JP2006331881A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に関し、特に、発電・燃焼室内に、複数の固体電解質形燃料電池セルを装着した燃料ガスマニホールドと、被改質ガスを燃料ガスへ改質する改質器とを有する燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and in particular, a fuel having a fuel gas manifold in which a plurality of solid oxide fuel cells are mounted in a power generation / combustion chamber, and a reformer for reforming a reformed gas into a fuel gas. It relates to batteries.
次世代エネルギーとして、近年、固体電解質形燃料電池セルをハウジング内に複数収容した燃料電池が種々提案されている。固体電解質形燃料電池セルは、例えば、酸素側電極の表面に固体電解質、燃料側電極を順次形成して構成されており、燃料側電極側に燃料(水素)を流し、酸素側電極側に空気(酸素)を流して発電される。 In recent years, various fuel cells in which a plurality of solid electrolyte fuel cells are accommodated in a housing have been proposed as next-generation energy. A solid electrolyte fuel cell is configured, for example, by sequentially forming a solid electrolyte and a fuel side electrode on the surface of an oxygen side electrode, and fuel (hydrogen) is flowed to the fuel side electrode side, and air is supplied to the oxygen side electrode side. Electricity is generated by flowing (oxygen).
従来、固体電解質形燃料電池セルの一端部を燃料ガスマニホールドの天板に立設し、燃料ガスマニホールド上に複数の燃料電池セルからなる1つのセルスタックを設け、このセルスタックの上方に改質器を設けた燃料電池が知られている(特許文献1参照)。さらに、本出願人は、複数のセルスタックをそれぞれ燃料ガスマニホールドに立設し、複数のセルスタックの上方にそれぞれ改質器を設けた燃料電池についても出願した(特許文献2参照)。 Conventionally, one end of a solid oxide fuel cell is erected on a top plate of a fuel gas manifold, and a single cell stack composed of a plurality of fuel cells is provided on the fuel gas manifold, and reforming is performed above the cell stack. A fuel cell provided with a vessel is known (see Patent Document 1). Furthermore, the applicant has filed an application for a fuel cell in which a plurality of cell stacks are erected on a fuel gas manifold and a reformer is provided above the plurality of cell stacks (see Patent Document 2).
例えば、図9は、特許文献2に記載された燃料電池の主要部を示したものである。1つのセルスタックは、複数の燃料電池セルを一列に配列させて形成される。発電・燃焼室内に、複数のセルスタック141、142、143、144が複数の燃料ガスマニホールド161、162、163、164上にそれぞれ立設されている。また、複数のセルスタックの上方には、複数の改質器131、132、133、134がそれぞれ配置されている。各改質器には被改質ガスが供給され、改質された後の燃料ガスは、各改質器から各燃料ガスマニホールドへ移送される。このような燃料電池では、複数の改質器の各々に対して複数の被改質ガス供給管111、112、113、114により被改質ガスをそれぞれ供給し、複数の改質器からの燃料ガスを複数の改質ガス供給管122、123、124等により複数の燃料ガスマニホールドにそれぞれ供給する。そして各燃料ガスマニホールドから各セルスタックに燃料ガスが供給される。
従来の燃料電池では、各セルスタック毎に被改質ガス供給管、改質器及び燃料ガス供給管を設けていたため、配管数が多く、小型化を達成できず、構造が複雑であるという問題があった。さらに、それぞれの被改質ガス供給管からそれぞれの改質器に供給されるガス量、それぞれの改質器からそれぞれの燃料ガスマニホールドに供給されるガス量が不均一となる虞があり、結果的に各セルスタックへ供給される燃料ガス量が不均一となる虞があった。それにより、燃料電池の性能や耐久性に悪影響を与える虞があった。 In the conventional fuel cell, the reformed gas supply pipe, the reformer, and the fuel gas supply pipe are provided for each cell stack. Therefore, the number of pipes is large, miniaturization cannot be achieved, and the structure is complicated. was there. Furthermore, there is a possibility that the amount of gas supplied from each reformed gas supply pipe to each reformer and the amount of gas supplied from each reformer to each fuel gas manifold may be uneven. In particular, the amount of fuel gas supplied to each cell stack may be non-uniform. As a result, the performance and durability of the fuel cell may be adversely affected.
また、各セルスタック毎に燃料ガスマニホールドに設けていたため、燃料ガスマニホールドが邪魔になり、セルスタック間の距離を狭めることができず、セル間間隔が広くなり、熱が放散しやすくなり、発電しうる温度に保持することが困難であるという問題があった。また、小型化を達成できないという問題もあった。さらに、各燃料ガスマニホールドへの配管が複雑であるとともに、燃料ガスマニホールドへのガス供給量が不均一となり、燃料電池の性能や耐久性に悪影響を与える虞があった。 In addition, since the fuel gas manifold is provided for each cell stack, the fuel gas manifold is in the way, the distance between the cell stacks cannot be reduced, the distance between the cells is widened, and heat is easily dissipated. There was a problem that it was difficult to maintain the temperature. There is also a problem that miniaturization cannot be achieved. Further, the piping to each fuel gas manifold is complicated, and the amount of gas supplied to the fuel gas manifold becomes non-uniform, which may adversely affect the performance and durability of the fuel cell.
本発明の目的は、発電・燃焼室における配管数を低減し、発電温度を容易に保持できるようにするとともに、簡単な構造で小型化を達成できる発電性能及び耐久性が良好な燃料電池を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a fuel cell that reduces the number of pipes in a power generation / combustion chamber, makes it possible to easily maintain a power generation temperature, and achieves downsizing with a simple structure and good durability. There is to do.
