DE112015003788T5

DE112015003788T5 - Brennstoffzellen-Einheit

Info

Publication number: DE112015003788T5
Application number: DE112015003788.8T
Authority: DE
Inventors: Yuuki Mukoubara; Shinichi Sugihara; Atsushi Hayasaka
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-08-19
Filing date: 2015-08-06
Publication date: 2017-05-04
Also published as: JP6409710B2; JP2016046247A; WO2016027430A1

Abstract

Eine Brennstoffzellen-Einheit (FC) weist einen Heizkanal (40E) auf. Ein oxidierendes Wirkstoffgas, das durch eine Einströmöffnung (40Ea) herein geströmt ist, die an einer Endseite des Heizkanals (40E) angeordnet ist, nimmt Wärme von einem Zellenstapel (CS) und einem Ablasskanal (41E) auf und strömt durch eine Ausströmöffnung (40Eb) heraus, die auf der anderen Endseite des Heizkanals (40E) angeordnet ist. Die Brennstoffzellen-Einheit (FC) umfasst ein Wärmerückführungs-Teilstück (50E), das die Wärme des oxidierenden Wirkstoffgases, das sich auf der anderen Endseite befindet, zu dem oxidierenden Wirkstoffgas zurückführt, das sich auf der einen Endseite befindet.

Description

Verweis auf eine verwandte Anmeldung
Diese Anmeldung basiert auf der am 19. August 2014 eingereichten Japanischen Patentanmeldung Nr. 2014-166527 sowie auf der am 31. Juli 2015 eingereichten Japanischen Patentanmeldung Nr. 2015-151575 , deren Offenbarungen durch eine Bezugnahme hierin aufgenommen sind.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Brennstoffzellen-Einheit, um durch ein Brennstoffgas und ein oxidierendes Wirkstoffgas einen Strom zu erzeugen.
Stand der Technik
Die Brennstoffzellen-Einheit ist eine einen Strom erzeugende Einheit, die eine chemische Energie eines Brennstoffgases und eines oxidierenden Wirkstoffgases direkt in eine elektrische Energie umwandelt. Da deren Stromerzeugungseffizienz sehr hoch ist und das abgelassene Gas relativ sauber ist, hat die Einheit Aufmerksamkeit auf sich gezogen als eine einen Strom erzeugende Einheit der nächsten Generation. Bei der Brennstoffzellen-Einheit wird die Temperatur eines Zellenstapels durch Einleiten eines kühlenden Gases während eines Betriebs unter hoher Last abgesenkt.
Wenngleich ein derartiger übermäßiger Temperaturanstieg des Zellenstapels durch Einleiten des kühlenden Gases vermieden wird, besteht eine Möglichkeit, dass ein Unterschied in der Temperaturverteilung in dem Zellenstapel erheblich wird. Daher weist die in der Patentliteratur 1 offenbarte Brennstoffzellen-Einheit feine Unregelmäßigkeiten an einer Trennwand auf, die das Brennstoffgas oder das oxidierende Wirkstoffgas einleitet, um die Wärmeaustauscheffizienz des Brennstoffgases und des oxidierenden Wirkstoffgases zu erhöhen.
In der Patentliteratur 1 wird darauf geachtet, die Temperaturverteilung in der Richtung entlang der Hauptoberflächen der Einheitszellen in einem Zellenstapel, der durch Stapeln der Einheitszellen des Platten-Typs gebildet wird, weitestgehend gleichmäßig zu machen. Lediglich mit Messungen einer solchen horizontalen Temperaturverteilung sind Messungen der Temperaturverteilung in der Stapelrichtung nicht ausreichend, was erkennbar wird, wenn die Anzahl von gestapelten Einheitszellen erhöht wird und die Dicke des Zellenstapels in der Stapelrichtung zugenommen hat. Da des Weiteren die Kanal-Bedingung in dem Zellenstapel ebenfalls in Abhängigkeit von dem Kanal des Trennwandabschnitts bestimmt wird, ist die Kanalkonfiguration des Zellenstapels begrenzt.
Literatur des Standes der Technik
Patentliteratur

Patentliteratur 1: JP 2010-27215 A

Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht in der Bereitstellung einer Brennstoffzellen-Einheit, die in der Lage ist, den Unterschied in der Temperaturverteilung in der Stapelrichtung in einer Brennstoffzellen-Einheit zu unterbinden, die einen Zellenstapel aufweist, der durch Stapeln von Einheitszellen des Platten-Typs gebildet wird.
Bei der Brennstoffzellen-Einheit gemäß der vorliegenden Offenbarung handelt es sich um eine Brennstoffzellen-Einheit, um durch ein Brennstoffgas und ein oxidierendes Wirkstoffgas einen elektrischen Strom zu erzeugen. Die Brennstoffzellen-Einheit umfasst einen Reformer, der ein Rohmaterial-Gas reformiert, um ein Brennstoffgas zu erzeugen, einen Heizkanal, der das oxidierende Wirkstoffgas erwärmt, indem ermöglicht wird, dass das Gas durch den Kanal hindurch strömt, einen Zellenstapel, der Elektrizität erzeugt, indem er eine Zufuhr des Brennstoffgases und des oxidierenden Wirkstoffgases empfingt, das durch den Heizkanal erwärmt wird, sowie einen Ablasskanal, der ermöglicht, dass ein Verbrennungs-Abgas, das durch Verbrennen des Brennstoffgases erzeugt wird, das von dem Zellenstapel abgelassen wird, durch den Kanal hindurch strömt. Das oxidierende Wirkstoffgas, das aus einer Einströmöffnung heraus strömt, die auf einer Endseite des Heizkanals bereitgestellt ist, nimmt Wärme von dem Zellenstapel und dem Ablasskanal auf und strömt aus einer Ausströmöffnung heraus, die auf der anderen Endseite des Heizkanals bereitgestellt ist. Diese Brennstoffzellen-Einheit umfasst ein Wärmerückführungs-Teilstück, das die Wärme des oxidierenden Wirkstoffgases auf der anderen Endseite zu dem oxidierenden Wirkstoffgas auf der einen Endseite zurückführt.
Da die Brennstoffzellen-Einheit gemäß der vorliegenden Offenbarung das Wärmerückführungs-Teilstück aufweist, kann die Wärme des oxidierenden Wirkstoffgases auf der anderen Endseite des Heizkanals zu dem oxidierenden Wirkstoffgas auf der einen Endseite des Heizkanals zurückgeführt werden. Da die Temperatur des oxidierenden Wirkstoffgases, das aus der Einströmöffnung in den Heizkanal hinein strömt, ansteigt, während das Gas durch den Heizkanal strömt, wird die Temperatur des oxidierenden Wirkstoffgases in dem Heizkanal so eingestellt, dass sie gleichmäßig ist, wenn der Rückfluss der Wärme durchgeführt wird, wie vorstehend beschrieben. Um die Menge an Strahlungswärme von dem Zellenstapel in der Stapelrichtung auszugleichen, ist es wünschenswert, den Temperaturunterschied zwischen Temperaturen des Zellenstapels und der Wand des Heizkanals jedes Teilstücks in der Stapelrichtung zu verringern. Bei der vorliegenden Offenbarung kann der Temperaturunterschied zwischen der Temperatur des Zellenstapels und der Temperatur der Wand des Heizkanals verringert werden, da die Temperatur des oxidierenden Wirkstoffgases in dem Heizkanal so eingestellt wird, dass sie gleichmäßig ist.
Bei der Brennstoffzellen-Einheit gemäß der vorliegenden Offenbarung ist es außerdem bevorzugt, dass das Wärmerückführungs-Teilstück zumindest durch Umbiegen des Heizkanals konfiguriert wird, um die eine Endseite und die andere Endseite nahe beieinander anzuordnen.
Da das Wärmerückführungs-Teilstück durch Umbiegen des Heizkanals gebildet wird, kann der Unterschied in der Temperaturverteilung in der Stapelrichtung des Zellenstapels auf diese Weise mit einer einfachen Konfiguration unterbunden werden, bei welcher der Heizkanal umgebogen wird, ohne ein separates Element hinzuzufügen.
Des Weiteren weist der Heizkanal bei der Brennstoffzellen-Einheit gemäß der vorliegenden Offenbarung einen ersten Kanalabschnitt, der von unten nach oben führt, sowie einen zweiten Kanalabschnitt auf, der mit dem ersten Kanalabschnitt verbunden ist und von oben nach unten führt. Der Ablasskanal kann außerdem einen dritten Kanalabschnitt, der von unten nach oben führt, sowie einen vierten Kanalabschnitt aufweisen, der mit dem dritten Kanalabschnitt verbunden ist und von oben nach unten führt. Der zweite Kanalabschnitt ist so konfiguriert, dass er eine Strahlungswärme von dem Zellenstapel aufnimmt, indem er so angeordnet ist, dass er den Zellenstapel umgibt. Indem der dritte Kanalabschnitt, der vierte Kanalabschnitt, der erste Kanalabschnitt in dieser Reihenfolge außerhalb des zweiten Kanalabschnitts angeordnet werden, wird eine Konfiguration derart hergestellt, dass der erste Kanalabschnitt Wärme von dem vierten Kanalabschnitt aufnimmt und der zweite Kanalabschnitt Wärme von dem dritten Kanalabschnitt aufnimmt.
Auf diese Weise sind der zweite Kanalabschnitt, der dritte Kanalabschnitt, der vierte Kanalabschnitt und der erste Kanalabschnitt in dieser Reihenfolge so angeordnet, dass sie den Zellenstapel umgeben, und der erste Kanalabschnitt, der so konfiguriert ist, dass die Temperatur des oxidierenden Wirkstoffgases ausreichend erhöht wird, das durch das Innere hindurch strömt, ist an der äußersten Position angeordnet. Daher kann der erste Kanalabschnitt als ein Wärmeisolationsmaterial dienen und kann so die Menge des Wärmeisolationsmaterials verringern, das separat bereitgestellt wird, während darüber hinaus ein Unterschied in der Temperaturverteilung in der Stapelrichtung unterbunden wird.
Bei einer Brennstoffzellen-Einheit, die einen Zellenstapel aufweist, der durch Stapeln von Einheitszellen des Platten-Typs gebildet wird, kann gemäß der vorliegenden Offenbarung ungeachtet der Struktur von Kanälen in dem Zellenstapel eine Brennstoffzellen-Einheit bereitgestellt werden, die in der Lage ist, den Unterschied in der Temperaturverteilung in der Stapelrichtung zu unterbinden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die vorstehend erwähnten Aufgaben, weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden durch die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ersichtlicher.
