JP2006273635A - 改質器及び燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 改質器4は、下向き仕切り板414と上向き仕切り板413が設けられており、改質用燃料が下方向に流れる下方向流路431と、下方向流路431を流れてきた改質用燃料が上方向に流れる上方向流路432と、下方向流路431と上方向流路432を下部で連通させる連通流路433が形成され、また、改質用燃料が上方向に流れる上方向流路432と、上方向流路432を流れてきた改質用燃料が下方向に流れる下方向流路431と、上方向流路432と下方向流路431を上部で連通させる連通流路434が形成される。
【選択図】 図1
Description
図7は、従来例に係る固体酸化物形燃料電池システムの、基本的な構成を説明するための概略ブロック図を示している。
同図において、SOFCシステム100は、灯油等の石油系燃料を原燃料とした固体酸化物形燃料電池システムであり、水を約200℃の水蒸気とする加熱手段110と、灯油を約200℃にて脱硫する脱硫器111と、水蒸気及び脱硫された灯油を混合するとともに気化させる気化器112と、気化された改質用燃料を約700〜800℃で改質反応させ、水素リッチな改質ガスを生成する改質器140と、改質ガス及び空気等の酸化剤ガスを電気化学反応させる燃料電池130と、改質器140と燃料電池130を収納する燃焼室120と、燃料電池130にて発生した直流(DC)電力を交流(AC)電力に変換するインバータ113を備えている。
また、改質器140は、一般的に、水平方向に設置され、容器内部を改質用燃料ガスがほぼ水平方向に流れる構成としてあり、燃焼室120のスペースを有効利用することができる。
なお、燃料電池130は、複数のセル(図示せず)が内蔵されているが、セルの型(たとえば、平板型セルや円筒縦縞型セルなど)やセルを集合させたスタック,バンドルの構成等について、特に限定されるものではない。また、支持板141として、多数の通気孔が穿設された金属板や多孔質のセラミック板などが用いられる。
この技術によれば、セル全体を過不足なくほぼ均一に冷却して、セルの信頼性および耐久性の向上を実現するとともに、高出力化および高効率化をも実現し、加えて、自動車搭載時に要求される小型化にも対応することができる。
さらに、隙間143及びその近傍の改質触媒142におけるコーキングや、改質器140と燃料電池130の間に設けられた配管や熱交換器等の機器におけるコーキングによる閉塞トラブルなどが発生するといった問題があった。
このようにすると、充填された改質触媒の上部に隙間が形成されても、改質器に供給された改質用燃料が上記隙間を吹き抜けて、未改質の改質用燃料が燃料電池に供給されるといった不具合を防止することができる。
このようにすると、構造を単純化でき、また、たとえば、各仕切り板を改質器本体に溶接することにより、容易に製造することができる。
このようにすると、改質用燃料が改質触媒の上部に形成される隙間を吹き抜けて、未改質の改質用燃料が燃料電池に供給されるといった不具合をより確実に防止することができる。
このようにしても、構造を単純化でき、また、たとえば、管を曲げ加工することにより、容易に製造することができる。
このようにしても、構造を単純化でき、また、たとえば、プレス加工又は一体成形された上板と下板を接合することにより、容易に製造することができる。
このようにすると、縦断面ほぼU字状の上板及び下板が波型に成形されることにより、受熱面積が増加するので伝熱効率を向上させることができる。
このようにしても、構造を単純化でき、また、たとえば、容器と仕切り部材を、別個に製造し組み立てることにより、容易に製造することができる。
このようにすると、改質器を小型化できるとともに、改質器の熱効率を向上させることができるので、燃料電池の発電効率を向上させることができ、また、製造原価のコストダウンを図ることができる。
このようにすると、改質器が、燃料電池を熱源とするので、エネルギー効率を向上させることができる。
また、本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池の発電効率を向上させることができるとともに、製造原価のコストダウンを図ることができる。
図1は、本発明の第一実施形態に係る改質器の概略図であり、(a)は平面図を、(b)は正面図を、(c)はA−A断面図を示している。
同図において、改質器4は、ほぼ長方体状の容器41と、容器41の両側にそれぞれ設けられた供給配管421及び排出配管422と、容器41内部に設けられた複数の上向き仕切り板413及び下向き仕切り板414と、容器41に充填された改質触媒142と、改質触媒142を容器41内に閉じ込める支持板141を備えた構成としてある。
なお、改質器4は、上記従来例の改質器140と比較して、複数の上向き仕切り板413及び下向き仕切り板414を設けた点が相違する。他の構成要素はほぼ改質器140と同様としてある。したがって、図1において、図8と同様の構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