上記の目的を達成するべく本発明は、以下の構成を提供する。
(1)請求項1に係る燃料電池は、ハウジング内に設けた発電・燃焼室内にて、複数の固体電解質形燃料電池セルを前後方向に一列に配列したセルスタックを、左右方向に複数配列させたセルスタック集合体と、前記セルスタック集合体の各燃料電池セルに燃料ガスを供給するべく該各燃料電池セルを装着した1つの燃料ガスマニホールドと、前記セルスタック集合体の上方に設けた改質器とを有し、前記改質器が、水平面内で互いに平行に配置される往路ケース及び復路ケースと、該往路ケースと該復路ケースの端部同士を連結する連結ケースとを具備する略U字形状でありかつその一部に改質触媒を収容し、該往路ケースに被改質ガスが供給されかつ該復路ケースから燃料ガスが送出されることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following configurations.
(1) In the fuel cell according to
(2)請求項2に係る燃料電池は、請求項1において、前記セルスタック集合体が、前記セルスタックを同数ずつ含む左側セルスタック群と右側セルスタック群とから構成され、いずれか一方のセルスタック群の上方にて前記往路ケースが前後方向に延在し、他方のセルスタック群の上方にて前記復路ケースが前後方向に延在することを特徴とする。
(2) The fuel cell according to
(3)請求項3に係る燃料電池は、請求項2において、前記セルスタック集合体の含むセルスタックの数が2つまたは4つであることを特徴とする。
(3) The fuel cell according to claim 3 is characterized in that, in
(4)請求項4に係る燃料電池は、請求項1〜3のいずれかにおいて、前記発電・燃焼室の上側に配置された酸素含有ガス室から該発電・燃焼室内に垂下する複数の酸素含有ガス導入管を有し、該複数の酸素含有ガス導入管の一部が前記往路ケースと前記復路ケースの間を通り前記セルスタック間に挿入配置されていることを特徴とする。
(4) The fuel cell according to claim 4 is the fuel cell according to any one of
(5)請求項5に係る燃料電池は、請求項4において、前記複数の酸素含有ガス導入管の別の一部が、前記セルスタック集合体の左右外側にそれぞれに挿入配置されていることを特徴とする。 (5) The fuel cell according to claim 5 is the fuel cell according to claim 4, wherein another part of the plurality of oxygen-containing gas introduction pipes is inserted and arranged on each of the left and right outer sides of the cell stack assembly. Features.
(6)請求項6に係る燃料電池は、請求項4または5において、前記酸素含有ガス導入管が挿入配置されていない前記セルスタック間に断熱材を配置したことを特徴とする。 (6) The fuel cell according to claim 6 is characterized in that, in claim 4 or 5, a heat insulating material is arranged between the cell stacks in which the oxygen-containing gas introduction pipe is not inserted.
(7)請求項7に係る燃料電池は、請求項1〜6のいずれかにおいて、前記改質器の一部に気化部が設けられていることを特徴とする。
(7) The fuel cell according to claim 7 is characterized in that in any one of
(8)請求項8に係る燃料電池は、請求項1〜7のいずれかにおいて、前記セルスタック集合体の前後方向端部にて前記燃料ガスマニホールドと連通して立設された燃料ガス導入ケースと、前記改質器の前記復路ケースと前記燃料ガス導入ケースの上部とを連結する燃料ガス移送管とを有することを特徴とする。
(8) The fuel cell according to claim 8 is the fuel gas introduction case according to any one of
・請求項1に係る燃料電池は、発電・燃焼室内にて、左右方向に複数列配置させたセルスタック集合体の上方に設けた改質器が、略U字形状を形成する往路ケース、連結ケース及び復路ケースを具備し、その一部に改質触媒を収容し、往路ケースに被改質ガスが供給され、復路ケースから改質された燃料ガスが送出される。すなわち、被改質ガスが往路ケースから連結ケースへ、そして復路ケースへと流れる過程で、改質触媒により改質されて燃料ガスとなり送出される。従って、被改質ガスから燃料ガスへと改質する工程のガス経路が1つの略U字形状の改質器に統合される。これにより、従来技術における如く複数の配管でそれぞれ被改質ガスを分配供給する場合の供給量の不均一を解消できる。この結果、不均一なガス分配に起因する不具合を生じない。また、複数の複雑な配管を簡略化できることによりコストも低減される。
In the fuel cell according to
また、改質器を略U字形状としたことにより、互いに平行に配置される往路ケースと復路ケースの間に、酸素含有ガス導入管を通すためのスペースが確保できる。これは、発電・燃焼室の上側に設けた酸素含有ガス室から酸素含有ガスを発電・燃焼室内に導入する場合に有用である。 In addition, since the reformer has a substantially U shape, a space for passing the oxygen-containing gas introduction pipe can be secured between the forward case and the backward case arranged in parallel to each other. This is useful when oxygen-containing gas is introduced into the power generation / combustion chamber from the oxygen-containing gas chamber provided above the power generation / combustion chamber.
さらに、改質器を略U字形状としたことにより、往路ケースと復路ケースが平行に、すなわち隣り合って配置されることになる。例えば、往路ケースの一部に水を供給して水蒸気を発生させる気化部を設けると、その下方に位置するセルスタック群の温度低下を生じやすいが、往路ケースと隣り合う復路ケースは高温に保持されているため、気化部による温度低下を補い緩和する作用がある。 Furthermore, by making the reformer substantially U-shaped, the forward path case and the backward path case are arranged in parallel, that is, adjacent to each other. For example, if a vaporization unit that supplies water to a part of the forward case to generate water vapor is provided, the temperature of the cell stack group located below it is likely to decrease, but the return case adjacent to the forward case is kept at a high temperature. Therefore, it has an effect of compensating for and mitigating the temperature decrease due to the vaporization part.