1 ist eine schematische Ansicht, die einen inneren Aufbau einer Brennstoffzellen-Einheit gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
2 ist ein Blockschaubild, um Ströme von Gas und Wasser in der in 1 gezeigten Brennstoffzellen-Einheit darzustellen;
3 ist eine Teilquerschnittsansicht, um einen in 1 gezeigten Wärmetransferflächen-Erweiterungsabschnitt darzustellen;
4 ist eine Teilquerschnittsansicht, um eine Modifikation des in 3 gezeigten Wärmetransferflächen-Erweiterungsabschnitts darzustellen;
5 ist ein Schaubild, um eine Konfiguration eines Wärmerückführungs-Teilstücks der Brennstoffzellen-Einheit gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darzustellen;
6 ist eine schematische Ansicht, die einen inneren Aufbau einer Brennstoffzellen-Einheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
7 ist ein Schaubild, um die Konfiguration des Wärmerückführungs-Teilstücks der Brennstoffzellen-Einheit gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darzustellen;
8 ist ein Schaubild, um die Konfiguration eines Wärmerückführungs-Teilstücks einer Brennstoffzellen-Einheit gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darzustellen;
9 ist ein Schaubild, um die Konfiguration eines Wärmerückführungs-Teilstücks einer Brennstoffzellen-Einheit gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darzustellen;
10 ist ein Schaubild, um ein spezifisches Beispiel des Wärmerückführungs-Teilstücks der Brennstoffzellen-Einheit gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darzustellen;
11 ist ein Schaubild, um ein spezifisches Beispiel des Wärmerückführungs-Teilstücks der Brennstoffzellen-Einheit gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darzustellen.
Beschreibung von Ausführungsformen
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Um das Verständnis der Beschreibung zu erleichtern, sind den gleichen Komponenten in jeder Zeichnung ohne eine redundante Beschreibung weitestgehend die gleichen Bezugszeichen zugewiesen.
Eine Brennstoffzellen-Einheit FC gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben. Wie in 1 gezeigt, umfasst die Brennstoffzellen-Einheit FC einen Zellenstapel CS, ein Gehäuse 10, eine Brennkammer 20 sowie eine Reformierungseinheit 30.
Bei dem Zellenstapel CS handelt es sich um einen Aufbau aus einer Mehrzahl von Einheitszellen. Jede Einheitszelle ist eine Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) und weist eine Struktur auf, bei der eine Brennstoff-Elektrode (Anode) auf einer seitlichen Oberfläche des flachen, plattenförmigen Festelektrolyts ausgebildet ist, und des Weiteren ist eine Luft-Elektrode (Kathode) auf der Oberfläche der anderen Seite ausgebildet. Jede von dieser Brennstoff-Elektrode und dieser Luft-Elektrode weist einen porösen Körper auf der aus einer elektrisch leitfähigen Keramik gebildet ist.
In dem Zellenstapel CS sind sämtliche der Einheitszellen in der vertikalen Richtung gestapelt, und die Einheitszellen sind elektrisch in Reihe geschaltet. Der Zellenstapel CS ist auf der oberen Oberfläche der Basisplatte PB über einen Stapel-Adapter AD errichtet.
Bei dem Stapel-Adapter AD handelt es sich um ein plattenförmiges Element mit einer Mehrzahl von darin ausgebildeten Gas-Kanälen. Die Zufuhr des Brennstoffgases zu dem Zellenstapel CS wird durch den Stapel-Adapter AD durchgeführt. Darüber hinaus wird das Ablassen von Gasen (das Ablassen des restlichen Brennstoffgases und der Luft, die nicht der Erzeugung eines Stroms dienten) aus dem Zellenstapel CS ebenfalls durch den Stapel-Adapter AD durchgeführt. Bei einer Basisplatte BP handelt es sich um eine kreisförmige Metallplatte, die horizontal in dem Gehäuse 10 angeordnet ist. Die Basisplatte BP unterteilt den Innenraum des Gehäuses 10 im Allgemeinen in einen oberen und einen unteren Raum.
Bei dem Gehäuse 10 handelt es sich um ein Gehäuse, das eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt aufweist, um den Zellenstapel CS, die Brennkammer 20, die Reformierungseinheit 30 oder dergleichen darin aufzunehmen. Das Gehäuse 10 ist auf seiner gesamten seitlichen Oberfläche und seiner gesamten oberen Oberfläche mit einem Wärmeisolationsmaterial bedeckt. Das Gehäuse 10 umfasst einen ersten rohrförmigen Körper 110, einen zweiten rohrförmigen Körper 120, einen dritten rohrförmigen Körper 130, einen vierten rohrförmigen Körper 140, einen fünften rohrförmigen Körper 150 sowie einen sechsten rohrförmigen Körper 160. Jeder von dem ersten rohrförmigen Körper 110, dem zweiten rohrförmigen Körper 120, dem dritten rohrförmigen Körper 130, dem vierten rohrförmigen Körper 140, dem fünften rohrförmigen Körper 150 und dem sechsten rohrförmigen Körper 160 ist aus einem Metall hergestellt und in einer im Wesentlichen zylindrischen Gestalt um eine Mittelachse herum ausgebildet und ist derart angeordnet, dass die jeweiligen Mittelachsen koaxial sind. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht der Brennstoffzellen-Einheit FC, wobei eine Ebene, die sich entlang der Mittelachse erstreckt, den Querschnitt darstellt.
Bei dem ersten rohrförmigen Körper 110 handelt es sich um einen innersten rohrförmigen Körper, der im Inneren des Gehäuses 10 angeordnet ist und den Zellenstapel CS sowie den Stapel-Adapter AD darin aufnimmt. Das obere Ende des ersten rohrförmigen Körpers 110 ist mit einer horizontalen oberen Platte 181 bedeckt. Das untere Ende des ersten rohrförmigen Körpers 110 ist in Kontakt mit der oberen Oberfläche der Basisplatte BP befestigt. Die Höhe des ersten rohrförmigen Körpers 110 von seinem unteren Ende bis zu seinem oberen Ende ist größer als die Höhe von dem unteren Ende des Stapel-Adapters AD bis zu dem oberen Ende des Zellenstapels CS. Aus diesem Grund sind die obere Platte 181 und das obere Ende des Zellenstapels CS voneinander beabstandet. Eine Mehrzahl von Luft-Auslässen 111 ist als Durchgangslöcher an der Unterseite des ersten rohrförmigen Körpers 110 ausgebildet. Die Mehrzahl von Luft-Auslässen 111 ist so ausgebildet, dass sie auf der gleichen Höhe in gleichen Intervallen ausgerichtet sind. Die Luft-Auslässe 111 sind Löcher, durch die eine einen Strom erzeugende Luft (ein oxidierendes Wirkstoffgas) hindurch strömt, die (das) in Richtung zu dem Zellenstapel CS hin zugeführt wird.
Bei dem zweiten rohrförmigen Körper 120 handelt es sich um einen rohrförmigen Körper, der so angeordnet ist, dass er den ersten rohrförmigen Körper 110 von außen umgibt. Entlang des gesamten Umfangs ist ein fester Zwischenraum zwischen der inneren Oberfläche des zweiten rohrförmigen Körpers 120 und der äußeren Oberfläche des ersten rohrförmigen Körpers 110 ausgebildet. Ein Raum, der zwischen dem zweiten rohrförmigen Körper 120 und dem ersten rohrförmigen Körper 110 ausgebildet ist, bildet einen Luftkanal 403, durch den Luft für die Erzeugung eines Stroms hindurch strömt, während sie erwärmt wird (entsprechend einem zweiten Kanalabschnitt).
Der Innendurchmesser des zweiten rohrförmigen Körpers 120 ist ungefähr gleich dem Außendurchmesser der Basisplatte BP. Die innere Oberfläche des zweiten rohrförmigen Körpers 120 in der Nähe seines unteren Endes befindet sich über den gesamten Umfang hinweg in Kontakt mit der seitlichen Oberfläche der Basisplatte BP. Der zweite rohrförmige Körper 120 ist bei dem Kontaktabschnitt an der Basisplatte BP befestigt. Mit dieser Konfiguration kann Gas nicht zwischen den Raum auf der unteren Seite der Basisplatte BP und den Luftkanal 403 wandern.
Bei dem dritten rohrförmigen Körper 130 handelt es sich um einen rohrförmigen Körper, der so angeordnet ist, dass er den zweiten rohrförmigen Körper 120 von außen umgibt. Entlang des gesamten Umfangs ist ein fester Zwischenraum zwischen der inneren Oberfläche des dritten rohrförmigen Körpers 130 und der äußeren Oberfläche des zweiten rohrförmigen Körpers 120 ausgebildet. Ein Raum, der zwischen dem dritten rohrförmigen Körper 130 und dem zweiten rohrförmigen Körper 120 ausgebildet ist, ist als ein Abgaskanal 411 ausgebildet, durch den ein Verbrennungs-Abgas mit einer hohen Temperatur hindurch strömt, das durch Verbrennung in der Brennkammer 20 erzeugt wird (entsprechend dem dritten Kanalabschnitt). Das obere Ende des dritten rohrförmigen Körpers 130 ist an einer Position angeordnet, die sich unterhalb des oberen Endes des zweiten rohrförmigen Körpers 120 befindet. Der dritte rohrförmige Körper 130 erstreckt sich bis zu einer Position, die sich unterhalb des unteren Endes der Basisplatte BP befindet.
Bei dem vierten rohrförmigen Körper 140 handelt es sich um einen rohrförmigen Körper, der so angeordnet ist, dass er den dritten rohrförmigen Körper 130 von außen umgibt. Entlang des gesamten Umfangs ist ein fester Zwischenraum zwischen der inneren Oberfläche des vierten rohrförmigen Körpers 140 und der äußeren Oberfläche des dritten rohrförmigen Körpers 130 ausgebildet. Ein Raum zwischen dem vierten rohrförmigen Körper 140 und dem dritten rohrförmigen Körper 130 ist als ein Abgaskanal 412 ausgebildet, durch den ein Verbrennungs-Abgas mit einer hohen Temperatur hindurch strömt, das durch Verbrennung in der Brennkammer 20 erzeugt wird (entsprechend dem vierten Kanalabschnitt). Der Abgaskanal 412 ist mit einem Abgaskanal 413 verbunden, der an einer Position angeordnet ist, die sich unterhalb des Abgaskanals 412 befindet. Bei dem Abgaskanal 413 handelt es sich um einen Kanal, der das Verbrennungs-Abgas zu der Seite der Reformierungseinheit 30 leitet.