なお、本実施形態では、耐熱性を有する金属板を溶接して製作してあるが、これに限定されるものではなく、たとえば、金属板をプレス加工したり、あるいは、セラミック等の耐熱材料を用いて一体成形により製作してもよい。
これにより、改質器4は、改質用燃料が上方から下方向に流れる下方向流路431と、下方向流路431を流れてきた改質用燃料が上方向に流れる上方向流路432と、下方向流路431と上方向流路432を下部で連通させる連通流路433が形成される。また、改質用燃料が下方から上方向に流れる上方向流路432と、上方向流路432を流れてきた改質用燃料が下方向に流れる下方向流路431と、上方向流路432と下方向流路431を上部で連通させる連通流路434が形成される。
このようにすると、充填された改質触媒142の上部に隙間144が形成されても、改質器4に供給された改質用燃料が上記隙間144を吹き抜けて、未改質の改質用燃料が燃料電池130に供給されるといった不具合を防止することができる。
なお、改質器4は、改質用燃料を全体としてほぼ水平方向かつ直線的に(左側から右側に)流す構成としてあるが、全体的な流れ方向は直線的に流れる場合に限定されるものではなく、たとえば、改質用燃料を全体としてほぼ水平方向かつ曲線的に(たとえば、U字状、円弧状など)流す構成としてもよい。このようにすると、様々な構成の燃料電池130に容易に対応でき、かつ、熱効率を向上させることができる。
なお、本実施形態では、上部容器411の両側板4112と上向き仕切り板413によって形成される流路を含めると、三つの上方向流路432,連通流路434及び下方向流路431と、二つの下方向流路431,連通流路433及び上方向流路432を交互に連結した構成としてあるが、各流路の数は上記の数に限定されるものではない。たとえば、一つ以上の上方向流路432,連通流路434及び下方向流路431、又は、下方向流路431,連通流路433及び上方向流路432を有することにより、本発明の効果を発揮することができる。
図2は、本発明の第二実施形態に係る改質器の要部の概略図であり、(a)は上面図を、(b)はB−B断面図を示している。
同図において、改質器4aは、第一実施形態と比較して、容器41の代わりに、水平方向にらせん状に成形した管41aを使用した点が相違する。他の構成要素は第一実施形態と同様としてある。
したがって、図2において、図1と同様の構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
このようにすると、充填された改質触媒142の上部に隙間144が形成されても、改質器4aに供給された改質用燃料が上記隙間144を吹き抜けて、未改質の改質用燃料が燃料電池130に供給されるといった不具合を防止することができる。
なお、本実施形態では、金属製の円管41aを六回巻きした構造としてあるが、上記流路432a,434a及び431aが形成されていればよく、この構造(たとえば、巻き数,材質,スパイラルの径,管41aの断面形状および太さ等)に限定されるものではない。たとえば、矩形管を側面方向から見ると三角形状に巻いた構造としてもよい。さらに、複数の容器41aを並列に並べて板状に集合させた構成としてもよい。
図3は、本発明の第三実施形態に係る改質器の概略図であり、(a)は平面図を、(b)は正面図を、(c)はC−C断面図を示している。
同図において、改質器4bは、第一実施形態と比較して、上部容器411b及び下部容器412bをほぼU字状にプレス成形し、斜め下方向に改質用燃料を流す下方向流路431bと、下方向流路431bを流れてきた改質用燃料を斜め上方向に流す上方向流路432bと、下方向流路431bと上方向流路432bを下部で連通させる連通流路433bが形成され、さらに、斜め上方に改質用燃料を流す上方向流路432bと、上方向流路432bを流れてきた改質用燃料を斜め下方向に流す下方向流路431bと、上方向流路432bと下方向流路431bを上部で連通させる連通流路434bを設けた点が相違する。他の構成要素は第一実施形態と同様としてある。
したがって、図3において、図1と同様の構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
また、流路外周部415b及び仕切り部413bは、改質用燃料の全体的な流れ方向に対して直角方向に峰状に形成され、流路外周部416b及び仕切り部414bは、改質用燃料の全体的な流れ方向に対して直角方向に溝状に形成されている。さらに、容器41bは、流路外周部416bのほぼ中央部に仕切り部414bが装入され、流路外周部415bのほぼ中央部に仕切り部413bが装入される構造としてある。
さらに、下部容器412bの表面積が増加するので伝熱効率が向上し、燃料電池130からの熱を効率よく吸収することができ、熱効率を向上させることができる。
なお、本実施形態では、耐熱性を有する金属板をプレス成形した後溶接して製作してあるが、これに限定されるものではなく、たとえば、セラミック等の耐熱材料を用いて一体成形した上部容器と下部容器を接合して製作してもよい。また、流路外周部415b,416b及び仕切り部413b,414bは、ほぼ縦断面U字状であればよく、たとえば、三角屋根状の形状としてもよい。
図4は、本発明の第四実施形態に係る改質器の要部の概略図であり、(a)は平面図を、(b)は正面図を、(c)はD−D断面図を示している。