さらに、発電・燃焼室では、発電に供せられなかった燃料ガス及び酸素含有ガスが燃焼されて燃焼ガスが生じ、発電・燃焼室から排出されるが、改質器を略U字形状としたことにより、セルスタック集合体の前後左右からだけでなく、略U字形状の改質器の中央のスペースからも排出することができ、効率的である。 Further, in the power generation / combustion chamber, the fuel gas and oxygen-containing gas that have not been used for power generation are combusted to generate combustion gas, which is discharged from the power generation / combustion chamber, but the reformer has a substantially U shape. Thus, it is possible to discharge not only from the front, rear, left and right of the cell stack assembly but also from the central space of the substantially U-shaped reformer, which is efficient.
また、セルスタック集合体を1つの燃料ガスマニホールドに装着することにより、セルスタック同士の間隔を狭め、燃料電池セルの配設密度を高めることができ、発電温度を容易に保持できるとともに、小型化できる。また、改質器により改質された燃料ガスを、燃料ガスマニホールドに集約して供給し、燃料電池セル内に供給することができる。これにより、複数の燃料ガスマニホールドに分割して供給する必要がないため、燃料ガスの供給量が不均一になることがない。結果的に、燃料電池セルへの燃料ガス供給のムラを解消できる。よって、燃料電池の性能や耐久性に与える悪影響を低減できる。複数の複雑な配管を排除できるためコストも低減できる。 In addition, by attaching the cell stack assembly to one fuel gas manifold, the distance between the cell stacks can be reduced, the density of the fuel cells can be increased, the power generation temperature can be easily maintained, and the size can be reduced. it can. Further, the fuel gas reformed by the reformer can be collectively supplied to the fuel gas manifold and supplied into the fuel cell. Thereby, since it is not necessary to divide and supply to several fuel gas manifolds, the supply amount of fuel gas does not become non-uniform | heterogenous. As a result, uneven fuel gas supply to the fuel cells can be eliminated. Therefore, adverse effects on the performance and durability of the fuel cell can be reduced. The cost can be reduced because a plurality of complicated pipes can be eliminated.
・請求項2に係る燃料電池は、請求項1においてさらに、セルスタック集合体が、左右方向の中央で左側セルスタック群と右側セルスタック群に分けられ、それぞれ同じ個数のセルスタックを含む。言い換えるならば、セルスタック集合体が全部で偶数個のセルスタックを有する。そして、いずれか一方のセルスタック群の上方に往路ケースが、他方のセルスタック群の上方に復路ケースが延在する。これにより、セルスタック集合体全体の上方を略U字形状の改質器でバランスよく覆うことができ、発電・燃焼室内での温度維持に寄与し、温度の不均一を防ぐことができる。
The fuel cell according to
・請求項3に係る燃料電池は、請求項2においてさらに、セルスタック集合体の含むセルスタックの数が2列または4列である。すなわち、左側と右側のセルスタック群にそれぞれ1列または2列のセルスタックが含まれる。実用上、最も一般的な容量の1つである1kW分の燃料電池セルを1つの燃料ガスマニホールドに装着する場合、1列ではセルスタックの長さが長くなり、燃料電池の全体形状が極めて長い直方体となるので放熱面積が大きくなり、熱自立に不利となる。従って、燃料電池セルの全体数が同じ場合は、2列、4列とすることにより長さを減じ、放熱面積が最小に近い全体形状を実現できる。これにより熱放散を低減する。
The fuel cell according to claim 3 is the fuel cell according to
・請求項4に係る燃料電池は、請求項1〜3のいずれかにおいて、発電・燃焼室の上側に配置された酸素含有ガス室から垂下する複数の酸素含有ガス導入管の一部が往路ケースと復路ケースの間のスペースを通り、セルスタック間に挿入配置されている。本発明では、発電・燃焼室におけるセルスタック集合体と天井との間に往路ケースと復路ーケースが介在するため、酸素含有ガス導入管を上方から垂下させる箇所がある程度制限されるが、略U字形状の改質器の中央スペースを利用することにより、高温の酸素含有ガスを速やかにセルスタック間に導入することができる。
The fuel cell according to claim 4 is the fuel cell according to any one of
・請求項5に係る燃料電池では、請求項4においてさらに、複数の酸素含有ガス導入管の別の一部が、セルスタック集合体の左右外側にそれぞれに挿入配置されている。すなわち、中央の2つのセルスタック間と、左右両端のセルスタックの外側に酸素含有ガス導入管が挿入配置される。本発明では、酸素含有ガス導入管が減数されるので、コストが低減される。 The fuel cell according to claim 5 is the fuel cell according to claim 4, wherein another part of the plurality of oxygen-containing gas introduction pipes is inserted and disposed on the left and right outer sides of the cell stack assembly. That is, the oxygen-containing gas introduction pipe is inserted and disposed between the two cell stacks in the center and outside the cell stacks at the left and right ends. In the present invention, since the oxygen-containing gas introduction pipe is reduced, the cost is reduced.
・請求項6に係る燃料電池では、請求項4または5において、酸素含有ガス導入管が挿入配置されていないセルスタック間に断熱材を配置している。これらのセルスタック群の上方には改質器の往路ケースまたは復路ケースが延在するため、酸素含有ガス導入管を挿入配置できない。よって、この空きスペースを断熱材で充填することにより、セルスタック間を通る無駄な空気の流路を塞ぎ、1つのセルスタック内の燃料電池セル間の空気の流れを促進することができる。また、セルスタック間に断熱材を配置することにより、セルスタック自体が発電時に発生する反応熱、ジュール熱を外部に逃がすことを防ぎ、熱自立運転に寄与する。 The fuel cell according to claim 6 is the fuel cell according to claim 4 or 5, wherein the heat insulating material is arranged between the cell stacks in which the oxygen-containing gas introduction pipe is not inserted and arranged. Since the forward case or the backward case of the reformer extends above these cell stack groups, the oxygen-containing gas introduction pipe cannot be inserted and arranged. Therefore, by filling this empty space with a heat insulating material, it is possible to block the flow path of useless air passing between the cell stacks and promote the air flow between the fuel cells in one cell stack. In addition, by disposing a heat insulating material between the cell stacks, the cell stack itself can prevent reaction heat and Joule heat generated during power generation from escaping to the outside, thereby contributing to a heat independent operation.