Das obere Ende des zweiten rohrförmigen Körpers 120 und das obere Ende des vierten rohrförmigen Körpers 140 sind in der Richtung der Höhe an der gleichen Position positioniert. Das obere Ende des zweiten rohrförmigen Körpers 120 und das obere Ende des vierten rohrförmigen Körpers 140 sind durch eine obere Platte 182 verbunden, bei der es sich um eine kreisförmige Platte handelt, die horizontal angeordnet ist und die Form eines Doughnuts bzw. die Form eines Kreisrings aufweist (mit diesem Zustand ist im Folgenden gemeint, dass ein im Wesentlichen kreisförmiges Loch im Wesentlichen in der Mitte ausgebildet ist). Das heißt, das obere Ende des zweiten rohrförmigen Körpers 120 ist mit dem inneren peripheren Ende der oberen Platte 182 verbunden, und das obere Ende des vierten rohrförmigen Körpers 140 ist mit dem äußeren peripheren Ende der oberen Platte 182 verbunden. Zwischen dem oberen Ende des dritten rohrförmigen Körpers 130 und der oberen Platte 182 ist ein Zwischenraum ausgebildet. Daher sind der Abgaskanal 411 und der Abgaskanal 412 an den jeweiligen oberen Enden miteinander verbunden.
Das untere Ende des dritten rohrförmigen Körpers 130 und die innere Oberfläche des vierten rohrförmigen Körpers 140 sind durch eine untere Platte 183 verbunden, die eine kreisförmige Platte in der Form eines Kreisrings aufweist, die horizontal angeordnet ist. Mit anderen Worten, das untere Ende des Abgaskanals 412 ist mit der unteren Platte 183 bedeckt.
An der Unterseite des vierten rohrförmigen Körpers 140 (etwas weiter oben gelegene Seite als die untere Platte 183) ist ein Gas-Ablassrohr 191 angeschlossen. Der innere Raum des Gas-Ablassrohrs 191 steht in Verbindung mit dem Abgaskanal 413. Bei dem Gas-Ablassrohr 191 handelt es sich um ein Rohr, welches das Verbrennungs-Abgas ablässt, das durch den Abgaskanal 413 hindurch in den Außenraum des Gehäuses 10 geströmt ist, und welches das Gas einer Abwärme-Wiedergewinnungs-Einheit 62 zuführt, die später zu beschreiben ist.
Der vierte rohrförmige Körper 140 erstreckt sich bis zu einer Position, die sich unterhalb des unteren Endes des dritten rohrförmigen Körpers 130 befindet. An dem unteren Ende des vierten rohrförmigen Körpers 140 ist ein horizontaler Flansch 141 ausgebildet, der sich von dem unteren Ende in Richtung zu dem Außenraum hin erstreckt. Bei dem Flansch 141 handelt es sich um einen Flansch, der für eine Befestigung des Gehäuses 10 zum Zeitpunkt einer Montage der Brennstoffzellen-Einheit FC verwendet wird.
In der Nähe des unteren Endes des vierten rohrförmigen Körpers 140 ist eine untere Platte 184 angeordnet, bei der es sich um eine horizontale kreisförmige Platte handelt.
Der Außendurchmesser der unteren Platte 184 ist im Wesentlichen gleich dem Innendurchmesser des vierten rohrförmigen Körpers 140. Die untere Platte 184 ist derart befestigt, dass ihre gesamte äußere Oberfläche mit der inneren Oberfläche des vierten rohrförmigen Körpers 140 in Kontakt gebracht wird. In dem unteren seitlichen Raum der unteren Platte 184 ist ein Wärmeisolationsmaterial TI angeordnet.
Bei dem fünften rohrförmigen Körper 150 handelt es sich um einen rohrförmigen Körper, der an der äußersten Position in dem Gehäuse 10 angeordnet ist und derart angeordnet ist, dass er den oberen Abschnitt des vierten rohrförmigen Körpers 140 von außen umgibt. Entlang des gesamten Umfangs ist ein fester Zwischenraum zwischen der inneren Oberfläche des fünften rohrförmigen Körpers 150 und der äußeren Oberfläche des vierten rohrförmigen Körpers 140 ausgebildet. Ein Raum, der zwischen dem fünften rohrförmigen Körper 150 und dem vierten rohrförmigen Körper 140 ausgebildet ist, ist als ein Luftkanal 401 ausgebildet, in dem Luft für die Erzeugung eines Stroms strömt, während sie erwärmt wird (entsprechend dem ersten Kanalabschnitt).
Der fünfte rohrförmige Körper 150 erstreckt sich bis zu einer Position, die höher als irgendeine von den oberen Enden des ersten rohrförmigen Körpers 110, des zweiten rohrförmigen Körpers 120, des dritten rohrförmigen Körpers 130 und des vierten rohrförmigen Körpers 140 liegt. Das obere Ende des fünften rohrförmigen Körpers 150 ist mit einer horizontalen oberen Platte 185 bedeckt. Zwischen der oberen Platte 185 und der oberen Platte 182 ist ein Zwischenraum 402 ausgebildet. Die oberen Enden des Luftkanals 401 und des Luftkanals 403 sind über den Zwischenraum 402 miteinander verbunden.
Ein unteres Ende des fünften rohrförmigen Körpers 150 und die äußere Oberfläche des vierten rohrförmigen Körpers 140 sind durch eine untere Platte 186 verbunden, bei der es sich um eine kreisförmige Platte mit der Form eines Kreisrings handelt, die horizontal angeordnet ist. Mit anderen Worten, das untere Ende des Luftkanals 401 ist mit der unteren Platte 186 blockiert.
Ein Luft-Einleitungs-Rohr 192 ist mit der Unterseite des fünften rohrförmigen Körpers 150 verbunden (eine etwas weiter oben gelegene Seite als die untere Platte 186). Der innere Raum des Luft-Einleitungs-Rohrs 192 steht in Verbindung mit dem Luftkanal 401. Bei denn Luft-Einleitungs-Rohr 192 handelt es sich um ein Rohr, das Luft für die Erzeugung eines Stroms in den Innenraum des Gehäuses 10 einleitet.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wurde eine Konfiguration derart hergestellt, dass der Temperaturanstieg der Luft, während die Luft durch den Luftkanal 401 hindurch strömt, der dem ersten Kanalabschnitt der vorliegenden Offenbarung entspricht, größer als der Temperaturanstieg der Luft ist, während die Luft durch den Luftkanal 403 hindurch strömt, der dem zweiten Kanalabschnitt der vorliegenden Offenbarung entspricht. Noch genauer ist ein Wärmetransferflächen-Erweiterungsabschnitt 420 zwischen dem Luftkanal 401 und dem Abgaskanal 412 bereitgestellt, der dem vierten Kanalabschnitt entspricht.
Der Wärmetransferflächen-Erweiterungsabschnitt 420 wird unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Wie in 3 gezeigt, ist der Wärmetransferflächen-Erweiterungsabschnitt 420 als gewellte Rippen konfiguriert, die auf beiden Seiten des vierten rohrförmigen Körpers 140 bereitgestellt sind. Die gewellten Rippen, die Vorsprünge 421 und Vertiefungen 422 aufweisen, die abwechselnd angeordnet sind, sind außerhalb des vierten rohrförmigen Körpers 140 angeordnet, das heißt auf der Seite des Luftkanals 401. Die gewellten Rippen, die Vorsprünge 423 und Vertiefungen 424 aufweisen, die abwechselnd angeordnet sind, sind innerhalb des vierten rohrförmigen Körpers 140 angeordnet, das heißt auf der Seite des Abgaskanals 412.
Da die Wärmetransferfläche zwischen dem Luftkanal 401 und dem Abgaskanal 412 erweitert ist, wird die Wärme des Verbrennungs-Abgases, das in dem Abgaskanal 412 strömt, somit effizient auf den vierten rohrförmigen Körper 140 übertragen, und die übertragene Wärme wird außerdem effizient zu der Luft transferiert, die durch den Luftkanal 401 hindurch strömt. Daher ist der Temperaturanstieg der Luft, die durch den Luftkanal 401 hindurch strömt, größer als der Temperaturanstieg der Luft, die durch den Luftkanal 403 hindurch strömt.
Wenngleich insbesondere die Temperatur des oberen Abschnitts des Zellenstapels CS tendenziell niedriger als die Temperaturen seines mittleren und seines unteren Abschnitts ist, tritt effizient erwärmte Luft aus dem Luftkanal 401 von oben durch den Zwischenraum 402 in den Luftkanal 403 ein, und dadurch kann Wärme effizient an der Oberseite des Zellenstapels CS bereitgestellt werden. Des Weiteren bedeutet, dass Luft mit einer hohen Temperatur in den Luftkanal 403 hinein strömt, dass die Temperaturverteilung in der Stapelrichtung (der Richtung, in der sich der Luftkanal 403 erstreckt) des Zellenstapels CS verringert werden kann. Da bei der vorliegenden Ausführungsform zwischen der oberen Platte 181 und der oberen Platte 185 ein Zwischenraum bereitgestellt ist und die Luft, die erwärmt wurde, während sie durch den Luftkanal 401 hindurch geströmt ist, in den Zwischenraum eintritt, kann an der Oberseite des Zellenstapels CS effizienter Wärme bereitgestellt werden.
Wie in 4 gezeigt, kann der gleiche Effekt wie jener des vorstehend beschriebenen Wärmetransferflächen-Erweiterungsabschnitts 420 erzielt werden, auch wenn Vorsprünge 421A und Vertiefungen 422A direkt an dem vierten rohrförmigen Körper 140 bereitgestellt sind, um so einen Wärmetransferflächen-Erweiterungsabschnitt 420A zu bilden. Da des Weiteren die Anzahl von Komponenten in dem Wärmetransferflächen-Erweiterungsabschnitt 420A im Vergleich zu dem in 3 gezeigten Wärmetransferflächen-Erweiterungsabschnitt 420 verringert werden kann, können eine Gewichtsverringerung sowie eine Kostenverringerung erreicht werden.
Die Beschreibung wird unter erneuter Bezugnahme auf die 1 und 2 fortgesetzt. Bei dem sechsten rohrförmigen Körper 160 handelt es sich um einen rohrförmigen Körper, der an einer Position im Inneren des dritten rohrförmigen Körpers 130 und auf der unteren Seite der Basisplatte BP angeordnet ist. Der sechste rohrförmige Körper 160 weist einen oberen zylindrischen Abschnitt 161 als einen Abschnitt auf der oberen Seite sowie einen unteren zylindrischen Abschnitt 162 als einen Abschnitt auf der unteren Seite auf. Der Durchmesser des oberen zylindrischen Abschnitts 161 ist kleiner als jener des unteren zylindrischen Abschnitts 162. Das untere Ende des oberen zylindrischen Abschnitts 161 und das obere Ende des unteren zylindrischen Abschnitts 162 sind durch einen Zwischenabschnitt 163 verbunden, bei dem es sich um eine kreisförmige Platte in der Form eines Kreisrings handelt, die horizontal angeordnet ist. Das obere Ende des oberen zylindrischen Abschnitts 161 befindet sich in Kontakt mit der unteren Oberfläche der Basisplatte BP. Das untere Ende des unteren zylindrischen Abschnitts 162 befindet sich in Kontakt mit der oberen Oberfläche der unteren Platte 184.
