszuführkanal 32 zugeführt, der sich von bzw. aus dem Gehäuse 6 erstreckt. Der Oxidationsmittelgaszuführkanal 32 erstreckt sich auch von dem Gehäuse 6 zu dem Brennstoffzellen-Stack 2 durch den Wärmeisolator 8 hindurch, der das Gehäuse 6 umgibt.
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Der Brennstoffzellen-Stack 2 ist ein Zellen-Stack vom Flachplattentyp („flat plate type cell stack“) und ist aus einer Vielzahl von übereinander gestapelten rechteckförmigen Brennstoffzellen vom Flachplattentyp gebildet. Der Brennstoffzellen-Stack 2 ist außerhalb des Gehäuses 6 unabhängig vorgesehen. Jede der Brennstoffzellen ist aus einer Brennstoffelektrode und einer Luftelektrode (Oxidationsmittel-gaselektrode) aufgebaut, die die auf beiden Flächen eines flachen plattenförmigen Elektrolyten, der einen Oxidionenleiter aufweist, jeweilig vorgesehen sind, und eine Trenneinrichtung („separator“) ist zwischen den benachbarten Brennstoffzellen angeordnet. Jede der Brennstoffzellen wird mit dem Brennstoffgas und dem Oxidationsmittelgas durch den Brennstoffzuführkanal 30 bzw. den Oxidationsmittelgaszuführkanal 32 versorgt, so dass die elektrische Leistung von den Brennstoffzellen erzeugt wird.
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Das Restbrennstoffgas, das verbleibt, ohne für die Leistungserzeugung verbraucht zu werden, bei dem es sich um einen Teil des Brennstoffgases handelt, der den Brennstoffzellen-Stack 2 zugeführt wird, wird zu der Verbrennungsvorrichtung 12 über den Brennstoffabführkanal 34 abgeführt, wie oben beschrieben. Zusätzlich hierzu wird die Restluft, die verbleibt, ohne für die Leistungserzeugung verbraucht zu werden, wobei es sich um einen Teil jener Luft handelt, die dem Brennstoffzellen-Stack 2 zugeführt wird, zu der Verbrennungsvorrichtung 12 über den Oxidationsmittelgasabführkanal 36 abgeführt. Der Oxidationsmittelgasabführkanal 36 erstreckt sich von dem Brennstoffzellen-Stack 2 zu der Verbrennungsvorrichtung 12 ebenfalls durch den Wärmeisolator 8 hindurch, der das Gehäuse 6 umgibt. Die Restluft, die an die Verbrennungsvorrichtung 12 abgeführt wird, wird für die Verbrennung in der Verbrennungsvorrichtung 12 verwendet. Verbrennungsgas, das durch die Verbrennung erzeugt wird, wird als Abgas („exhaust gas“) zu dem Verdampfer 4a abgeführt, und zwar durch die Abgasrohranordnung 26. Das zu dem Verdampfer 4a abgeführte Abgas wird dazu verwendet, um das Wasser zu verdampfen, und wird dann aus dem Abgasabführrohr 23 zu der Außenseite abgeführt.
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Als Nächstes wird eine Konfiguration der Verbrennungsvorrichtung 12 in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. 2 ist eine vertikale Querschnittsansicht der Reformer-Heizeinrichtung des Brennstoffzellen-Moduls, das in 1 dargestellt ist. Zusätzlich hierzu zeigen 3 und 4 jeweils eine Verbrennungsvorrichtung des Brennstoffzellen-Moduls, das in 1 dargestellt ist. 3 ist eine perspektivische Ansicht bzw. eine perspektivische Explosionsansicht, und 4 ist eine perspektivische Explosionsansicht bzw. eine perspektivische Ansicht. Es ist anzumerken, dass in 2 bis 4 der Luftströmungspfad 6A (äußere Wand) des Gehäuses 6 nicht dargestellt ist, und 3 und 4 zeigen jeweils nur einen Boden des Gehäuses.
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Wie es in 2 bis 4 dargestellt ist, beinhaltet die Verbrennungsvorrichtung 12 einen Verteiler („manifold“), der das Restbrennstoffgas und das Restoxidationsmittelgas ausstößt, und der Verteiler beinhaltet ein erstes Verbrennungsvorrichtungsbildungselement 42 und ein zweites Verbrennungsvorrichtungsbildungselement 44, die auf einer Bodenfläche 6a des Gehäuses 6 angeordnet sind. Eine Oxidationsmittelgasöffnung 6B, die mit dem Oxidationsmittelgasabführkanal 36 zu verbinden ist, und eine Brennstofföffnung 6C, die mit dem Brennstoffabführkanal 34 zu verbinden ist, sind in der Bodenfläche 6a des Gehäuses 6 gebildet.
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Das erste Verbrennungsvorrichtungsbildungselement 42 beinhaltet einen rechteckförmigen flachen Plattenabschnitt 42A und einen rohrförmigen Abschnitt 42B, der gegenüber dem flachen Plattenabschnitt 42A nach unten vorsteht. Der rohrförmige Abschnitt 42B ist mit einer Öffnung verbunden, die einer Mitte des flachen Plattenabschnittes 42A gebildet ist. Es ist anzumerken, dass der rohrförmige Abschnitt 42B des ersten Verbrennungsvorrichtungsbildungselementes 42 einen Teil des Brennstoffabführkanals 34 bildet.