・請求項7に係る燃料電池では、改質器の一部に気化部が設けられている。セルスタック集合体上方における燃焼熱を有効に利用して、改質に必要な水蒸気を発生させるための気化熱のための熱量を安定して得ることができる。 -In the fuel cell which concerns on Claim 7, the vaporization part is provided in some reformers. By effectively using the heat of combustion above the cell stack assembly, it is possible to stably obtain the amount of heat for vaporization for generating steam necessary for reforming.
・請求項8に係る燃料電池では、請求項1〜7のいずれかにおいて、セルスタック集合体の前後方向端部にて燃料ガスマニホールドと連通して立設された燃料ガス導入ケースを設け、改質器の復路ケースと燃料ガス導入ケースの上部とを連結する燃料ガス移送管とを有する。すなわち、燃料ガス移送管は、セルスタック集合体の上方に水平方向に延在することになる。従って、改質器で改質された燃料ガスは、燃料ガス移送管を通る間に十分に加熱されて燃料ガス導入ケース内に流入し、燃料ガス導入ケース内を鉛直方向に降下して燃料ガスマニホールドへと流入する。燃料ガス導入ケースは、発電・燃焼室内で温度低下の生じやすい角部に位置している。従って、燃料ガス導入ケース内を高温の燃料ガスが降下することによりその周囲の温度を上げる作用がある。この結果、発電・燃焼室内の温度分布が低減し、発電効率が向上する。
The fuel cell according to claim 8 is the fuel cell according to any one of
・また、本発明では、改質器の往路ケース及び復路ケースが、左右方向の幅に比べて上下方向の厚さが比較的薄い箱型形状であることが好適である。このような形状とすることにより、セルスタック集合体の上方で燃焼する燃焼ガスにより改質器を効率的に加熱することができる。 In the present invention, it is preferable that the forward case and the return case of the reformer have a box shape in which the thickness in the vertical direction is relatively thin compared to the width in the horizontal direction. By adopting such a shape, the reformer can be efficiently heated by the combustion gas that burns above the cell stack assembly.
・さらに、燃料ガスマニホールドと連通して立設された燃料ガス導入ケースが、左右方向の幅に比べて前後方向の厚さが比較的薄い箱型形状であることが好適である。このような形状とすることにより、燃料ガスが燃料ガス導入ケース内で幅全体に均一に拡散しつつ降下する。これにより、幅広の燃料ガスマニホールドに対して燃料ガスをほぼ均一に供給することができ、結果的に燃料電池セルへの燃料ガス供給のムラを解消できる。 Furthermore, it is preferable that the fuel gas introduction case standing in communication with the fuel gas manifold has a box shape that is relatively thin in the front-rear direction compared to the width in the left-right direction. By adopting such a shape, the fuel gas descends while uniformly diffusing over the entire width in the fuel gas introduction case. As a result, the fuel gas can be supplied almost uniformly to the wide fuel gas manifold, and as a result, uneven fuel gas supply to the fuel cells can be eliminated.
・また、燃料ガスマニホールドが、左右方向の幅に比べて上下方向の厚さが比較的薄い箱型形状であることが好適である。このような形状とすることにより、燃料ガスマニホールドの容積が小さくなるので発電・燃焼室全体の体積も小さくなり、熱自立的に有利にできる。 In addition, it is preferable that the fuel gas manifold has a box shape whose thickness in the vertical direction is relatively thin compared to the width in the horizontal direction. By adopting such a shape, since the volume of the fuel gas manifold is reduced, the volume of the entire power generation / combustion chamber is also reduced, which is advantageous in terms of heat self-support.
以下、本発明による燃料電池の実施例を示す図面を参照して、実施の形態を説明する。
図1は、本発明の燃料電池の一実施例を示す縦断面図である。本明細書では、図1の紙面に向かって左及び右を燃料電池1の左側及び右側としこの方向を左右方向と称し、紙面に垂直な方向を前後方向と称することとする。図2は、図1の燃料電池の中央部に設けた発電・燃焼室内を概略的に示す斜視図である。
Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings showing examples of fuel cells according to the present invention.