Der Durchmesser des unteren zylindrischen Abschnitts 162 ist kleiner als jener des dritten rohrförmigen Körpers 130. Daher ist über den gesamten Umfang hinweg ein Zwischenraum zwischen dem dritten rohrförmigen Körper 130 und dem sechsten rohrförmigen Körper 160 ausgebildet. Die Reformierungseinheit 30 ist in dem Zwischenraum angeordnet, und außerdem ist über den gesamten Umfang hinweg ein Zwischenraum zwischen der Reformierungseinheit 30 und dem sechsten rohrförmigen Körper 160 ausgebildet. Bei der folgenden Beschreibung wird der Raum, der im Inneren des sechsten rohrförmigen Körpers 160 ausgebildet ist, auch als ein ”innerer Raum 601” bezeichnet. Des Weiteren wird ein Raum, der zwischen dem unteren zylindrischen Abschnitt 162 des sechsten rohrförmigen Körpers 160 und einem inneren Zylinder 320 der Reformierungseinheit 30 ausgebildet ist auch als ein ”äußerer Raum 602” bezeichnet.
Auf dem unteren zylindrischen Abschnitt 162 ist eine Mehrzahl von Ausströmöffnungen 165 als Durchgangslöcher an einer Position ausgebildet, die sich unterhalb des unteren Endes der Reformierungseinheit 30 befindet. Die Mehrzahl von Ausströmöffnungen 165 ist so ausgebildet, dass sie in gleichen Intervallen auf der gleichen Höhe ausgerichtet sind. Der innere Raum 601 und der äußere Raum 602 stehen mittels dieser Ausströmöffnungen 165 miteinander in Verbindung. Bei den Ausströmöffnungen 165 handelt es sich um Durchgangslöcher, durch die das Verbrennungs-Abgas mit einer hohen Temperatur hindurch strömt, das durch die Verbrennung in der Brennkammer 20 erzeugt wird.
Bei der Brennkammer 20 handelt es sich um einen Brenner, um ein verbliebenes Brennstoffgas, das nicht für die Erzeugung eines Stroms verwendet wurde (im Folgenden auch als ein ”Restbrennstoff” bezeichnet), und verbliebene Luft, die nicht zur Erzeugung eines Stroms verwendet wurde (im Folgenden auch als ”Restluft” bezeichnet), zu mischen und zu verbrennen. Die Brennkammer 20 ist aus Edelstahl hergestellt. Der gesamte Körper der Brennkammer 20 ist in einer im Wesentlichen zylindrischen Gestalt ausgebildet und ist so angeordnet, dass er von der Mitte der unteren Oberfläche der Basisplatte BP nach unten heraus ragt. Des Weiteren ist die Brennkammer 20 in einer Draufsicht in der Mitte des Gehäuses 10 angeordnet (der Position entlang der Mittelachse des oberen zylindrischen Abschnitts 161).
Dem oberen Ende der Brennkammer 20 werden durch einen Kanal, der in dem Stapel-Adapter AD ausgebildet ist, und einen Kanal, der in der Basisplatte BP ausgebildet ist, sowohl ein Restbrennstoff als auch Restluft zugeführt, die aus dem Zellenstapel CS abgelassen werden. Danach erreichen der Restbrennstoff und die Restluft durch einen Kanal, der in der Brennkammer 20 ausgebildet ist, das untere Ende der Brennkammer 20 und werden nach unten ausgestoßen, während sie an dem unteren Ende miteinander gemischt werden. An dem unteren Ende der Brennkammer 20 verbrennen der ausgestoßene Restbrennstoff und die ausgestoßene Restluft und erzeugen ein Verbrennungs-Abgas mit einer hohen Temperatur. Darüber hinaus erreicht auch die Brennkammer 20 durch die Wärme der Verbrennung eine hohe Temperatur.
Auf der unteren Seite der Brennkammer 20 ist eine Zündvorrichtung IG angeordnet. Bei der Zündvorrichtung IG handelt es sich um eine Vorrichtung, welche die Verbrennung startet, indem sie das aus dem Restbrennstoff und der Restluft gemischte Gas zündet, das aus der Brennkammer 20 ausgestoßen wird. Die Zündvorrichtung IG ist so angeordnet, dass sich das obere Ende, an dem eine Funkenentladung stattfindet, nahe bei dem unteren Ende der Brennkammer 20 befindet, während es die untere Platte 184 und das Wärmeisolationsmaterial TI vertikal durchdringt. Die Zündung durch die Zündvorrichtung IG wird zum Zeitpunkt der Inbetriebsetzung der Brennstoffzellen-Einheit FC durchgeführt.
Es wird eine Beschreibung einer Konfiguration der Reformierungseinheit 30 angegeben. Die Reformierungseinheit 30 wird durch Integrieren eines Reformers 302, der mittels einer Reformierungsreaktion aus einem Stadtgas ein Brennstoffgas erzeugt (ein Wasserstoff enthaltendes Gas), und eines Verdampfers 301 hergestellt, der Wasserdampf erzeugt, der dem Reformer 302 zuzuführen ist. Der gesamte Körper der Reformierungseinheit 30 weist eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt auf und ist in dem Raum zwischen dem dritten rohrförmigen Körper 130 und dem sechsten rohrförmigen Körper 160 in dem Gehäuse 10 angeordnet. Die Reformierungseinheit 30 umfasst einen äußeren Zylinder 310, den inneren Zylinder 320, eine obere Platte 330, eine erste untere Platte 340, eine zweite untere Platte 350, eine erste Trennplatte 360 sowie eine zweite Trennplatte 370. Unter diesen bilden der äußere Zylinder 310, der innere Zylinder 320, die obere Platte 330, die erste untere Platte 340, die zweite untere Platte 350 und der Abschnitt der unteren Seite der ersten Trennplatte 360, der sich unterhalb der ersten unteren Platte 340 befindet, den Umriss der Reformierungseinheit 30.
Bei dem äußeren Zylinder 310 handelt es sich um einen rohrförmigen Körper, der die äußere Oberfläche der Reformierungseinheit 30 bildet. Die Mittelachse des äußeren Zylinders 310 stimmt mit der Mittelachse des dritten rohrförmigen Körpers 130 überein. Der Außendurchmesser des äußeren Zylinders 310 ist im Wesentlichen gleich dem Innendurchmesser des dritten rohrförmigen Körpers 130. Im Wesentlichen die gesamte äußere Oberfläche des äußeren Zylinders 310 befindet sich in Kontakt mit der inneren Oberfläche des dritten rohrförmigen Körpers 130. Der äußere Zylinder 310 erstreckt sich bis zu einer Position, die sich unterhalb der unteren Platte 183 befindet.
Bei dem inneren Zylinder 320 handelt es sich um einen rohrförmigen Körper, der die innere Oberfläche der Reformierungseinheit 30 bildet. Die Mittelachse des inneren Zylinders 320 stimmt mit der Mittelachse des dritten rohrförmigen Körpers 130 überein. Der Außendurchmesser des inneren Zylinders 320 ist kleiner als der Innendurchmesser des äußeren Zylinders 310. Aus diesem Grund ist zwischen dem äußeren Zylinder 310 und dem inneren Zylinder 320 ein Raum ausgebildet. Ein Teil des Raums ist als ein Raum ausgebildet, in dem ein Dampf aus Wasser erzeugt wird und strömt. Bei einem anderen Teil des Raums handelt es sich um einen Raum, in dem die Reformierungsreaktion stattfindet, um ein Brennstoffgas zu erzeugen.
Der Innendurchmesser des inneren Zylinders 320 ist größer als der Außendurchmesser des unteren zylindrischen Abschnitts 162 des dritten rohrförmigen Körpers 130. Daher ist über den gesamten Umfang hinweg, wie bereits beschrieben, ein Zwischenraum zwischen der Reformierungseinheit 30 und dem sechsten rohrförmigen Körper 160 ausgebildet. Die Höhe des oberen Endes des inneren Zylinders ist die gleiche wie jene des oberen Endes des äußeren Zylinders 310. Andererseits ist die Höhe des unteren Endes des inneren Zylinders 320 größer als die Höhe des unteren Endes des äußeren Zylinders 310 und ist die gleiche wie die Höhe des unteren Endes der unteren Platte 183.
Bei der oberen Platte 330 handelt es sich um eine kreisförmige Platte mit der Form eines Kreisrings, die horizontal angeordnet ist. Die äußere Oberfläche der oberen Platte 330 ist mit dem oberen Ende der inneren Oberfläche des äußeren Zylinders 310 verbunden. Darüber hinaus ist die innere Oberfläche der oberen Platte 330 mit dem oberen Ende der äußeren Oberfläche des inneren Zylinders 320 verbunden. So sind das obere Ende des äußeren Zylinders 310 und das obere Ende des inneren Zylinders 320 durch die obere Platte 330 verbunden.
Bei der ersten unteren Platte 340 handelt es sich um eine kreisförmige Platte in der Form eines Kreisrings, die horizontal angeordnet ist. Die erste untere Platte 340 ist an einer Position angeordnet, welche die gleiche Höhe wie die untere Platte 183 aufweist. Die äußere Oberfläche der ersten unteren Platte 340 ist mit der inneren Oberfläche der ersten Trennplatte 360 verbunden, die später zu beschreiben ist. Die innere Oberfläche der ersten unteren Platte 340 ist mit dem unteren Ende der inneren Oberfläche des inneren Zylinders 320 verbunden.
Bei der zweiten unteren Platte 350 handelt es sich um eine kreisförmige Platte mit der Form eines Kreisrings, die horizontal angeordnet ist. Die äußere Oberfläche der zweiten unteren Platte 350 ist mit dem unteren Ende der inneren Oberfläche des äußeren Zylinders 310 verbunden. Die innere Oberfläche der zweiten unteren Platte 350 ist mit dem unteren Ende der äußeren Oberfläche der ersten Trennplatte 360 verbunden, die später zu beschreiben ist. Daher ist die zweite untere Platte 350 an einer Position angeordnet, die sich unterhalb der ersten unteren Platte 340 befindet.
Bei einem Teil der ersten Trennplatte 360 handelt es sich um einen rohrförmigen Körper, der im Inneren der Reformierungseinheit 30 angeordnet ist. Die Mittelachse der ersten Trennplatte 360 stimmt mit der Mittelachse des äußeren Zylinders 310 und der Mittelachse des inneren Zylinders 320 überein. Der Außendurchmesser der ersten Trennplatte 360 ist kleiner als der Innendurchmesser des äußeren Zylinders 310. Somit ist über den gesamten Umfang hinweg ein fester Zwischenraum zwischen dem äußeren Zylinder 310 und der ersten Trennplatte 360 ausgebildet.