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Das zweite Verbrennungsvorrichtungsbildungselement 44 beinhaltet einen flachen rechteckförmigen und ringförmigen Randabschnitt 49, einen Oxidationsmittelgasführungsabschnitt 46, der gegenüber dem Randabschnitt 49 nach oben vorsteht, und einen Brennstoffgasausstoßabschnitt 48, der gebildet ist, so dass er sich in einer Längsrichtung erstreckt, und zwar bei einer Mitte in einer Breitenrichtung des Oxidationsmittelgasführungsabschnittes 46.
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Der Randabschnitt 49 ist flach, und eine äußere Form des Randabschnittes 49 ist annähernd die gleiche wie jene der Bodenfläche 6a des Gehäuses 6.
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Der Oxidationsmittelgasführungsabschnitt 46 beinhaltet einen Seitenwandabschnitt 46A, der innerhalb bzw. einwärts des Randabschnittes angeordnet ist und in einer Ebenenansicht („planer view“) nach oben in einer rechteckförmigen Form vorsteht („erected“), und beinhaltet einen flachen plattenförmigen flachen Plattenabschnitt 46B, der einen oberen Abschnitt des Seitenwandabschnittes 46A abschließt („closes“). Ein Eckabschnitt zwischen dem Seitenwandabschnitt 46A und dem flachen Plattenabschnitt 46B ist in eine gekrümmte Form abgeschrägt („chamfered“). Zusätzlich hierzu sind Oxidationsmittelgasausstoßabschnitte 47 auf beiden Seiten in der Breitenrichtung des flachen Plattenabschnittes 46B gebildet, derart, dass sie nach oben vorstehen. Jeder der Oxidationsmittelgasausstoßabschnitte 47 ist ein Abschnitt, der ausgehend von dem flachen Plattenabschnitt 46B nach oben vorsteht, um in eine rechteckförmige Form gebildet zu werden. Der Oxidationsmittelgasausstoßabschnitt 47 weist eine Öffnung auf, die in einem Abschnitt gebildet ist, der auf der Seite der Mitte hin zu dem Brennstoffgasausstoßabschnitt 48 weist, wobei die Öffnung als ein Oxidationsmittelgasausstoß-Port 47A dient. In der vorliegenden Ausführungsform sind eine Vielzahl von (fünf) Oxidationsmittelgasausstoßabschnitten 47 vorgesehen, so dass sie mit gleichen Abständen in der Längsrichtung aufgereiht sind, und zwar auf jeder von beiden Seiten des Brennstoffgasausstoßabschnittes 48.
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Der Brennstoffgasausstoßabschnitt 48 beinhaltet einen Seitenwandabschnitt 48A, der gegenüber dem flachen Plattenabschnitt 46B des Oxidationsmittelgasführungsabschnittes 46 nach oben vorsteht, und einen oberen Flächenabschnitt 48B, der einen oberen Abschnitt des Seitenwandabschnittes 48A verschließt („closes“). Der Brennstoffgasausstoßabschnitt 48 erstreckt sich über nahezu die gesamte Länge in der Längsrichtung eines Innenraumes des Gehäuses 6. Der Seitenwandabschnitt 48A ist in einer länglichen Ringform gebildet, so dass er sich in der Längsrichtung erstreckt. Der Seitenwandabschnitt 48A steht vertikal in Bezug auf den flachen Plattenabschnitt 46B nach oben vor. Der obere Flächenabschnitt 48B weist kreisförmige Öffnungen auf, die in der Breitenrichtung in der Mitte gebildet sind, derart, dass sie in einer Linie angeordnet sind. Ein zylindrischer Seitenwandabschnitt 48D mit einer zylindrischen Form ist bei einem Umfangsrand von jeder der Öffnungen gebildet, und ein Brennstoffgasausstoß-Port 48C ist in einem oberen Ende des zylindrischen Seitenwandabschnittes 48D gebildet. Die Brennstoffgasausstoß-Ports 48C sind mit gleichen Abständen in der Längsrichtung vorgesehen.
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Der zylindrische Seitenwandabschnitt 48D, der eine zylindrische Form hat, ist auf dem Umfangsrand von jedem der Brennstoffgasausstoß-Ports 48C gebildet. Es ist anzumerken, dass der Seitenwandabschnitt 48A des Brennstoffgasausstoßabschnittes 48 sich bei der vorliegenden Ausführungsform in der vertikalen Richtung erstreckt.
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Das zweite Verbrennungsvorrichtungsbildungselement 44 ist so angeordnet, dass der Randabschnitt 49 sich in Kontakt befindet mit der Bodenfläche 6a des Gehäuses 6, und der Randabschnitt 49 ist an die Bodenfläche 6a des Gehäuses 6 geschweißt. Zusätzlich hierzu ist das erste Verbrennungsvorrichtungsbildungselement 42 so angeordnet, dass der rohrförmige Abschnitt 42B durch die Brennstofföffnung 6C in der Bodenfläche 6a des Gehäuses 6 hindurch verläuft. Ferner ist der flache Plattenabschnitt 42A des ersten Verbrennungsvorrichtungsbildungselementes 42 an den Umfang des Brennstoffgasausstoßabschnittes 48 des flachen Plattenabschnittes 46B des zweiten Verbrennungsvorrichtungsbildungselementes 44 geschweißt.