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an embodiment of a fuel cell of the present invention. In the present specification, the left and right sides of the sheet of FIG. 1 are referred to as the left and right sides of the
図1に示すように、図示の燃料電池1は、略直方体形状のハウジング2を具備する。このハウジング2の外壁を形成する6面には、適宜の断熱材料である左側外断熱壁3a、右側外断熱壁3b、上側外断熱壁3c、下側外断熱壁3d、前側外断熱壁(図示せず)及び後側外断熱壁(図示せず)が配設されている。ハウジング2内の中央部には発電・燃焼室8が設けられている。前側外断熱壁及び/又は後側外断熱壁は、着脱自在或いは開閉自在に装着されており、発電・燃焼室8内に交換・修理のためにアクセスできる。一実施例として、各外断熱壁の外周面上を金属板製カバーにて覆ってもよい。
As shown in FIG. 1, the illustrated
図1の燃料電池1は、概ね左右対称な構造を有する。発電・燃焼室8の周囲は、上側を除いた5面に、適宜の断熱材料である左側内断熱壁4a、右側内断熱壁4b、下側内断熱壁4c、前側内断熱壁(図示せず)及び後側内断熱壁(図示せず)が配設されている。発電・燃焼室8の上側には隔壁板46を介して上部ガス室ケース41が配置されており、その内部に上部ガス室42を形成する。そして、左側内断熱壁4aと左側外断熱壁3aとの間、並びに、右側内断熱壁4bと右側外断熱壁3bとの間には、それぞれ熱交換器70a、70bが設けられている。2つの熱交換機70a、70bの上端も、隔壁板46を介して上部ガス室42と区画されている。下側内断熱壁4cと下側外断熱壁3dとの間には、底板40が配設されている。
The
2つの熱交換器70aと70bは、左右方向の幅に比べて上下方向及び前後方向の長さが長い直方体形状の中空筐体を具備し、互いに左右対称な構造である。熱交換機70aについて説明すると、中空筐体内部は鉛直隔壁74により縦割りされ、外側の流入路75と内側の排出路76に区画されている。流入路75の下端には、外部から供給される酸素含有ガス(例えば空気)が流入する流入部77が設けられ、排出路76の下端には、外部へ排出するべき燃焼ガスを熱交換器71から排出する排出部78が設けられている。熱交換器70aの後方には、上下方向に細長く延びる二重筒体50(図1にはその上端部のみが現れている)が配設されている。二重筒体50の内側の流入用筒体54は流入部77と接続され、酸素含有ガス供給管(図示せず)が接続される。二重筒体50の外側の排出用筒体52は、熱交換器70aの排出部78と接続されている。
The two
熱交換器70aの流入路75及び排出路76の各々には、5枚の水平隔壁73により上下方向に6つの階層からなるジグザグ形状の流路が形成されている。流入路75については、例えば、外部から供給され流入部77から熱交換器70aに流入した低温の酸素含有ガスが、1階層目では後から前へ、2階層目では前から後へとジグザグ状に流れながら上昇し、6階層目の上端に設けた流入開口45から上部ガス室42へと流入する。一方、排出路76については、例えば発電・燃焼室8から排出開口72を通って6階層目に流入した高温の燃焼ガスが後から前へ、5階層目では前から後へとジグザグ状に流れながら降下し、1階層目の後端部に設けた排出部78から熱交換器70aを出て、排出用筒体52を通って外部へ排出される。従って、この過程において鉛直隔壁74を介して低温の酸素含有ガスと高温の燃焼ガスとの間で熱交換が行われ、その結果、酸素含有ガスが予熱される。このようにして燃焼ガスからの排熱回収が行われる。
In each of the
上部ガス室42へ流入した酸素含有ガスは、3つの酸素含有ガス導入管43a、43b、43cにより発電・燃焼室8内に導入される。酸素含有ガス導入管43a、43b、43cの上端は、隔壁板46上に固定された酸素含有ガス導入管集合金具47a、47b、47cにそれぞれ取り付けられ、上部ガス室42内に開口している。一方、下端は発電・燃焼室8内に垂下し開口している。この下端から酸素含有ガスを放出する。また、酸素含有ガス導入管43a、43b、43cの周囲は適宜の断熱材5a、5b、5cで覆われている。これにより、高温の燃焼領域に挿通される酸素含有ガス導入管43a、43b、43cの熱による劣化を防止できる。酸素含有ガス導入管の詳細については、後述する図5で説明する。
The oxygen-containing gas flowing into the
発電・燃焼室8内の底面上には、1つの燃料ガスマニホールド61が設置されている。燃料ガスマニホールド61は、前後方向に長く延びる直方体形状である。また好適には、左右方向の幅に比べて上下方向の厚さが比較的薄い平たい箱型形状である。燃料ガスマニホールド61の天板上には、発電反応を行う4列のセルスタック30b、30a、31a、31bが左右方向に所定間隔で配置されており、セルスタック集合体を形成している。図2に示すように、各セルスタックは、複数の燃料電池セルを含み、これらを前後方向に所定間隔で配列させている。1つの燃料電池セルは上下方向に細長い略平板形状である。セルスタックの構造の詳細は、後述する図8で説明する。
One
各燃料電池セルは、燃料ガスマニホールド61の天板上に穿設された各スリット上にそれぞれ装着されることにより、燃料ガスマニホールド61から燃料ガスを供給される。図示の例では、燃料ガスマニホールド61内には2つの燃料ガス室62a、62bが設けられており、燃料ガス室62aは、左側2つのセルスタック30a、30bへ燃料ガスを供給し、燃料ガス室62bは、右側2つのセルスタック31a、31bへ燃料ガスを供給する。別の実施例として、2つの燃料ガス室62aと62bの間の仕切り壁に適宜の数及び形状の連通孔を形成してもよい。この場合には、燃料ガスの分配性がさらに良好となる。
Each fuel cell is mounted on each slit formed on the top plate of the
さらに、改質器10がセルスタック集合体の上方に設けられている。改質器10は、外部から供給される被改質ガスを水素リッチな燃料ガスへと改質して燃料ガスとし、燃料ガスマニホールド61へ送出する役割を担う。
Furthermore, the