同図において、改質器4bは、第一実施形態と比較して、容器41に上向き仕切り板413及び下向き仕切り板414を設ける代わりに、容器41内の下部に仕切り部材452を設けた点が相違する。他の構成要素は第一実施形態と同様としてある。
したがって、図4において、図1と同様の構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
図5は、本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの、基本的な構成を説明するための概略ブロック図を示している。
同図において、SOFCシステム1は、従来例のSOFCシステム100と比較して、改質器140の代わりに、上記改質器4(又は,4a,4b,4c,4d)を設けた点が相違する。他の構成要素は従来例と同様としてある。
したがって、図5において、図7と同様の構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
なお、改質器4は、燃料電池130の上部に設けられる構成に限定されるものではなく、たとえば、燃料電池130が平板型セルの場合、積層されるセル又はスタックの間に設けられる構成としてもよい。
また、原燃料として、全国において流通システムが確立されており入手しやすく、比較的取扱いが容易である灯油を使用することができ、この場合には、使い勝手がよく、普及しやすい燃料電池を提供することができる。
例えば、改質器4,4a,4b,4c,4dのサイズや材質は、特に限定されるものではなく、また、使用される燃料電池のタイプも限定されるものではない。さらに、原燃料は、灯油などの液体炭化水素に限らず、都市ガスなど、微量の炭素数が2以上の炭化水素を含むガス体燃料にも適用することができる。
4,4a,4b,4c,4d 改質器
41,41b,41d 容器
41a 管
110 加熱手段
111 脱硫器
112 気化器
113 インバータ
120 燃焼室
130 燃料電池
140 改質器
141 支持板
142 改質触媒
143 隙間(吹き抜け流路)
144 隙間
411,411b,411d 上部容器
412,412b,412d 下部容器
413 上向き仕切り板
413b 仕切り部
414,414d 下向き仕切り板
414b 仕切り部
415b 流路外周部
416b 流路外周部
421 供給配管
422 排出配管
431,431a,431b,431c,431d 下方向流路
432,432a,432b,432c,432d 上方向流路
433,433b 連通流路
434,434a,434b,434c,434d 連通流路
451 三角柱
452 仕切り部材
453 整流板
4111 上板
4112 側板
4121 下板
4511,4512,4521,4522 斜面
Claims (9)
- 改質用燃料から改質ガスを生成し、該改質ガスを燃料電池に供給する、改質触媒が充填された改質器であって、
前記改質用燃料が下方から上方に流れる、前記改質触媒が密に充填された上方向流路と、
前記改質用燃料が上方から下方に流れる、前記改質触媒が密に充填された下方向流路と、
前記上方向流路と下方向流路を上部又は下部で連通させる連通流路と、
を具備することを特徴とした改質器。 - 前記上方向流路と下方向流路及び連通流路を、箱状の容器内の下面から上方に向かって突設され、上面との間に隙間を形成する上向き仕切り板,又は,前記容器内の上面から下方に向かって突設され、下面との間に隙間を形成する下向き仕切り板によって構成したことを特徴とした請求項1記載の改質器。
- 前記上向き仕切り板と下向き仕切り板を交互に複数突設し、前記上方向流路と下方向流路及び連通流路を複数連続して設けたことを特徴とした請求項2記載の改質器。
- 横向きのらせん状に成形された管によって、前記上方向流路,連通流路及び下方向流路を一以上形成したことを特徴とした請求項1記載の改質器。
- 縦断面ほぼU字状の流路部材を形成し、該縦断面U字状の流路部材の一側縦流路を前記上方向流路とし、他側縦流路を前記下方向流路とし、かつ、前記両縦流路の接合部分を前記連通流路としたことを特徴とした請求項1記載の改質器。
- 前記流路部材を、前記流路が上下方向において交互に連続するように接続して、前記上方向流路と下方向流路及び連通流路を複数設けたことを特徴とした請求項5記載の改質器。
- 前記改質触媒が充填される容器と、前記容器内の上部又は下部に設けられる縦断面山形状の仕切り部材を備え、前記仕切り部材の両斜面によって、前記上方向流路及と下方向流路を形成し、かつ、前記仕切り部材の両斜面の交線部分に、前記連通流路を形成したことを特徴とした請求項1記載の改質器。
- 改質用燃料から改質ガスを生成し、該改質ガスを燃料電池に供給する改質器を備えた燃料電池システムであって、
上記請求項1〜7に記載した改質器を備えたことを特徴とした燃料電池システム。 - 前記燃料電池システムが、固体酸化物形燃料電池システムであり、かつ、前記改質器が、前記燃料電池の上部及び/又は内部に配置されたことを特徴とした請求項8記載の燃料電池システム。
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