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Bei einer derartigen Konfiguration ist ein Oxidationsmittelgaszuführraum 50, der als ein Innenraum dient, zwischen der Bodenfläche 6a des Gehäuses 6 und dem Oxidationsmittelgasführungsabschnitt 46 des zweiten Verbrennungsvorrichtungsbildungselementes 44 gebildet. Der Oxidationsmittelgaszuführraum 50 steht in Kommunikation mit dem Oxidationsmittelgasabführkanal 36, und zwar über die Oxidationsmittelgasöffnung 6B in der Bodenfläche 6a. Zusätzlich hierzu steht der Oxidationsmittelgaszuführraum 50 in Verbindung mit bzw. kommuniziert mit dem Innenraum des Gehäuses 6, und zwar über die Oxidationsmittelgasausstoß-Ports 47A. Eine Öffnungsfläche bzw. ein Öffnungsflächeninhalt (Gesamtöffnungsfläche) der Brennstoffgasausstoß-Ports 47Aist größer als eine Öffnungsfläche (Gesamtöffnungsfläche) der Brennstoffgasausstoß-Ports 48C. Es ist anzumerken, dass bei der vorliegenden Ausführungsform der Oxidationsmittelgaszuführraum 50 mit dem Restoxidationsmittelgas, das bei der Leistungserzeugung in dem Brennstoffzellen-Stack 2 unverbraucht bzw. nicht verbraucht worden ist, durch den Oxidationsmittelgasabführkanal 36 versorgt wird, jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt ist, und der Oxidationsmittelgaszuführraum 50 mit dem Oxidationsmittelgas auch direkt von der Außenseite aus versorgt werden kann.
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Zusätzlich hierzu ist ein Brennstoffgaszuführraum 52 zwischen dem flachen Plattenabschnitt 42A des ersten Verbrennungsvorrichtungsbildungselementes 42 und dem Brennstoffgasausstoßabschnitt 48 des zweiten Verbrennungsvorrichtungsbildungselementes 44 gebildet. Der Brennstoffgaszuführraum 52 kommuniziert mit dem Brennstoffabführkanal 34. Zusätzlich hierzu kommuniziert der Brennstoffgaszuführraum 52 mit dem Innenraum des Gehäuses 6, und zwar über die Brennstoffgasausstoß-Ports 48C. Der Brennstoffgasausstoßabschnitt 48 erstreckt sich in Bezug auf den flachen Plattenabschnitt 46B des Oxidationsmittelgasführungsabschnittes 46 nach oben, und die Brennstoffgasausstoß-Ports 48C, die in dem oberen Ende gebildet sind, sind oberhalb der Oxidationsmittelgasausstoß-Ports 47A angeordnet.
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Insgesamt ist sowohl das erste Verbrennungsvorrichtungsbildungselement 42 als auch das zweite Verbrennungsvorrichtungsbildungselement 44 so konfiguriert, dass es in Bezug auf eine Symmetrieebene ebenen-symmetrisch ist, die eine Mitte in der Breitenrichtung ist bzw. bildet. Die Brennstoffgasausstoß-Ports 48C sind in einer Linie entlang der Symmetrieebene angeordnet. Es ist anzumerken, dass die Brennstoffgasausstoß-Ports 48C bei der vorliegenden Ausführungsform in einer Linie entlang der Symmetrieebene angeordnet sind, jedoch nicht auf diese Konfiguration eingeschränkt sind und in einer Linie auf einer Zickzack-Linie angeordnet sein können. Kurz gesagt bedeutet eine Linie bei der vorliegenden Ausführungsform einen Zustand, bei dem die Vielzahl von Brennstoffgasausstoß-Ports nicht in dem gleichen Querschnitt in der Breitenrichtung angeordnet sind.
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5 ist eine vertikale Querschnittsansicht, die eine Strömung von Restbrennstoffgas und eine Strömung von Restoxidationsmittelgas in der Verbrennungsvorrichtung des Brennstoffzellen-Moduls gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Brennstoffgaszuführraum 52 wird mit dem Restbrennstoffgas versorgt, das bei der Leistungserzeugung in dem Brennstoffzellen-Stack 2 nicht verbraucht worden ist, und zwar über den Brennstoffabführkanal 34. Wie es in 5 dargestellt ist, wird das Restbrennstoffgas, das in den Brennstoffgaszuführraum 52 zugeführt wird, in den Innenraum des Gehäuses 6 ausgestoßen, und zwar ausgehend von den Brennstoffgasausstoß-Ports 48C, die in dem oberen Ende des Brennstoffgasausstoßabschnittes 48 gebildet sind, und zwar in einer Richtung vertikal nach oben.
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Im Gegensatz hierzu wird der Oxidationsmittelgaszuführraum 50 mit dem Restoxidationsmittelgas, das bei der Leistungserzeugung in dem Brennstoffzellen-Stack 2 nicht verbraucht worden ist, über den Oxidationsmittelgasabführkanal 36 versorgt. Das Restoxidationsmittelgas, das in den Oxidationsmittelgaszuführraum 50 zugeführt wird, und zwar über den Oxidationsmittelgasabführkanal 36, kollidiert mit dem flachen Plattenabschnitt 42A des ersten Verbrennungsvorrichtungsbildungselementes 42 und strömt in der horizontalen Richtung nach außen. Anschließend wird das Oxidationsmittelgas zu dem Oxidationsmittelgasausstoßabschnitt 47 übergeben, und zwar über den Seitenwandabschnitt 46A und den flachen Plattenabschnitt 46B des Oxidationsmittelgasführungsabschnittes 46. Das Oxidationsmittelgas wird von dem Oxidationsmittelgasausstoßabschnitt 47 geführt, wird aus den Oxidationsmittelgasausstoß-Ports 47A in Richtung hin zu dem Seitenwandabschnitt 48A des Brennstoffgasausstoßabschnittes 48 ausgestoßen und tritt in den Innenraum des Gehäuses 6 ein. Das Restoxidationsmittelgas, das ausgehend von den Oxidationsmittelgasausstoß-Ports 47A hin zu dem Seitenwandabschnitt 48A des Brennstoffgasausstoßabschnittes 48 ausgestoßen wird, kollidiert mit dem Seitenwandabschnitt 48A. Anschließend wird das Restoxidationsmittelgas entlang des Seitenwandabschnittes 48A nach oben geführt. Die Strömungsrate des Restoxidationsmittelgases, das entlang des Seitenwandabschnittes 48A strömt, kann bspw. durch ein Verfahren zum Ändern der Öffnungsfläche der Oxidationsmittelgasausstoß-Ports 47A eingestellt werden.