Die Höhe des oberen Endes der ersten Trennplatte 360 ist geringer als die Höhe des oberen Endes des äußeren Zylinders 310. Daher liegt zwischen dem oberen Ende der ersten Trennplatte 360 und der unteren Oberfläche der oberen Platte 330 ein Zwischenraum vor. Die Höhe des unteren Endes der ersten Trennplatte 360 ist die gleiche wie jene des unteren Endes des äußeren Zylinders 310. Wie bereits erwähnt, ist die zweite untere Platte 350 von außen mit dem unteren Ende der ersten Trennplatte 360 verbunden. Des Weiteren ist die erste untere Platte 340 von innen mit der ersten Trennplatte 360 verbunden.
Bei dem gesamten Körper der zweiten Trennplatte 370 handelt es sich um einen rohrförmigen Körper, der im Inneren der Reformierungseinheit 30 angeordnet ist. Die Mittelachse der zweiten Trennplatte 370 stimmt mit der Mittelachse des äußeren Zylinders 310 und der Mittelachse des inneren Zylinders 320 überein. Der Außendurchmesser der zweiten Trennplatte 370 ist kleiner als der Innendurchmesser der ersten Trennplatte 360. Dementsprechend ist entlang des gesamten Umfangs ein fester Zwischenraum zwischen der zweiten Trennplatte 370 und der ersten Trennplatte 360 ausgebildet. Der Innendurchmesser der zweiten Trennplatte 370 ist größer als der Außendurchmesser des inneren Zylinders 320. Daher ist zwischen der zweiten Trennplatte 370 und dem inneren Zylinder 320 entlang des gesamten Umfangs ebenfalls ein fester Zwischenraum ausgebildet.
Die zweite Trennplatte 370 ist an der oberen Platte 330 befestigt, während sich das obere Ende in Kontakt mit der unteren Oberfläche der oberen Platte 330 befindet. Die Höhe des unteren Endes der zweiten Trennplatte 370 ist größer als die Höhe des unteren Endes des inneren Zylinders 320. Daher liegt zwischen dem unteren Ende der zweiten Trennplatte 370 und der oberen Oberfläche der ersten unteren Platte 340 ein Zwischenraum vor.
Mit der vorstehenden Konfiguration sind ein erster Raum 381 als ein Raum, der zwischen dem äußeren Zylinder 310 und der ersten Trennplatte 360 ausgebildet ist, ein zweiter Raum 382 als ein Raum, der zwischen der ersten Trennplatte 360 und der zweiten Trennplatte 370 ausgebildet ist, sowie ein dritter Raum 383 als ein Raum, der zwischen der zweiten Trennplatte 370 und dem inneren Zylinder 320 ausgebildet ist, in dem Innenraum der Reformierungseinheit 30 ausgebildet. Der erste Raum 381 ist mit dem zweiten Raum 382 oberhalb der ersten Trennplatte 360 verbunden, und der zweite Raum 382 ist mit denn dritten Raum 383 unterhalb der zweiten Trennplatte 370 verbunden.
Ein Ende eines Wasserzufuhrrohrs 391 ist von unten mit der zweiten unteren Platte 350 verbunden. Bei dem Wasserzufuhrrohr 391 handelt es sich um ein Rohr, das dem ersten Raum 381 Wasser zuführt. Das andere Ende des Wasserzufuhrrohrs 391 ist mit einer Wasserzufuhrpumpe (nicht dargestellt) verbunden, die außerhalb des Gehäuses 10 angeordnet ist.
Wasser, das dem ersten Raum 381 von dem Wasserzufuhrrohr 391 zugeführt wird, wird erwärmt, um durch ein Verbrennungs-Abgas mit einer hohen Temperatur, das durch den Abgaskanal 412 hindurch strömt, in Wasserdampf umgewandelt zu werden. Der Wasserdampf erreicht den Eingang des dritten Raums 383 durch den ersten Raum 381 hindurch und danach den zweiten Raum 382. Somit bilden in der Reformierungseinheit 30 der erste Raum 381, der zweite Raum 382 sowie die Wandoberflächen, die diese Räume definieren, ein Teilstück für die Erzeugung von Wasserdampf, indem Wasser von außen zugeführt wird, d. h. ein Teilstück, das dem Verdampfer 301 entspricht.
In dem ersten Raum 381 ist eine Trägerplatte 352 angeordnet. Bei der Trägerplatte 352 handelt es sich um eine Platte mit der Form eines Kreisrings, die horizontal angeordnet ist, um so den ersten Raum 381 vertikal zu unterteilen. Die Trägerplatte 352 ist an dem äußeren Zylinder 310 und der ersten Trennplatte 360 an einer Position befestigt, welche die gleiche Höhe wie die erste untere Platte 340 aufweist. An der Trägerplatte 352 ist eine Mehrzahl von Durchgangslöchern ausgebildet, so dass Wasser durch die Trägerplatte 352 hindurch strömen kann. Das Wärmetransfer-Verbesserungs-Element CB, das einen Wärmetransfer von dem äußeren Zylinder 310 in das Wasser fördert, ist auf die obere Seite der Trägerplatte 352 in dem ersten Raum 381 gepackt. Bei dem Wärmetransfer-Verbesserungs-Element CB handelt es sich um eine Mehrzahl von Aluminiumoxid-Kugeln (eine Mehrzahl von keramischen Kugeln).
Ein Ende eines Stadtgas-Zufuhrrohrs 392 ist von unten mit der ersten unteren Platte 340 verbunden. Bei dem Stadtgas-Zufuhrrohr 392 handelt es sich um ein Rohr, das dem Einlassabschnitt des dritten Raums 383 ein Stadtgas zuführt. Das andere Ende des Stadtgas-Zufuhrrohrs 392 ist mit einer Entschwefelungseinrichtung 61 verbunden (siehe 2).
Der Reformierungs-Katalysator RC füllt den dritten Raum 383. Der Reformierungs-Katalysator RC wird erhalten, indem ermöglicht wird, dass ein katalytisches Metall, wie beispielweise Nickel, auf der kugelförmigen Oberfläche von Aluminiumoxid mitgeführt wird. Ein Metall-Netz (nicht gezeigt), das horizontal angeordnet ist, ist an einer Position befestigt, die sich etwas oberhalb des unteren Endes der zweiten Trennplatte 370 in dem dritten Raum 383 befindet, und der Reformierungs-Katalysator RC wird von unten durch das Metall-Netz getragen.
Das Stadtgas, das dem Innenraum der Reformierungseinheit 30 von dem Stadtgas-Zufuhrrohr 392 zugeführt wird, strömt in dem dritten Raum 383 nach oben, nachdem es an dem Einlassabschnitt des dritten Raums 383 mit Wasserdampf gemischt wurde. Dabei findet durch das Stadtgas und den Wasserdampf, die dem Reformierungs-Katalysator RC ausgesetzt sind, eine Dampf-Reformierungsreaktion statt, und es wird ein Brennstoffgas (ein Wasserstoff enthaltendes Gas) erzeugt. In der Reformierungseinheit 30 handelt es sich so bei dem dritten Raum 383 und den Wandoberflächen, die diesen Raum definieren, um ein Teilstück, in dem die Dampf-Reformierungsreaktion nach dem Empfang des Wasserdampfes von dem Verdampfer 301 und des Stadtgases von außen stattfindet, das heißt, um einen Abschnitt, der dem Reformer 302 entspricht. Der Reformierungs-Katalysator RC ist über die gesamte Umfangsrichtung des dritten Raums 383 aufgepackt. Daher strömt der Wasserdampf, der von dem Verdampfer 301 zugeführt wird, nicht durch den dritten Raum 383 hindurch, ohne dem Reformierungs-Katalysator RC ausgesetzt zu sein.
Ein Ende eines Brennstoffgas-Zufuhrrohrs 393 ist mit der Umgebung des oberen Endes des inneren Zylinders 320 verbunden. Bei dem Brennstoffgas-Zufuhrrohr 393 handelt es sich um ein Rohr, das dem Zellenstapel CS das Brennstoffgas zuführt, das in der Reformierungseinheit 30 (dem Reformer 302) erzeugt wird. Das andere Ende des Brennstoffgas-Zufuhrrohrs 393 ist mit der unteren Oberfläche der Basisplatte BP verbunden. Das Brennstoffgas erreicht die Basisplatte BP von dem oberen Abschnitt des dritten Raums 383 aus durch das Brennstoffgas-Zufuhrrohr 393 hindurch. Danach wird das Brennstoffgas dem Zellenstapel CS durch einen Kanal, der in der Basisplatte BP ausgebildet ist, und einen Kanal zugeführt, der in dem Stapel-Adapter AD ausgebildet ist.
Die Reformierungseinheit 30 wird von unten durch einen zylindrischen Abdichtungsblock SB getragen, der aus einem hitzebeständigen Material hergestellt ist. Das obere Ende des Abdichtungsblocks SB befindet sich in Kontakt mit der unteren Oberfläche (der ersten unteren Platte 340) der Reformierungseinheit 30, und das untere Ende des Abdichtungsblocks SB befindet sich in Kontakt mit der oberen Oberfläche der unteren Platte 184. Der Innendurchmesser des Abdichtungsblocks SB ist gleich dem Innendurchmesser der Reformierungseinheit 30. Des Weiteren ist die radiale Abmessung (die Dicke) des Abdichtungsblocks SB kleiner als die radiale Abmessung (die Dicke) der Reformierungseinheit 30. Daher ist außerhalb des Abdichtungsblocks SB (untere Seite der Reformierungseinheit 30) ein Raum SP ausgebildet, wie in 1 gezeigt.
Ein Raum außerhalb des sechsten rohrförmigen Körpers 160 und der Raum SP sind durch die Reformierungseinheit 30 und einen Abdichtungsblock SB getrennt, und zwischen den Räumen kann kein Gas hindurch strömen. Da das Verbrennungs-Abgas mit einer hohen Temperatur nicht in den Raum SP hinein strömt, wird die Temperatur in dem Raum SP relativ niedrig gehalten.
Als nächstes wird der Strom von Gasen (Luft, Stadtgas, Brennstoffgas sowie Verbrennungs-Abgas) während des Betriebs der Brennstoffzellen-Einheit FC beschrieben, in der Hauptsache bezugnehmend auf 2.
Zunächst wird eine Beschreibung des Luftstroms (des oxidierenden Wirkstoffgases) für die Erzeugung eines Stroms angegeben, der dem Zellenstapel CS zuzuführen ist. Die Luft wird von einem Gebläse (nicht dargestellt), das außerhalb des Gehäuses 10 angeordnet ist, durch das Luft-Einleitungs-Rohr 192 hindurch in das Gehäuse 10 hinein zugeführt.
Die Luft, die durch das Luft-Einleitungs-Rohr 192 hindurch zugeführt wird, strömt in dem Luftkanal 401 nach oben. Dann strömt die Luft durch den Zwischenraum 402 hindurch in den Luftkanal 403 hinein und strömt in dem Luftkanal 403 nach unten.