図2を参照して改質器10について説明する。改質器10は、水平面内で互いに平行に配置される往路ケース12と復路ケース14を具備する。さらに往路ケース12と復路ケース14の端部同士を連結する連結ケース13とを具備する略U字形状である。従って、往路ケース12と復路ケース14との間には、適宜の間隔の中央スペースが存在する。尚、改質器10の往路ケース12は、左側2つのセルスタック30a、30bの上方に位置し、一方、復路ケース14は右側2つのセルスタック31a、31bの上方に位置することが好適である。連結ケースは、セルスタック集合体の後端側の上方に位置する。連結ケース13は、発電・燃焼室8の底部に固定された支持具17の上端に取り付けられ、支持されている。改質器10は、この連結ケース13を取り付けた支持具17と、後述する燃料ガス導入ケース16により所定の位置に保持されている。
The
好適には、図2に示すように、往路ケース12と復路ケース14が前後方向に長く延びる直方体形状であり、左右方向の幅に比べて上下方向の厚さが比較的薄い平たい箱型形状である。往路ケース12の前端面へは被改質ガス供給管11と水供給管19とが接続され、これらにより被改質ガス及び水がそれぞれ供給される。被改質ガスは、都市ガス等の炭化水素ガスでよい。供給されたガスは、改質器10の往路ケース12内を前から後へと流れ、連結ケース13内を通過して復路ケース14内を後から前へと流れる。すなわち、図中破線矢印で示すように、U字形状を描くようにガスが流れる。
Preferably, as shown in FIG. 2, the
図2では、酸素含有ガス導入管は省略されているが、図1における中央の酸素含有ガス導入管43bは、略U字形状の改質器10の往路ケース12と復路ケース14の間のスペースを通って挿入配置されている。また、図1における左右の酸素含有ガス導入管43a、43cはそれぞれ、セルスタック集合体の左右外側に挿入配置されている。
In FIG. 2, the oxygen-containing gas introduction pipe is omitted, but the central oxygen-containing
一般的には、本発明におけるセルスタック集合体は、左右方向に複数のセルスタックを配列させてなる。同時に、セルスタック集合体は、同数ずつセルスタックを含む左側セルスタック群と右側セルスタック群とから構成されていることが好適である。すなわち、本発明の好適なセルスタック集合体は、偶数個のセルスタックを含むことになる。そして、いずれか一方のセルスタック群の上方に改質器10の往路ケース12が延在し、他方のセルスタック群の上方に改質器10の復路ケース14が延在する。図1及び図2の例では、セルスタック集合体が4つのセルスタックを含むが、これに限定されない。さらに、別の実施例として、左側セルスタック群と右側セルスタック群の各々に含まれるセルスタック数が必ずしも同数ずつでなくともよい。例えば、左側が3つ、右側が2つのごとくである。
Generally, the cell stack aggregate in the present invention is formed by arranging a plurality of cell stacks in the left-right direction. At the same time, the cell stack aggregate is preferably composed of a left cell stack group and a right cell stack group each including the same number of cell stacks. That is, the preferred cell stack assembly of the present invention includes an even number of cell stacks. The
さらに、図2に示すように、復路ケース14の前端面には前後方向に延在する燃料ガス移送管15の一端が連結されている。燃料ガス移送管15の他端は、上下方向に延びる直方体形状の燃料ガス導入ケース16の上部に連結されている。
Further, as shown in FIG. 2, one end of a fuel
燃料ガス導入ケース16は、燃料ガスマニホールド61上に立設されている。燃料ガス導入ケース16は、左右方向の幅に比べて前後方向の厚さが薄い平たい箱形形状である。左右方向の幅は、図示の例では燃料ガスマニホールド61の幅のほぼ半分であるが、被改質ガス供給管11や水供給管19の配置に支障とならなければ、さらに幅を拡張してもよい。燃料ガス導入ケース16の下端16aは燃料ガスマニホールド61と連通しており、例えば、燃料ガスマニホールド61の天板61aの一部に穿設した連通孔61b上に立設する。
The fuel
従って、改質器10から送出された燃料ガスは、燃料ガス移送管15を通って燃料ガス導入ケース16内に流入し、矢印で示すように鉛直方向に降下して燃料ガスマニホールド61へ流入する。燃料ガスは、燃料ガス導入ケース16の幅全体に均一に拡散しつつ降下する。燃料ガスマニホールド61内に流入した燃料ガスは、矢印で示すように各燃料ガス室へと流れていく。
Therefore, the fuel gas delivered from the
図3は、図2のA断面図であり、改質器10の横断面の一例を示す。改質器10の往路ケース12内に形成されたガス室12aには、被改質ガスと水の流入部側に空洞の気化部12bが設けられる。気化部12bでは水が水蒸気とされ、水蒸気が被改質ガスと混合される。このときの気化熱として燃焼ガスの熱量が利用される。気化部12bには、例えばジルコニア球等の耐熱性球体が充填され、球体の間隙をガスが流通する際に発生する乱流により水蒸気と被改質ガスが十分に混合され、かつ予熱される。続いて、連結ケース13内のガス室13aを通り、復路ケース14へと流入する。復路ケース14内に形成されたガス室14aには、改質触媒14bが収容されており、水素リッチな燃料ガスへと改質される。そして、復路ケース14から送出された燃料ガスは、燃料ガス移送管15を経て燃料ガス導入ケース16へと流入し、降下する。図中、破線矢印は、被改質ガスまたは燃料ガス及び水または水蒸気の流れを示す。
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line A in FIG. 2 and shows an example of a cross section of the
図4は、図2のB断面図であり、燃料ガスマニホールド61の横断面の一例を示す。燃料ガスマニホールド61の前端近傍には燃料ガス導入室62cが設けられる。燃料ガス導入室62cの天井の一部に、燃料ガス導入ケースとの連通孔が設けられている。燃料ガス導入室62cと各燃料ガス室62a、62bとはそれぞれ燃料ガス導入口63a、63bを介して連通している。燃料ガス導入室62cは、燃料ガスの流れの不均一を緩和する緩衝室としての役割を果たし、均一化された燃料ガスが均等に各燃料ガス室62a、62b内に流入することになる。図中、破線矢印は、燃料ガスの流れを示す。別の実施例として、2つの燃料ガス室62aと62bの間の仕切り壁に適宜の数及び形状の連通孔を形成してもよい。この場合には、2つの燃料ガス室62aと62bの間で燃料ガスが流通可能であるため、燃料ガスの分配性がさらに良好となる。