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Das Restbrennstoffgas, das so ausgestoßen wird, wird von einer (nicht dargestellten) Zündeinrichtung gezündet und wird zusammen mit dem Restoxidationsmittelgas verbrannt. Anschließend bzw. hierbei wird der Reformer 10 durch die Verbrennungswärme erwärmt, die durch die Verbrennung des Restbrennstoffgases erzeugt wird, und die Luft, die in dem Luftströmungspfad 6A des Gehäuses 6 strömt, wird ebenfalls erwärmt.
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Wie oben beschrieben, können gemäß der ersten Ausführungsform die folgenden Wirkungen erhalten werden.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird das Restoxidationsmittelgas unterhalb der Brennstoffgasausstoß-Ports 48C ausgestoßen, und das ausgestoßene Oxidationsmittelgas wird in eine Richtung entlang des Seitenwandabschnittes 48A des Brennstoffgasausstoßabschnittes 48 geführt. Da das Oxidationsmittelgas folglich in der Richtung entlang des Seitenwandabschnittes 48A des Brennstoffgasausstoßabschnittes 48 geführt wird, kann verhindert werden, dass das Oxidationsmittelgas direkt gegen die Verbrennungsflammen des Brennstoffgasausstoßabschnittes 48 gesprüht wird, wodurch eine stabile Verbrennung erreicht werden kann.
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Zusätzlich hierzu führt gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Oxidationsmittelgasführungsabschnitt 46 das Oxidationsmittelgas hin zu dem Seitenwandabschnitt 48A, der den Brennstoffgasausstoßabschnitt 48 bildet, und folglich kollidiert von dem Oxidationsmittelgasführungsabschnitt 46 geführtes Oxidationsmittelgas mit dem Brennstoffgasausstoßabschnitt 48 und strömt dann in der Richtung entlang des Seitenwandabschnittes 48A des Brennstoffgasausstoßabschnittes 48. Dies ermöglicht es, dass das Oxidationsmittelgas in der Richtung entlang des Seitenwandabschnittes 48A des Brennstoffgasausstoßabschnittes 48 geführt wird.
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Zusätzlich hierzu ist gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Öffnungsfläche der Oxidationsmittelgasausstoß-Ports 47A größer als die Öffnungsfläche der Brennstoffgasausstoß-Ports 48C. Auf diese Art und Weise wird das Oxidationsmittelgas hinreichend zugeführt, wodurch die stabile Verbrennung erreicht werden kann.
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Zusätzlich hierzu ist es gemäß der vorliegenden Ausführungsform aufgrund der Tatsache, dass das Oxidationsmittelgas, das von den Oxidationsmittelgasausstoß-Ports 47A ausgestoßen wird, das Restoxidationsmittelgas ist, das bei der Leistungserzeugungsreaktion in dem Brennstoffzellen-Stack 2 nicht verbraucht worden ist, nicht notwendig, neu bzw. zusätzlich eine Konfiguration (Rohranordnung und dergleichen) zum Zuführen des Oxidationsmittelgases von der Außenseite bereitzustellen.
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Zusätzlich hierzu wird bei der vorliegenden Ausführungsform aufgrund der Tatsache, dass das Restbrennstoffgas, das bei der Leistungserzeugungsreaktion in dem Brennstoffzellen-Stack 2 nicht verbraucht worden ist, dem Brennstoffgasausstoßabschnitt 48 zugeführt, ohne vorab mit dem Oxidationsmittelgas gemischt zu werden, das Restbrennstoffgas aus den Brennstoffgasausstoß-Ports 48C in einem Zustand ausgestoßen, bei dem die Konzentration des Restbrennstoffgases hoch ist, wodurch eine stabilere Verbrennung erreicht werden kann.
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Zusätzlich hierzu kann bei der vorliegenden Ausführungsform aufgrund der Tatsache, dass der Brennstoffgasausstoßabschnitt 48 mit der Vielzahl von Brennstoffgasausstoß-Ports 48C versehen ist, die in einer Linie angeordnet sind, eine gleichförmige Verbrennung in einer Anordnungsrichtung der Vielzahl von Brennstoffgasausstoß-Ports 48C erreicht werden, und die in der Verbrennungsvorrichtung erzeugte Wärme 12 kann effizienter zum Erwärmen des Reformers 10 und dergleichen verwendet werden.
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Darüber hinaus kann gemäß dem Brennstoffzellen-Modul 1 der vorliegenden Ausführungsform die stabile Verbrennung in der Verbrennungsvorrichtung 12 erreicht werden, wodurch das Rohbrennstoffgas in dem Reformer 10 verlässlich reformiert werden kann.
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Ferner ist bei der vorliegenden Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stack 2 außerhalb des Gehäuses 6 unabhängig von dem Gehäuse 6 angeordnet, wodurch der Wärmeeinfluss von der Verbrennungsvorrichtung 12 auf den Brennstoffzellen-Stack 2 reduziert werden kann.