Der Abgaskanal 411 und der Abgaskanal 412 sind zwischen dem Luftkanal 401 und dem Luftkanal 403 ausgebildet. Ein Verbrennungs-Abgas mit einer hohen Temperatur strömt im Inneren dieses Abgaskanals 411 und dieses Abgaskanals 412. Dementsprechend wird Luft, die in das Gehäuse 10 eingeleitet wird, erwärmt, und ihre Temperatur wird durch das Verbrennungs-Abgas erhöht, während sie durch den Luftkanal 401 und den Luftkanal 403 hindurch strömt. Mit anderen Worten, zwischen der Luft und dem Verbrennungs-Abgas wird Wärme ausgetauscht.
Der Zellenstapel CS weist während der Erzeugung eines Stroms eine hohe Temperatur auf, und der erste rohrförmige Körper 110 weist durch die Strahlungswärme von dem Zellenstapel CS ebenfalls eine hohe Temperatur auf. Daher wird die Luft dadurch weiter erwärmt, dass sie mit dem ersten rohrförmigen Körper 110 in Berührung kommt, während sie durch den Luftkanal 403 hindurch strömt.
So handelt es sich bei dem Luftkanal 401 und dem Luftkanal 403 um Kanäle, in denen Luft strömt, während sie mittels der Wärme des Verbrennungs-Abgases und der Strahlungswärme von dem Zellenstapel CS erwärmt wird. Daher werden der Luftkanal 401 und der Luftkanal 403 bei der folgenden Beschreibung kollektiv als ”Lufterwärmungskanal 40” bezeichnet. In einer ähnlichen Weise werden der Abgaskanal 411 und der Abgaskanal 412 kollektiv als ”Gasablasskanal 41” bezeichnet. Der Lufterwärmungskanal 40 ist so angeordnet, dass er den Zellenstapel CS von seinen Seiten aus umgibt. Der Lufterwärmungskanal 40 kann als eine Komponente bezeichnet werden, die einer Vorerwärmungseinrichtung entspricht, um den Wärmeaustausch zwischen dem Verbrennungs-Abgas, das durch die Verbrennung in der Brennkammer 20 erzeugt wird und durch den Gasablasskanal 41 hindurch strömt, und der Luft durchzuführen, die dem Zellenstapel CS zuzuführen ist.
Die Luft, welche die Unterseite des Luftkanals 403 erreicht, wird aus den Luftauslässen 111, die in dem ersten rohrförmigen Körper 110 ausgebildet sind, in Richtung zu dem Zellenstapel CS ausgestoßen. Danach erreicht die Luft die Luft-Elektrode jeder Einheitszelle und wird für die Erzeugung eines Stroms verwendet.
Es wird der Strom des Brennstoffgases, der dem Zellenstapel CS zuzuführen ist, und der Strom des Stadtgases als Rohmaterial für das Brennstoffgas beschrieben. Das Stadtgas wird der Reformierungseinheit 30 von dem Außenraum des Gehäuses 10 durch das Stadtgas-Zufuhrrohr 392 zugeführt. Die Entschwefelungseinrichtung 61 ist zwischen der Zufuhrquelle des Stadtgases und dem Stadtgas-Zufuhrrohr 292 angeordnet. Bei der Entschwefelungseinrichtung 61 handelt es sich um eine Vorrichtung, um Schwefel-Komponenten zu entfernen, die in dem Stadtgas enthalten sind. Das Stadtgas wird in die Reformierungseinheit 30 hinein zugeführt, nachdem Schwefel-Komponenten, welche die Leistungsfähigkeit der Einheitszelle beeinträchtigen, mittels der Entschwefelungseinrichtung 61 entfernt wurden.
Das Stadtgas, das von dem Stadtgas-Zufuhrrohr 392 in den Innenraum der Reformierungseinheit 30 hinein zugeführt wird, wird an dem Einlassabschnitt des dritten Raums 383 mit Wasserdampf gemischt. Dann strömt das Stadtgas in dem dritten Raum 383 nach oben, der mit dem Reformierungs-Katalysator RC gefüllt ist.
Ein Verbrennungs-Abgas mit einer hohen Temperatur strömt in dem Raum, der zwischen dem unteren zylindrischen Abschnitt 162 des sechsten rohrförmigen Körpers 160 und dem inneren Zylinder 320 der Reformierungseinheit 30 ausgebildet ist. So werden das Stadtgas und der Wasserdampf durch das Verbrennungs-Abgas erwärmt, während sie durch den dritten Raum 383 hindurch strömen, wobei ihre Temperatur erhöht wird. Mit anderen Worten, zwischen dem Stadtgas und dem Wasserdampf und dem Verbrennungs-Abgas wird Wärme ausgetauscht. Des Weiteren befindet sich der Reformierungs-Katalysator RC, der den dritten Raum 383 füllt, durch einen Wärmetransfer durch den inneren Zylinder 320 ebenfalls auf einer hohen Temperatur.
Der sechste rohrförmige Körper 160, der die Brennkammer 20 umgibt, wurde extrem heiß, da der sechste rohrförmige Körper 160 durch Strahlungswärme von der Brennkammer 20 zusätzlich zu einer Erwärmung durch das Verbrennungs-Abgas erwärmt wird. Im Ergebnis erreicht den inneren Zylinder 320 der Reformierungseinheit 30 eine Strahlungswärme von denn sechsten rohrförmigen Körper 160, dessen Temperatur hoch wurde (sie kann als eine Strahlungswärme bezeichnet werden, die über den sechsten rohrförmigen Körper 160 von der Brennkammer 20 stammt). Das heißt, der Reformer 302, der den inneren Zylinder 320 umfasst, wird nicht nur durch das Verbrennungs-Abgas erwärmt, sondern wird auch durch die Strahlungswärme von der Brennkammer 20 erwärmt.
Wenn das aus dem Stadtgas und dem Wasserdampf gemischte Gas dem Reformierungs-Katalysator RC ausgesetzt wird, findet die Dampf-Reformierungs-Reaktion unter dieser Bedingung in dem dritten Raum 383 (dem Reformer 302) statt. Im Ergebnis wird das Brennstoffgas aus dem gemischten Gas erzeugt. Da es sich bei der Dampf-Reformierungs-Reaktion um eine endotherme Reaktion handelt, ist eine Wärmezufuhr notwendig, um die Reaktion stabil aufrechtzuerhalten. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden sowohl die Wärme von denn Verbrennungs-Abgas, die durch den inneren Zylinder 320 angewendet wird, als auch die Strahlungswärme von der Brennkammer 20 als Wärme für eine Aufrechterhaltung der Dampf-Reformierung-Reaktion verwendet.
Das Brennstoffgas, das in dem Reformer 302 erzeugt wird, wird dem Zellenstapel CS durch das Brennstoffgas-Zufuhrrohr 393 und den Kanal in dem Stapel-Adapter AD zugeführt. Das Brennstoffgas erreicht die Brennstoff-Elektrode jeder Einheitszelle und wird für die Erzeugung eines Stroms verwendet.
Es wird eine Beschreibung des Stroms des Verbrennungs-Abgases angegeben. Wie vorstehend beschrieben, werden der Restbrennstoff und die Restluft, die aus dem Zellenstapel CS abgelassen werden, der Brennkammer 20 zugeführt und werden an dem unteren Ende der Brennkammer 20 verbrannt. Als ein Ergebnis der Verbrennung wird in dem Innenraum (dem inneren Raum 601) des sechsten rohrförmigen Körpers 160 ein Verbrennungs-Abgas mit einer hohen Temperatur erzeugt. Das Verbrennungs-Abgas strömt durch die Ausströmöffnungen 165 in den Außenraum (den äußeren Raum 602) des sechsten rohrförmigen Körpers 160 hinaus.
Danach strömt das Verbrennungs-Abgas in dem äußeren Raum 602 entlang des inneren Zylinders 320 nach oben. Wie vorstehend beschrieben, wird die Wärme des Verbrennungs-Abgases in diesem Fall durch den inneren Zylinder 320 zu dem dritten Raum 383 übermittelt und wird als ein Teil der Wärme verwendet, um die Dampf-Reformierungs-Reaktion aufrechtzuerhalten.
Das Verbrennungs-Abgas, das durch den äußeren Raum 602 hindurch geströmt ist, strömt in dem Abgaskanal 411 nach oben, während es mit der Luft, die durch den Luftkanal 403 hindurch strömt. Wärme austauscht. Nachfolgend strömt das Verbrennungs-Abgas in dem Abgaskanal 412 nach unten und strömt in den Abgaskanal 413 hinein, während es mit der Luft, die durch den Luftkanal 401 hindurch strömt, Wärme austauscht.
Der äußere Zylinder 310 der Reformierungseinheit 30 befindet sich in einem Abschnitt auf der oberen Seite der Trägerplatte 353 in Kontakt mit der inneren Oberfläche des dritten rohrförmigen Körpers 130. Aus diesem Grund weist der äußere Zylinder 310 durch das Verbrennungs-Abgas, das durch den Abgaskanal 413 hindurch strömt, eine hohe Temperatur auf.
Wasser, das von dem Wasserzufuhrrohr 391 in den ersten Raum 381 hinein zugeführt wird, wird zu Wasserdampf, indem es durch einen Wärmetransfer von dem äußeren Zylinder 310 (Wärme des Verbrennungs-Abgases) erwärmt wird. Mit anderen Worten, zwischen dem Wasser und dem Verbrennungs-Abgas wird ein Wärmeaustausch durchgeführt, wodurch in dem ersten Raum 381 Wasserdampf erzeugt wird.
Das Verbrennungs-Abgas, welches durch den Abgaskanal 412 hindurch das untere Ende des Abgaskanals 413 erreicht hat, wird der Abwärme-Wiedergewinnungs-Einheit 62 durch das Gas-Ablassrohr 191 hindurch zugeführt. Die Abwärme-Wiedergewinnungs-Einheit 62 erzeugt heißes Wasser, indem zwischen dem Verbrennungs-Abgas und dem Wasser Wärme ausgetauscht wird. So kann die Brennstoffzellen-Einheit FC über das Durchführen der Erzeugung eines Stroms hinaus heißes Wasser erzeugen und ist ein Kraft-Wärme Kopplungssystem, das Energie mit einer hohen Effizienz nutzt.
Als nächstes wird eine Beschreibung des Flusses von Wasser und Wasserdampf angegeben. Der Reformierungseinheit 30 (dem Verdampfer 301) wird durch das Wasserzufuhrrohr 391 hindurch von der Wasserzufuhrpumpe (nicht gezeigt), die außerhalb des Gehäuses 10 angeordnet ist, Wasser zugeführt. Das Wasserzufuhrrohr 391 ist von unten mit der zweiten unteren Platte 350 verbunden. Daher wird das zugeführte Wasser in einem Raum gespeichert, der in dem unteren Abschnitt des ersten Raums 381 ausgebildet ist. Um genauer zu sein, wird das Wasser in einem Wasserspeicher WS gespeichert, bei dem es sich um einen Raum auf der unteren Seite der Trägerplatte 352 in dem ersten Raum 381 handelt.