FIG. 4 is a B cross-sectional view of FIG. 2 and shows an example of a cross section of the
図5は、図1の燃料電池の酸素含有ガス導入管の装着形態の一例を示す分解斜視図である。尚、図5では、4つのセルスタック30a〜31bが現れるように、図2における燃料ガス導入ケース16の図示を省略している。図1も参照して説明すると、隔壁板46は、発電・燃焼室8と上部ガス室42との間に介在し、3つの酸素含有ガス導入管43a、43b、43cをそれぞれ通すための開口48a、48b、48cを穿設している。隔壁板46の左右端部には、各熱交換器と連通する流入開口45もそれぞれ穿設されている。
FIG. 5 is an exploded perspective view showing an example of a mounting form of the oxygen-containing gas introduction pipe of the fuel cell of FIG. In FIG. 5, the illustration of the fuel
図5に示すように、例えば酸素含有ガス導入管43aは、複数の管体を前後方向に一列に配列させた集合体として形成され、各管体の上端が平板状の集合金具47aに穿設した複数の取付孔にそれぞれ取り付けられている。また、一列に配列した複数の管体は、1つの直方体形状の断熱材5aの中に挿通されている。そして、酸素含有ガス導入管43aを開口48aに通した状態で、集合金具47aが隔壁板46の上面上に固定される。他の酸素含有ガス導入管43b、43cについても同様である。組み立てられた状態では、両側の2つの酸素含有ガス導入管43aと43cがセルスタック集合体の左右両側のセルスタック30bと31bのそれぞれの外側に配置される。一方、中央の酸素含有ガス導入管43bは、略U字形状の改質器10の中央スペースを通って中央のセルスタック30aと31aの間に配置される。尚、上記形態では、酸素含有ガス導入間43a等により、上方から下方に酸素含有ガスを供給した場合について説明したが、酸素含有ガスを発電・燃焼室8の底面側からすなわち下方から上方に供給するようにしてもよい。
As shown in FIG. 5, for example, the oxygen-containing
再び図1を参照する。左右方向に複数配列したセルスタック同士の間に、酸素含有ガス導入管が挿入配置されていない場合、例えばセルスタック30aと30bの間、及びセルスタック31aと31bの間には、断熱材6a、6bがそれぞれ配置されている。このようなセルスタック間の上方には、改質器10の往路ケース12または復路ケース14があるため、上方から酸素含有ガス導入管を垂下させることができない。このような空間を断熱材6a、6bで塞ぐことにより不都合な空気の流れを阻止して、熱放散を防ぐことができる。図6Bは、断熱材6a、6bの形状の一例を示す斜視図である。セルスタック間に挿入される部分は、セルスタック同士の間隔と同程度の厚さをもつ平板形状であり、後端部に下方に延びる延長部分6a1、6b1を設けている。この延長部分により燃料ガスマニホールド61の後面側における左右方向の空気の流れを遮断することができる。
Refer to FIG. 1 again. When oxygen-containing gas introduction pipes are not inserted between the cell stacks arranged in the left-right direction, for example, between the
図7は、本発明の燃料電池の別の実施例を示す。前述の図1の実施例では、セルスタック集合体が4つのセルスタックを含んでいたが、図7の燃料電池1aでは、セルスタック集合体が2つのセルスタック30a、31aを含む。この場合、左側のセルスタック30aの上方に改質器10の往路ケース12が延在し、右側のセルスタック31aの上方に復路ケース14が延在する。
FIG. 7 shows another embodiment of the fuel cell of the present invention. In the embodiment of FIG. 1 described above, the cell stack assembly includes four cell stacks. However, in the
図7のセルスタック集合体が、図1の実施例と同数の燃料電池セルを含むとすれば、図7の燃料電池1aのセルスタック集合体は、図1の燃料電池1のセルスタック集合体よりも前後方向に長くなる。また、左右1つずつのセルスタックしかないため、図6Aに示したセルスタック間の断熱材は設けられていない。その他の構成要素は、図1の燃料電池1と同じである。
If the cell stack assembly of FIG. 7 includes the same number of fuel cells as the embodiment of FIG. 1, the cell stack assembly of the
以上の通り、本発明では、概ね左右対称の略U字形状の改質器がセルスタック集合体の上方に配置される関係上、セルスタック集合体が同数ずつのセルスタックを含む左側セルスタック群と右側セルスタック群から構成されることが好ましい。しかしながら、セルスタック集合体に含まれるセルスタック数は、実施例に示した2つまたは4つに限定されない。 As described above, in the present invention, the left-side cell stack group including the same number of cell stacks because the substantially symmetrical U-shaped reformer is disposed above the cell stack assembly. And a right cell stack group. However, the number of cell stacks included in the cell stack aggregate is not limited to two or four shown in the embodiment.