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<Zweite Ausführungsform>
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Nachstehend wird ein Brennstoffzellen-Modul gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Eine Konfiguration des Brennstoffzellen-Moduls gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von jener gemäß der ersten Ausführungsform lediglich hinsichtlich einer Konfiguration einer Verbrennungsvorrichtung. Es ist anzumerken, dass Bestandteils-Elemente, die ähnlich sind zu jenen der ersten Ausführungsform, mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, und dass eine detaillierte Beschreibung hiervon weggelassen ist.
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6 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer Reformer-Heizeinrichtung des Brennstoffzellen-Moduls gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zusätzlich hierzu stellen 7 und 8 jeweils eine Verbrennungsvorrichtung des Brennstoffzellen-Moduls dar, das in 6 dargestellt ist. 7 ist eine perspektivische Ansicht und 8 ist eine perspektivische Explosionsansicht. Es ist anzumerken, dass in 6 bis 8 ein Luftströmungspfad 6A (äußere Wand) eines Gehäuses 6 nicht dargestellt ist, und dass 7 und 8 jeweils nur einen Boden des Gehäuses darstellen.
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Wie es in 6 bis 8 dargestellt ist, beinhaltet eine Verbrennungsvorrichtung 112 einen Verteiler, der Restbrennstoffgas und Restoxidationsmittelgas ausstößt, und der Verteiler beinhaltet ein erstes Verbrennungsvorrichtungsbildungselement 142 und ein zweites Verbrennungsvorrichtungsbildungselement 144, die auf einer Bodenfläche 6a des Gehäuses 6 angeordnet sind. Eine Oxidationsmittelgasöffnung 6B, die mit einem Oxidationsmittelgasabführkanal 36 zu verbinden ist, und eine Brennstofföffnung 6C, die mit einem Brennstoffabführkanal 34 zu verbinden ist, sind in der Bodenfläche 6a des Gehäuses 6 gebildet.
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Das erste Verbrennungsvorrichtungsbildungselement 142 beinhaltet einen rechteckförmigen flachen Plattenabschnitt 142A, einen rohrförmigen Abschnitt 142B, der gegenüber dem flachen Plattenabschnitt 142A nach unten vorsteht, einen Brennstoffgasausstoßabschnitt 148, der vorgesehen ist, um den flachen Plattenabschnitt 142A zu bedecken, und Basisabschnitte 143, die an beiden Längsenden in einer Längsrichtung einer Bodenfläche des flachen Plattenabschnittes 142A vorgesehen sind. Der rohrförmige Abschnitt 142B ist mit einer Öffnung verbunden, die in einer Mitte des flachen Plattenabschnittes 142A gebildet ist. Es ist anzumerken, dass der rohrförmige Abschnitt 142B des ersten Verbrennungsvorrichtungsbildungselementes 142 den Brennstoffabführkanal 34 bildet. Der Brennstoffgasausstoßabschnitt 148 beinhaltet einen Seitenwandabschnitt 148A, der entlang eines Umfangsrands des flachen Plattenabschnittes 142A hochsteht bzw. vorsteht, und einen oberen Flächenabschnitt 148B, der vorgesehen ist, um eine obere Fläche des Seitenwandabschnittes 148A zu bedecken. Der Seitenwandabschnitt 148A steht in Bezug auf den flachen Plattenabschnitt 142A vertikal hoch. Eckabschnitte auf beiden Seiten in der Breitenrichtung zwischen dem Seitenwandabschnitt 148A und dem oberen Flächenabschnitt 148B sind abgeschrägt. Der obere Flächenabschnitt 148B weist kreisförmige Öffnungen auf, die in der Mitte in der Breitenrichtung gebildet sind, und zwar derart, dass sie in einer Linie angeordnet sind. Ein zylindrischer Seitenwandabschnitt 148D, der eine zylindrische Form hat, ist bei einem Umfangsrand von jeder der Öffnungen gebildet, und ein Brennstoffgasausstoß-Port 148C ist in einem oberen Ende des zylindrischen Seitenwandabschnittes 148D gebildet, der eine zylindrische Form hat. Die Brennstoffgasausstoß-Ports 148C sind mit gleichen Abständen in der Längsrichtung vorgesehen. Es ist anzumerken, dass der Seitenwandabschnitt 148A und der zylindrische Seitenwandabschnitt 148D des Brennstoffgasausstoßabschnittes 148 sich bei der vorliegenden Ausführungsform in der vertikalen Richtung erstrecken.
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Das zweite Verbrennungsvorrichtungsbildungselement 144 beinhaltet einen flachen ringförmigen Randabschnitt 149 und einen Oxidationsmittelgasführungsabschnitt 146, der gegenüber dem Randabschnitt 149 nach oben vorsteht.
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Der Randabschnitt 149 ist flach, und eine äußere Form des Randabschnittes 149 ist etwa die gleiche wie jene der Bodenfläche 6a des Gehäuses 6.