Bei dem Wasserspeicher WS handelt es sich um einen Raum, der von einem Teilstück des äußeren Zylinders 310 unterhalb der unteren Platte 183 (im Folgenden wird das Teilstück auch als ”Trennwand 311” bezeichnet), der zweiten unteren Platte 350 sowie einem Teilstück der ersten Trennplatte 360 unterhalb der ersten unteren Platte 340 gebildet wird (im Folgenden wird das Teilstück auch als ”Trennwand 361” bezeichnet).
Die Trennwand 311, die zweite untere Platte 350 und die Trennwand 361 zur Bildung des Wasserspeichers WS weisen Formen wie eine teilweise Verlängerung der unteren Oberfläche der Reformierungseinheit 30 nach unten auf. Die Trennwand 311, die zweite untere Platte 350 und die Trennwand 361 befinden sich sämtlich in dem Raum SP. Mit anderen Worten, die Trennwand 311, die zweite untere Platte 350 und die Trennwand 361 sind in einem Raum angeordnet, der von dem Verbrennungs-Abgas mit einer hohen Temperatur nicht erreicht wird und der sich auf einer relativ niedrigen Temperatur befindet.
Wenngleich der äußere Zylinder 310 durch das Verbrennungs-Abgas erwärmt wird, das durch den Abgaskanal 412 hindurch strömt, ist die Trennwand 311 unterhalb der unteren Platte 183 angeordnet und wird nicht direkt durch das Verbrennungs-Abgas erwärmt. So kocht kein Wasser in dem Wasserspeicher WS, und der gesamte Wasserspeicher WS ist mit Wasser (flüssig) gefüllt.
Da Wasser von der Wasserzufuhrpumpe zugeführt wird, wird der Wasserpegel in dem ersten Raum 381 auf einer etwas höheren Position als der oberen Oberfläche der Trägeplatte 352 gehalten. Daher ist das Wärmetransfer-Verbesserungselement CB (Aluminiumoxid-Kugeln), das in die obere Seite der Trägerplatte 352 gepackt ist, teilweise eingetaucht.
Aufgrund des Wärmetransfers von dem äußeren Zylinder 310, der durch das Verbrennungs-Abgas eine hohe Temperatur erreicht hat, weist das Wärmetransfer-Verbesserungselement CB in dem ersten Raum 381 ebenfalls eine hohe Temperatur auf. Wasser, das oberhalb der Trägerplatte 352 vorhanden ist, kocht und wird zu Wasserdampf, indem es mit dem Wärmetransfer-Verbesserungselement CB, das sich auf der hohen Temperatur befindet, in Berührung kommt.
So wird das Wasser in dem ersten Raum 381 zu Wasserdampf, der nach oben strömt. Danach strömt der Wasserdampf in dem zweiten Raum 382 nach unten lind wird dem dritten Raum 383 (dem Reformer 302) zugeführt.
Bei der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform wird durch ein Umbiegen des Lufterwärmungskanals 40 ein Wärmerückführungs-Teilstück konfiguriert. Unter Bezugnahme auf 5 erfolgt eine Beschreibung. Der Lufterwärmungskanal 40 weist den Luftkanal 401 und den Luftkanal 403 auf. An dem unteren Ende des Luftkanals 401 (auf einer Endseite) ist eine Einströmöffnung 401a bereitgestellt. Das obere Ende des Luftkanals 401 ist mit dem oberen Ende des Luftkanals 403 verbunden. An dem unteren Ende des Luftkanals 403 (der anderen Endseite) ist eine Ausströmöffnung 403b bereitgestellt.
Luft, die aus der Einströmöffnung 401a strömt, nimmt Wärme von dem Gasablasskanal 41 und dem Zellenstapel CS auf, während sie von dem Luftkanal 401 zu dem Luftkanal 403 strömt, und ihre Temperatur steigt an. Luft, die durch die Luftkanäle 401 und 403 hindurch strömt, weist in der Nähe der Ausströmöffnung 403b die höchste Temperatur auf. Da die Ausströmöffnung 403b und die Einströmöffnung 401a nahe beieinander angeordnet sind, findet ein Wärmetransfer HF von der Luft mit einer hohen Temperatur in der Nähe der Ausströmöffnung 403b zu der Luft mit einer niedrigen Temperatur in der Nähe der Einströmöffnung 401a statt. Daher wird ein Wärmerückführungs-Teilstück 50 gebildet, um die Wärme der Luft an der anderen Endseite des Lufterwärmungskanals 40 zu der Luft an der einen Endseite zurückzuführen.
Bei der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform wird eine Konfiguration derart hergestellt, dass der Temperaturanstieg der Luft, während die Luft durch den Luftkanal 401 hindurch strömt, größer als der Temperaturanstieg der Luft ist, während die Luft durch den Luftkanal 403 hindurch strömt, indem der Wärmetransferflächen-Erweiterungsabschnitt 420 bereitgestellt wird. Die Konfiguration, die ermöglicht, dass der Temperaturanstieg der Luft, während die Luft durch den Luftkanal 401 hindurch strömt, größer als der Temperaturanstieg der Luft ist, während die Luft durch den Luftkanal 403 hindurch strömt, ist nicht darauf beschränkt, und es kann auch eine solche Methode wie jene bei einer zweiten Ausführungsform verwendet werden, die nachfolgend zu beschreiben ist.
5 ist ein Schaubild, das eine Brennstoffzellen-Einheit FCB gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. Bei der Brennstoffzellen-Einheit FCB unterscheiden sich lediglich Art und Weisen eines Lufterwärmungskanals 40B, der einen Luftkanal 401B und einen Luftkanal 403B aufweist, und des Gasablasskanals 41B, der einen Abgaskanal 411B und einen Abgaskanal 412B umfasst, von jenen der Brennstoffzellen-Einheit FC.
Die Kanalbreite des Luftkanals 401B ist so konfiguriert, dass sie geringer als die Kanalbreite des Luftkanals 403B ist. Daher nimmt die Luft mehr Wärme aus dem Gasablasskanal 41 auf, während sie durch den Luftkanal 401B hindurch strömt, als während sie durch den Luftkanal 403B hindurch strömt. Daher ist der Temperaturanstieg der Luft, die durch den Luftkanal 401B hindurch strömt, größer als der Temperaturanstieg der Luft, die durch den Luftkanal 403B hindurch strömt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist des Weiteren die Kanalbreite des Abgaskanals 412B so konfiguriert, dass sie geringer als die Kanalbreite des Abgaskanals 411B ist. Mit dieser Konfiguration wird der Wärmeaustausch zwischen dem Abgaskanal 412B und dem Luftkanal 401B beschleunigt, und der Temperaturanstieg der Luft, die durch den Luftkanal 401B hindurch strömt, wird größer als der Temperaturanstieg der Luft, die durch den Luftkanal 403E hindurch strömt.
Wenngleich insbesondere die Temperatur des oberen Abschnitts des Zellenstapels CS tendenziell niedriger als die Temperaturen des mittleren und des unteren Abschnitts ist, strömt die effizient erwärmte Luft von dem Luftkanal 401B von oben durch den Zwischenraum 402 hindurch in den Luftkanal 403B hinein und kann so effizient Wärme an der Oberseite des Zellenstapels CS bereitstellen. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann Wärme effizient an der Oberseite des Zellenstapels CS bereitgestellt werden, da zwischen der oberen Platte 181 und der oberen Platte 185 ein Zwischenraum bereitgestellt ist und Luft, die erwärmt wurde, während sie durch den Luftkanal 401B strömte, ebenfalls in den Zwischenraum eintritt.
Bei der vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsform wird das Wärmerückführungs-Teilstück durch Umbiegen des Lufterwärmungskanals 40B gebildet. Unter Bezugnahme auf 7 erfolgt eine Beschreibung. Der Lufterwärmungskanal 40B umfasst den Luftkanal 401B und den Luftkanal 403B. An dem unteren Ende des Luftkanals 401B (an einer Endseite) ist eine Einströmöffnung 401Ba bereitgestellt. Das obere Ende des Luftkanals 401B ist mit dem oberen Ende des Luftkanals 403B verbunden. An dem unteren Ende des Luftkanals 403B (an der anderen Endseite) ist eine Ausströmöffnung 403Bb bereitgestellt.
Luft, die aus der Einströmöffnung 401Ba geströmt ist, nimmt Wärme aus dem Gasablasskanal 41B und dem Zellenstapel CS auf, während sie von dem Luftkanal 401B zu dem Luftkanal 403B strömt, und ihre Temperatur wird angehoben. Die Luft, die durch die Luftkanäle 401B und 403B hindurch strömt, weist in der Nähe der Ausströmöffnung 403Bb die höchste Temperatur auf. Da die Ausströmöffnung 403Bb und die Einströmöffnung 401Ba nahe beieinander angeordnet sind, findet der Wärmetransfer HF von der Luft mit einer hohen Temperatur in der Nähe der Ausströmöffnung 403Bb zu der Luft mit einer niedrigen Temperatur in der Nähe der Einströmöffnung 401Ba statt. Daher ist ein Wärmerückführungs-Teilstück 50B ausgebildet, um die Wärme der Luft auf der anderen Endseite des Lufterwärmungskanals 40B zu der Luft auf der einen Endseite zurückzuführen.
Wenn dem Wärmetransfer HF von der Luft mit einer hohen Temperatur in der Nähe der anderen Endseite der Lufterwärmungskanäle 40 und 40B zu der Luft mit einer niedrigen Temperatur in der Nähe der einen Endseite Beachtung geschenkt wird, sind der Wärmetransferflächen-Erweiterungsabschnitt 420 bei der ersten Ausführungsform oder die Konzipierung der Kanalbreite bei der zweiten Ausführungsform nicht notwendigerweise unerlässlich. 8 zeigt eine Kanalkonfiguration gemäß der dritten Ausführungsform.
Bei der in 8 gezeigten Brennstoffzellen-Einheit FCD ist ein Lufterwärmungskanal 40D durch einen Luftkanal 401D und einen Luftkanal 403D konfiguriert. Ein Gasablasskanal 41D ist durch einen Abgaskanal 411D und einen Abgaskanal 412D konfiguriert. Bei dem Luftkanal 401D und dem Luftkanal 403D handelt es sich um Kanäle mit der gleichen Breite. Bei dem Abgaskanal 411D und dem Abgaskanal 412D handelt es sich um Kanäle mit der gleichen Breite.
An dem unteren Ende des Luftkanals 401D (an einer Endseite) ist eine Einströmöffnung 401Da bereitgestellt. Das obere Ende des Luftkanals 401D ist mit dem oberen Ende des Luftkanals 403D verbunden. An dem unteren Ende des Luftkanals 403D (an der anderen Endseite) ist eine Ausströmöffnung 403Db bereitgestellt.