ここで、参考のために図8を参照して本発明の実施例におけるセルスタックの構成の一例を示す。図8は、例えば図1に示したセルスタック30aの横断面図である。各燃料電池セル32は電極支持基板33、内側電極層である燃料極層34、固体電解質層35、外側電極層である酸素極層36、及びインターコネクタ37から構成されている。電極支持基板33は上下方向に細長く延びる板状片であり、平坦な両面と半円形状の両側面を有する。電極支持基板33にはこれを鉛直方向に貫通する複数個(図示の場合は4個)の燃料ガス通路38が形成されている。電極支持基板33の各々は、例えば燃料ガスマニホールドの上面に設けたスリットに対応するように配置され、耐熱性に優れたセラミック接着剤によって接合される。このスリットを通して燃料ガスが燃料ガス通路38へ送られる。
Here, for reference, an example of the configuration of the cell stack in the embodiment of the present invention is shown with reference to FIG. FIG. 8 is a cross-sectional view of the
インターコネクタ37は電極支持基板33の片面上に配設されている。燃料極層34は電極支持基板33の他面及び両側面に配設されており、その両端はインターコネクタ37の両端に接合されている。固体電解質層35は燃料極層34の全体を覆うように配設され、その両端はインターコネクタ37の両端に接合されている。酸素極層36は、固体電解質層35の主部上、即ち電極支持基板33の他面を覆う部分上に配置され、電極支持基板板33を挟んでインターコネクタ37に対向する位置にある。
The
セルスタック30aにおける隣接する燃料電池セル32間には集電部材39が配設されており、一方の燃料電池セル32のインターコネクタ37と他方の燃料電池セル32の酸素極層36とを接続している。セルスタック30aの両端、即ち図8において上端及び下端に位置するセルの片面及び他面にも集電部材が配設されている。セルスタックの両端に位置する集電部材には電力取出手段(図示せず)が接続されており、かかる電力取出手段はハウジングを貫通してハウジング外に延在させられる。
A current collecting
図1及び図2を再び参照して、本発明の燃料電池における発電時の工程を説明する。上述したとおりの燃料電池1においては、被改質ガスが被改質ガス供給管11を介して改質器10に供給され、改質器10内において水素リッチな燃料ガスに改質された後に、燃料ガス移送管15及び燃料ガス導入ケース16を介して燃料ガスマニホールド61内に規定されている燃料ガス室62a、62bに供給され、次いでセルスタックに供給される。
With reference to FIGS. 1 and 2 again, a process during power generation in the fuel cell of the present invention will be described. In the
一方、空気でよい酸素含有ガスは、二重筒体50の流入用筒体54から流入部77を通して熱交換器71の流入路75に供給され、次いで上部ガス室42から酸素含有ガス導入管43a等により発電・燃焼室8内で噴射される。セルスタック30a〜31bの各々においては、酸素極において、
1/2O2+2e−→O2−(固体電解質)
の電極反応が生成され、燃料極において、
O2−(固体電解質)+H2→H2O+2e−
の電極反応が生成されて発電される。
On the other hand, oxygen-containing gas, which may be air, is supplied from the
1 / 2O 2 + 2e − → O 2− (solid electrolyte)
The electrode reaction of
O 2− (solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e −
The electrode reaction is generated and power is generated.
セルスタック30a〜31bにおける発電に使用されなかった燃料ガス及び酸素含有ガスは、発電・燃焼室8の上方に流動し、適宜の位置に配設されている点火手段(図示せず)によって点火されて燃焼される。周知の如く、セルスタックにおける発電に起因して、そしてまた燃料ガスと酸素含有ガスとの燃焼に起因して発電・燃焼室8内は例えば700〜1000℃程度の高温になる。そして、発電・燃焼室8の天井面近傍に開口する排出開口72を通して燃焼ガスが熱交換器71の排出路76へ流入する。そして、排出部78を経て排出用筒体52から排出される。
The fuel gas and oxygen-containing gas not used for power generation in the cell stacks 30a to 31b flow above the power generation / combustion chamber 8 and are ignited by ignition means (not shown) disposed at appropriate positions. Burned. As is well known, the temperature in the power generation / combustion chamber 8 becomes high, for example, about 700 to 1000 ° C. due to the power generation in the cell stack and also due to the combustion of the fuel gas and the oxygen-containing gas. Then, the combustion gas flows into the
斯かる発電時の工程において、改質器10は発電・燃焼室8内に配設され、セルスタック30a〜30dの直ぐ上方に位置することから、燃焼炎による直接的な加熱も含め、発電・燃焼室8内に生成される高温が被改質ガスの改質に効果的に利用される。
In such a power generation process, the
以上、添付図面を参照して本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the present invention. Correction is possible.
1 燃料電池
2 ハウジング
6a、6b セルスタック間断熱材
8 発電・燃焼室
10 改質器
11 被改質ガス供給管
12 往路ケース
12a ガス室
12b 気化部
12c 改質触媒
13 連結ケース
13a ガス室
14 復路ケース
14b 改質触媒
15 燃料ガス移送管
16 燃料ガス導入ケース
19 水供給管
30a、30b、31a、31b セルスタック
32 燃料電池セル
42 上部ガス室
43a、43b、43c 酸素含有ガス導入管
61 燃料ガスマニホールド
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記セルスタック集合体の各燃料電池セルに燃料ガスを供給するべく該各燃料電池セルを装着した1つの燃料ガスマニホールドと、
前記セルスタック集合体の上方に設けた改質器とを有し、
前記改質器が、水平面内で互いに平行に配置される往路ケース及び復路ケースと、該往路ケースと該復路ケースの端部同士を連結する連結ケースとを具備する略U字形状でありかつその一部に改質触媒を収容し、該往路ケースに被改質ガスが供給されかつ該復路ケースから燃料ガスが送出されることを特徴とする燃料電池。 In a power generation / combustion chamber provided in the housing, a cell stack assembly in which a plurality of solid oxide fuel cells are arranged in a line in the front-rear direction, a plurality of cell stacks arranged in the left-right direction, and
One fuel gas manifold mounted with each fuel cell to supply fuel gas to each fuel cell of the cell stack assembly;
A reformer provided above the cell stack assembly,
The reformer is substantially U-shaped and includes a forward case and a backward case disposed in parallel with each other in a horizontal plane, and a connecting case that connects ends of the forward case and the backward case. A fuel cell characterized in that a reforming catalyst is accommodated in part, a gas to be reformed is supplied to the forward case, and a fuel gas is sent from the return case.
前記改質器の前記復路ケースと前記燃料ガス導入ケースの上部とを連結する燃料ガス移送管とを有することを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の燃料電池。 A fuel gas introduction case erected in communication with the fuel gas manifold at the front-rear direction end of the cell stack assembly;
The fuel cell according to claim 1, further comprising a fuel gas transfer pipe that connects the return case of the reformer and an upper portion of the fuel gas introduction case.
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