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Der Oxidationsmittelgasführungsabschnitt 146 beinhaltet einen Seitenwandabschnitt 146A, der innerhalb des Randabschnittes bzw. einwärts in Bezug auf den Randabschnitt angeordnet ist und der in einer Ebenenansicht in einer rechteckförmigen Form nach oben hochsteht, und beinhaltet einen flachen plattenförmigen flachen Plattenabschnitt 146B, der einen oberen Abschnitt des Seitenwandabschnittes 146A abschließt („closes“). Eckabschnitte auf beiden Seiten in der Breitenrichtung zwischen dem Seitenwandabschnitt 146A und dem flachen Plattenabschnitt 146B sind abgeschrägt. Zusätzlich hierzu sind eine Vielzahl von Oxidationsmittelgasausstoßöffnungen 147 in der Mitte in der Breitenrichtung des flachen Plattenabschnittes 146B gebildet. Die Oxidationsmittelgasausstoßöffnungen 147 sind vorgesehen, so dass sie mit gleichen Abständen in der Längsrichtung bei der Mitte in der Breitenrichtung des flachen Plattenabschnittes 146B aufgereiht sind. Jede der Oxidationsmittelgasausstoßöffnungen 147 weist eine längliche Form („elongated shape“) auf, die sich in der Breitenrichtung erstreckt, und die Breite und die Länge der Oxidationsmittelgasausstoßöffnung 147 sind größer als ein Durchmesser des Brennstoffgasausstoß-Ports 148C. Zusätzlich hierzu sind die Oxidationsmittelgasausstoßöffnungen 147 bei Positionen entsprechend den jeweiligen Brennstoffgasausstoß-Ports 148C gebildet.
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Das zweite Verbrennungsvorrichtungsbildungselement 144 ist angeordnet, dass sich der Randabschnitt 149 in Kontakt befindet mit der Bodenfläche 6a des Gehäuses 6, und der Randabschnitt 149 ist an die Bodenfläche 6a des Gehäuses 6 geschweißt. Die Basisabschnitte 143 des ersten Verbrennungsvorrichtungsbildungselementes 142 sind mit der Bodenfläche 6a des Gehäuses 6 verbunden. Das erste Verbrennungsvorrichtungsbildungselement 142 ist so angeordnet, dass der rohrförmige Abschnitt 142B durch die Brennstofföffnung 6C in der Bodenfläche 6a des Gehäuses 6 hindurch verläuft. In einem derart angeordneten Zustand, ist jeder der Brennstoffgasausstoß-Ports 148C bei der Mitte der entsprechenden Oxidationsmittelgasausstoßöffnung 147 angeordnet. Die Höhe des oberen Endes des zylindrischen Seitenwandabschnittes 148D, der eine zylindrische Form des Brennstoffgasausstoß-Ports 148C hat, ist gleich der Höhe des flachen plattenförmigen flachen Plattenabschnittes 146B des zweiten Verbrennungsvorrichtungsbildungselementes 144. Ein Spalt zwischen der Oxidationsmittelgasausstoßöffnung 147 und dem entsprechenden zylindrischen Seitenwandabschnitt 148D, der eine zylindrische Form des Brennstoffgasausstoß-Ports 148C hat, dient als der Oxidationsmittelgasausstoß-Port 147A, über den das Oxidationsmittelgas ausgestoßen wird. Zusätzlich hierzu ist ein Spalt zwischen dem oberen Flächenabschnitt 148B des Brennstoffgasausstoßabschnittes 148 und dem flachen plattenförmigen flachen Plattenabschnitt 146B des zweiten Verbrennungsvorrichtungsbildungselementes 144 gebildet.
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Bei einer derartigen Konfiguration ist ein Oxidationsmittelgaszuführraum 150, der als ein Innenraum dient, zwischen der Bodenfläche 6a des Gehäuses 6 und dem Oxidationsmittelgasführungsabschnitt 146 des zweiten Verbrennungsvorrichtungsbildungselementes 144 gebildet. Der Oxidationsmittelgaszuführraum 150 kommuniziert mit dem Oxidationsmittelgasabführkanal 36, und zwar durch die Oxidationsmittelgasöffnung 6B in der Bodenfläche 6a. Zusätzlich hierzu kommuniziert der Oxidationsmittelgaszuführraum 150 mit dem Innenraum des Gehäuses 6 über die Oxidationsmittelgasausstoß-Ports 147A. Eine Öffnungsfläche (Gesamtöffnungsfläche) der Oxidationsmittelgasausstoß-Ports 147 A ist größer als eine Öffnungsfläche (Gesamtöffnungsfläche) der Brennstoffgasausstoß-Ports 148C. Es ist anzumerken, dass der Oxidationsmittelgaszuführraum 150 bei der vorliegenden Ausführungsform mit dem Restoxidationsmittelgas, das bei der Leistungserzeugung in dem Brennstoffzellen-Stack 2 nicht verbraucht worden ist, versorgt wird, und zwar durch den Oxidationsmittelgasabführkanal 36 hindurch, jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt ist und mit dem Oxidationsmittelgas auch direkt von der Außenseite aus versorgt werden kann.
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Zusätzlich hierzu ist ein Brennstoffgaszuführraum 152 zwischen dem flachen Plattenabschnitt 142A und dem Brennstoffgasausstoßabschnitt 148 des ersten Verbrennungsvorrichtungsbildungselementes 142 gebildet. Der Brennstoffgaszuführraum 152 kommuniziert mit dem Brennstoffabführkanal 34. Zusätzlich hierzu kommuniziert der Brennstoffgaszuführraum 152 mit dem Innenraum des Gehäuses 6, und zwar über die Brennstoffgasausstoß-Ports 148C. Der zylindrische Seitenwandabschnitt 148D des Brennstoffgasausstoß-Ports 148C des Brennstoffgasausstoßabschnittes 148 erstreckt sich nach oben, und der Brennstoffgasausstoß-Port 148C, der in dem oberen Ende gebildet ist, ist auf der gleichen Höhe angeordnet wie der Oxidationsmittelgasausstoß-Port 147A. Insgesamt ist sowohl das erste Verbrennungsvorrichtungsbildungselement 142 als auch das zweite Verbrennungsvorrichtungsbildungselement 144 so konfiguriert, dass es in Bezug auf eine Symmetrieebene ebenen-symmetrisch ist, die eine Mitte in der Breitenrichtung bildet bzw. ist. Die Brennstoffgasausstoß-Ports 148C sind in einer Linie entlang der Symmetrieebene angeordnet.