Die Luft, die aus der Einströmöffnung 401 Da geströmt ist, nimmt Warme von dem Gasablasskanal 41D und dem Zellenstapel CS auf, und ihre Temperatur wird angehoben, während sie von dem Luftkanal 401D zu dem Luftkanal 403D strömt. Die Luft, die durch die Luftkanäle 401D und 403D hindurch strömt. weist in der Nähe der Ausströmöffnung 403Db die höchste Temperatur auf. Da die Ausströmöffnung 403Db und die Einströmöffnung 401Da nahe beieinander angeordnet sind, findet der Wärmetransfer HF von der Luft mit einer hohen Temperatur in der Nähe der Ausströmöffnung 403Db zu der Luft mit einer niedrigen Temperatur in der Nähe der Einströmöffnung 401Da statt. Daher ist ein Wärmerückführungs-Teilstück 50D ausgebildet, um die Wärme der Luft auf der anderen Endseite des Lufterwärmungskanals 40D zu der Luft auf der einen Endseite zurückzuführen.
Wenn dem Wärmetransfer HF von der Luft mit einer hohen Temperatur in der Nähe der anderen Endseite der Lufterwärmungskanäle 40, 40B und 40D zu der Luft mit einer niedrigen Temperatur in der Nähe der einen Endseite Beachtung geschenkt wird, kann eine andere Methode als die Methode des Umbiegens der Lufterwärmungskanäle 40, 40B und 40D der ersten Ausführungsform bis zur dritten Ausführungsform den Wärmetransfer HF erreichen. 9 zeigt eine Kanalkonfiguration gemäß der vierten Ausführungsform.
Bei der in 9 gezeigten Brennstoffzellen-Einheit FCE weist weder ein Lufterwärmungskanal 40E nach ein Gasablasskanal 41E eine umgebogene Struktur auf, und beide sind als geradlinige Rohrleitungen konfiguriert. An dem oberen Ende (an einer Endseite) des Lufterwärmungskanals 40E ist eine Einströmöffnung 40Ea bereitgestellt. An dem unteren Ende (an der anderen Endseite) des Lufterwärmungskanals 40E ist eine Ausströmöffnung 40Eb bereitgestellt. Luft, die aus der Einströmöffnung 40Ea herein strömt, nimmt Wärme aus dem Gasablasskanal 41D und dem Zellenstapel CS auf und ihre Temperatur wird angehoben, während sie durch den Lufterwärmungskanal 40E hindurch strömt. Die Luft, die durch den Lufterwärmungskanal 40E hindurch strömt, weist in der Nähe der Ausströmöffnung 40Eb die höchste Temperatur auf. Bei der vierten Ausführungsform wird ein Wärmerückführungs-Teilstück 50E bereitgestellt, um die Wärme der Luft auf der anderen Endseite des Lufterwärmungskanals 40E zu der Luft auf der einen Endseite des Lufterwärmungskanals 40E zurückzuführen. Daher findet der Wärmetransfer HF von der Luft mit einer hohen Temperatur in der Nähe der Ausströmöffnung 40Eb zu der Luft mit einer niedrigen Temperatur in der Nähe der Einströmöffnung 40Ea statt.
10 zeigt ein spezifisches Beispiel des Wärmerückführungs-Teilstücks 50E. Ein in 10 gezeigtes Wärmerückführungs-Teilstück 50E1 umfasst eine Pumpe 50E1a sowie ein Wärmerückführungsrohr 50E1b. Das Wärmerückführungsrohr 50E1b verbindet die obere Endseite (eine Endseite) und die untere Endseite (die andere Endseite) des Lufterwärmungskanals 40E. Die Pumpe 50E1a ist nebenbei in dem Wärmerückführungsrohr 50E1b bereitgestellt. Durch Antreiben der Pumpe 50E1a kann die Luft mit einer hohen Temperatur auf der unteren Endseite des Lufterwärmungskanals 40E (auf der anderen Endeseite) der oberen Endseite (der einen Endseite) zugeführt werden. Daher wird der Wärmetransfer HF von der Luft mit einer hohen Temperatur in der Nähe der Ausströmöffnung 40Eb zu der Luft mit einer niedrigen Temperatur in der Nähe der Einströmöffnung 40Ea erzeugt.
11 zeigt ein spezifisches Beispiel des Wärmerückführungs-Teilstücks 50E. Ein in 11 gezeigtes Wärmerückführungs-Teilstück 50E2 besteht aus einem Wärmerohr. In dem Wärmerückführungs-Teilstück 50E2 ist ein Betriebsfluid eingeschlossen. Das Wärmerückführungs-Teilstück 50E2 ist von der oberen Endseite (der einen Endseite) des Lufterwärmungskanals 40E bis zu der unteren Endseite (der anderen Endseite) bereitgestellt. Die Temperatur wird durch die heiße Luft auf der unteren Endseite des Wärmerückführungs-Teilstücks 50E2 (der anderen Endseite) angehoben. Wenn die Temperatur der unteren Endseite des Wärmerückführungs-Teilstücks 50E2 (der anderen Endseite) ansteigt, steigt die Temperatur des Betriebsfluids, das in dem Teilstück eingeschlossen ist, ebenfalls an, und das Betriebsfluid erfährt eine Konvektion in Richtung zu der oberen Endseite hin (der einen Endseite). Wenn das Wärmerückführungs-Teilstück 50E2 durch ein Wärmerohr gebildet ist, kann Wärme von der unteren Endseite des Lufterwärmungskanals 40E (der anderen Endseite) zu der oberen Endseite (der einen Endseite) wandern, ohne dass eine Stromquelle verwendet wird.
Es wurde eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Das heißt, Ausführungsformen, die von einem Fachmann durch Hinzufügen einer Entwurfsänderung zu diesen Ausführungsformen hergestellt wurden, liegen entsprechend ebenfalls innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung, solange sie die Merkmale der vorliegenden Offenbarung umfassen. Jedes Element und seine Anordnung, Materialien, Bedingungen, Formen und Abmessungen etc., die in den vorstehend erwähnten Beispielen enthalten sind, können zum Beispiel in geeigneter Weise geändert werden, ohne auf jene dargestellten beschränkt zu sein. Des Weiteren können Elemente, die in den vorstehend beschriebenen Ausführungsform enthalten sind, kombiniert werden, solange dies technisch machbar ist, und die Kombination derselben liegt ebenfalls innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung, solange sie die Merkmale der vorliegenden Offenbarung umfasst.

Claims

Brennstoffzellen-Einheit für die Erzeugung eines elektrischen Stroms durch ein Brennstoffgas und ein oxidierendes Wirkstoffgas, wobei die Brennstoffzellen-Einheit aufweist: einen Reformer (302), der ein Rohmaterial-Gas reformiert, um das Brennstoffgas zu erzeugen; einen Heizkanal (40, 40B, 40D, 40E, 40E2), der das oxidierende Wirkstoffgas erwärmt, indem ermöglicht wird, dass das oxidierende Wirkstoffgas durch einen Heizkanal hindurch strömt; einen Zellenstapel (CS), der einen elektrischen Strom erzeugt, indem er eine Zufuhr des Brennstoffgases und des oxidierenden Wirkstoffgases empfängt, das durch den Erwärmungskanal erwärmt wurde; einen Ablasskanal (41, 41B, 41D, 41E), der ermöglicht, dass durch Verbrennen des Brennstoffgases, das aus dem Zellenstapel abgelassen wird und durch den Ablasskanal hindurch strömt, ein Verbrennungs-Abgas hergestellt wird; eine Einströmöffnung (401a, 401Ba, 401Da und 40Ea), die auf einer Endseite des Heizkanals bereitgestellt ist; eine Ausströmöffnung (403b, 403Bb, 403Db und 40Eb), die auf der anderen Endseite des Heizkanals bereitgestellt ist, wobei das oxidierende Wirkstoffgas, das aus der Einströmöffnung strömt, Wärme von dem Zellenstapel und dem Ablasskanal aufnimmt und aus der Ausströmöffnung heraus strömt; und ein Wärmerückführungs-Teilstück (50, 50B, 50D, 50E, 50E1, 50E2), das Wärme des oxidierenden Wirkstoffgases auf der anderen Endseite zu dem oxidierenden Wirkstoffgas auf der einen Endseite zurückführt.
Brennstoffzellen-Einheit nach Anspruch 1, wobei das Wärmerückführungs-Teilstück (50, 50B und 50D) so konfiguriert ist, dass zumindest der Heizkanal so zurück gebogen ist, dass die eine Endseite und die andere Endseite nahe beieinander angeordnet sind.
Brennstoffzellen-Einheit nach Anspruch 2, wobei der Heizkanal einen ersten Kanalabschnitt (401, 401B, 401D), der von unten nach oben führt, sowie einen zweiten Kanalabschnitt (403, 403B, 403D) umfasst, der mit dem ersten Kanalabschnitt verbunden ist und von oben nach unten führt; der Ablasskanal einen dritten Kanalabschnitt (411, 411B, 411D), der von unten nach oben führt, sowie einen vierten Kanalabschnitt (412, 412B, 412D) umfasst, der mit denn dritten Kanalabschnitt verbunden ist und von oben nach unten führt; der zweite Kanalabschnitt so konfiguriert ist, dass er eine Strahlungswärme von dem Zellenstapel aufnimmt, indem er so angeordnet ist, dass er den Zellenstapel umgibt; und der dritte Kanalabschnitt, der vierte Kanalabschnitt und der erste Kanalabschnitt in dieser Reihenfolge außerhalb des zweiten Kanalabschnitts derart angeordnet sind, dass der erste Kanalabschnitt Wärme von dem vierten Kanalabschnitt aufnimmt und der zweite Kanalabschnitt Wärme von dem dritten Kanalabschnitt aufnimmt.
Brennstoffzellen-Einheit nach Anspruch 3, wobei ein Temperaturanstieg des oxidierenden Wirkstoffgases, während das oxidierende Wirkstoffgas durch den ersten Kanalabschnitt hindurch strömt, größer als ein Temperaturanstieg des oxidierenden Wirkstoffgases ist, während das oxidierende Wirkstoffgas durch den zweiten Kanalabschnitt hindurch strömt.
Brennstoffzellen-Einheit nach Anspruch 3, wobei zumindest einer von dem ersten Kanalabschnitt und dem vierten Kanalabschnitt einen Wärmetransferflächen-Erweiterungsabschnitt (420, 420A) umfasst.
Brennstoffzellen-Einheit nach Anspruch 3, wobei eine Kanalbreite des ersten Kanalabschnitts (401B) so konfiguriert ist, dass sie geringer als eine Kanalbreite des zweiten Kanalabschnitts (403B) ist.
Brennstoffzellen-Einheit nach Anspruch 6, wobei eine Kanalbreite des vierten Kanalabschnitts (412B) so konfiguriert ist, dass sie geringer als eine Kanalbreite des dritten Kanalabschnitts (411B) ist.