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9 ist eine vertikale Querschnittsansicht, die eine Strömung von Restbrennstoffgas und eine Strömung von Restoxidationsmittelgas in der Verbrennungsvorrichtung des Brennstoffzellen-Moduls gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Brennstoffgaszuführraum 152 wird mit dem Restbrennstoffgas versorgt, das für die Leistungserzeugung in dem Brennstoffzellen-Stack 2 nicht verbraucht worden ist, und zwar durch den Brennstoffabführkanal 34 hindurch. Wie es in 9 dargestellt ist, wird das Restbrennstoffgas, das in den Brennstoffgaszuführraum 152 zugeführt ist, in den Innenraum des Gehäuses 6 ausgestoßen, und zwar ausgehend von den Brennstoffgasausstoß-Ports 148C, die in dem oberen Ende des Brennstoffgasausstoßabschnittes 148 gebildet sind, in einer Richtung vertikal nach oben.
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Im Gegensatz hierzu wird der Oxidationsmittelgaszuführraum 150 mit dem Restoxidationsmittelgas, das für die Leistungserzeugung in dem Brennstoffzellen-Stack 2 nicht verbraucht worden ist, über den Oxidationsmittelgasabführkanal 36 versorgt. Das Restoxidationsmittelgas, das in den Oxidationsmittelgaszuführraum 150 zugeführt wird, und zwar über den Oxidationsmittelgasabführkanal 36, kollidiert mit dem flachen Plattenabschnitt 142A des ersten Verbrennungsvorrichtungsbildungselementes 142 und strömt in der horizontal Richtung nach außen. Dann wird das Oxidationsmittelgas durch den Seitenwandabschnitt 146A und den flachen Plattenabschnitt 146B des Oxidationsmittelgasführungsabschnittes 146 hin zu den Oxidationsmittelgasausstoß-Ports 147A geführt. Das Restoxidationsmittelgas, das von dem Oxidationsmittelgasführungsabschnitt 146 geführt wird, kollidiert mit dem zylindrischen Seitenwandabschnitt 148D des Brennstoffgasausstoßabschnittes 148. Anschließend wird das Restoxidationsmittelgas nach oben geführt, und zwar entlang des zylindrischen Seitenwandabschnittes 148D des Brennstoffgasausstoßabschnittes 148, und wird von den Oxidationsmittelgasausstoß-Ports 147A in den Innenraum des Gehäuses 6 ausgestoßen. Die Strömungsrate des Restoxidationsmittelgases, das entlang des zylindrischen Seitenwandabschnittes 148D des Brennstoffgasausstoßabschnittes 148 strömt, kann bspw. durch ein Verfahren des Änderns der Öffnungsfläche der Oxidationsmittelgasausstoß-Ports 147A eingestellt werden.
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Das Restbrennstoffgas, das auf diese Weise ausgestoßen ist, wird von einer (nicht dargestellten) Zündeinrichtung gezündet und wird zusammen mit dem Restoxidationsmittelgas verbrannt. Anschließend bzw. dann wird ein Reformer 10 durch die Verbrennungswärme erwärmt, die durch die Verbrennung des Restbrennstoffgases erzeugt wird, und die Luft, die in dem Luftströmungspfad 6A des Gehäuses 6 strömt, wird ebenfalls erwärmt.
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Wie oben beschrieben, lassen sich gemäß der zweiten Ausführungsform die folgenden Wirkungen erhalten.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird das Restoxidationsmittelgas auf der gleichen Höhe wie die Brennstoffgasausstoß-Ports 148C ausgestoßen, und das Restoxidationsmittelgas wird entlang des Seitenwandabschnittes 148A des Brennstoffgasausstoßabschnittes 148 geführt. Da das Oxidationsmittelgas somit in einer Richtung entlang des zylindrischen Seitenwandabschnittes 148D des Brennstoffgasausstoßabschnittes 148 geführt wird, kann verhindert werden, dass das Oxidationsmittelgas direkt gegen die Verbrennungsflammen des Brennstoffgasausstoßabschnittes 148 gesprüht wird, wodurch eine stabile Verbrennung erreicht werden kann.
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Zusätzlich hierzu führt gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Oxidationsmittelgasführungsabschnitt 146 das Oxidationsmittelgas hin zu dem zylindrischen Seitenwandabschnitt 148D des Brennstoffgasausstoßabschnittes 148, und daher kollidiert das von dem Oxidationsmittelgasführungsabschnitt 146 geführte Oxidationsmittelgas mit dem Brennstoffgasausstoßabschnitt 148 und strömt dann in der Richtung entlang des zylindrischen Seitenwandabschnittes 148D des Brennstoffgasausstoßabschnittes 148. Dies ermöglicht es, dass das Oxidationsmittelgas in der Richtung entlang des zylindrischen Seitenwandabschnittes 148D des Brennstoffgasausstoßabschnittes 148 geführt wird.
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Zusätzlich hierzu ist gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Öffnungsfläche bzw. der Öffnungsflächeninhalt der Oxidationsmittelgasausstoß-Ports 147A größer als die Öffnungsfläche der Brennstoffgasausstoß-Ports 148C. Auf diese Art und Weise wird das Oxidationsmittelgas hinreichend zugeführt, wodurch die stabile Verbrennung erreicht werden kann.
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Zusätzlich hierzu ist es gemäß der vorliegenden Ausführungsform aufgrund der Tatsache, dass das Oxidationsmittelgas, das von den Oxidationsmittelgasausstoß-Ports 147A ausgestoßen wird, das Restoxidationsmittelgas ist, das bei einer Leistungserzeugungsreaktion in dem Brennstoffzellen-Stack 2 nicht verbraucht worden ist, nicht notwendig, eine neue Konfiguration (Rohranordnung und dergleichen) zum Zuführen des Oxidationsmittelgases von der Außenseite aus neu bereitzustellen.
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Zusätzlich hierzu wird bei der vorliegenden Ausführungsform aufgrund der Tatsache, dass das Restbrennstoffgas, das bei der Leistungserzeugungsreaktion in dem Brennstoffzellen-Stack 2 nicht verbraucht worden ist, dem Brennstoffgasausstoßabschnitt 148 zugeführt wird, ohne mit dem Oxidationsmittel vorab gemischt zu werden, das Restbrennstoffgas aus den Brennstoffgasausstoß-Ports 148C in einem Zustand ausgestoßen, bei dem die Konzentration des Restbrennstoffgases hoch ist, wodurch eine stabilere Verbrennung erreicht werden kann.
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Zusätzlich hierzu kann bei der vorliegenden Ausführungsform aufgrund der Tatsache, dass der Brennstoffgasausstoßabschnitt 148 mit der Vielzahl von Brennstoffgasausstoß-Ports 148C versehen ist, die in einer bzw. entlang einer Linie angeordnet sind, eine gleichförmige Verbrennung in einer Anordnungsrichtung der Vielzahl von Brennstoffgasausstoß-Ports 148C erreicht werden, und die in der Verbrennungsvorrichtung 12 erzeugte Wärme kann effizienter zum Erwärmen des Reformers 10 und dergleichen verwendet werden.
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Darüber hinaus kann gemäß dem Brennstoffzellen-Modul 1 der vorliegenden Ausführungsform die stabile Verbrennung in der Verbrennungsvorrichtung 112 erreicht werden, wodurch das Rohbrennstoffgas verlässlich in dem Reformer 10 reformiert werden kann.
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Ferner ist bei der vorliegenden Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stack 2 außerhalb des Gehäuses 6 unabhängig von dem Gehäuse 6 angeordnet, wodurch der Wärmeeinfluss von der Verbrennungsvorrichtung 112 auf den Brennstoffzellen-Stack 2 reduziert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellen-Modul
- 2
- Brennstoffzellen-Stack
- 4
- Fluidzuführeinrichtung
- 4a
- Verdampfer
- 4b
- Reformer-Heizeinrichtung
- 6
- Gehäuse
- 6A
- Luftströmungspfad
- 6B
- Oxidationsmittelgasöffnung
- 6C
- Brennstofföffnung
- 6a
- Bodenfläche
- 8
- Wärmeisolator
- 10
- Reformer
- 12
- Verbrennungsvorrichtung
- 20
- Wasserzuführrohranordnung
- 22
- Rohbrennstoffgaszuführrohranordnung
- 23
- Abgasabführrohr
- 24
- Luftzuführrohr
- 26
- Abgasrohranordnung
- 28
- Mischgasleitung
- 30
- Brennstoffzuführkanal
- 32
- Oxidationsmittelgaszuführkanal
- 34
- Brennstoffabführkanal
- 36
- Oxidationsmittelgasabführkanal
- 42
- erstes Verbrennungsvorrichtungsbildungselement
- 42A
- flacher Plattenabschnitt
- 42B
- rohrförmiger Abschnitt
- 44
- zweites Verbrennungsvorrichtungsbildungselement
- 46
- Oxidationsmittelgasführungsabschnitt
- 46A
- Seitenwandabschnitt
- 46B
- flacher Plattenabschnitt
- 47
- Oxidationsmittelgasausstoßabschnitt
- 47A
- Oxidationsmittelgasausstoß-Port
- 48
- Brennstoffgasausstoßabschnitt
- 48A
- Seitenwandabschnitt
- 48B
- oberer Flächenabschnitt
- 48C
- Brennstoffgasausstoß-Port
- 48D
- zylindrischer Seitenwandabschnitt
- 49
- Randabschnitt
- 50
- Oxidationsmittelgaszuführraum
- 52
- Brennstoffgaszuführraum
- 112
- Verbrennungsvorrichtung
- 142
- erstes Verbrennungsvorrichtungsbildungselement
- 142A
- flacher Plattenabschnitt
- 142B
- rohrförmiger Abschnitt
- 143
- Basisabschnitt
- 144
- zweites Verbrennungsvorrichtungsbildungselement
- 146
- Oxidationsmittelgasführungsabschnitt
- 146A
- Seitenwandabschnitt
- 146B
- flacher Plattenabschnitt
- 147
- Oxidationsmittelgasausstoßöffnung
- 147A
- Oxidationsmittelgasausstoß-Port
- 148
- Brennstoffgasausstoßabschnitt
- 148A
- Seitenwandabschnitt
- 148B
- oberer Flächenabschnitt
- 148C
- Brennstoffgasausstoß-Port
- 148D
- zylindrischer Seitenwandabschnitt
- 149
- Randabschnitt
- 150
- Oxidationsmittelgaszuführraum
- 152
- Brennstoffgaszuführraum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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