JP2008135351A - Power generating device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体酸化物を利用する燃料電池によって発電する装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for generating electricity by a fuel cell using a solid oxide.
固体酸化物を利用する燃料電池は効率が高く、数キロワットから数十キロワットの発電装置に適しているものと期待されている。
固体酸化物を利用する燃料電池には、燃料ガスと有酸素ガス(通常は空気)が必要である。燃料電池セルは、燃料ガスを改質させた改質ガスと有酸素ガスを反応させて発電する。
A fuel cell using a solid oxide has high efficiency and is expected to be suitable for a power generation apparatus of several kilowatts to several tens of kilowatts.
A fuel cell using a solid oxide requires a fuel gas and an aerobic gas (usually air). The fuel cell generates electric power by reacting a reformed gas obtained by reforming a fuel gas and an aerobic gas.
固体酸化物を利用する燃料電池を用いた発電装置の例が特許文献1に開示されている。
特許文献1の発電装置では、燃料電池セル群を収容するセル群収容室が中心に配置されており、その外側をセル群収容室から排出される燃焼排ガスが流れる排ガス通過室が取り囲んでおり、さらにその外側をセル群収容室に空気を供給する空気通過室が取り囲んでいる。排ガス通過室がセル群収容室を取り囲み、さらにその外側を空気通過室が取り囲んでいるために、オフガスの燃焼熱と発電熱をセル群収容室を発電適温に維持するのに利用することができる。オフガスの燃焼熱は900℃程度であり、それを利用することによって、発電装置を熱自立させることができる。
An example of a power generation device using a fuel cell using a solid oxide is disclosed in Patent Document 1.
In the power generation device of Patent Document 1, a cell group accommodation chamber that accommodates a fuel cell group is disposed at the center, and an exhaust gas passage chamber through which combustion exhaust gas discharged from the cell group accommodation chamber flows is surrounded on the outside. Further, an air passage chamber for supplying air to the cell group accommodation chamber surrounds the outside. Since the exhaust gas passage chamber surrounds the cell group accommodation chamber and the air passage chamber surrounds the outside thereof, the off-gas combustion heat and power generation heat can be used to maintain the cell group accommodation chamber at an appropriate power generation temperature. . The combustion heat of the off gas is about 900 ° C., and by using it, the power generation device can be made to be heat independent.
特許文献1のようにセル群収容室を排ガス通過室で取り囲む構成とする場合、燃料電池セル群から発電装置の外部へ電力を取り出す電力取出線の配線が問題となる。燃料電池セル群からの電力取出線は、セル群収容室と排ガス通過室の間の壁面を貫通させなければならない。電力取出線が貫通する壁面には、ガスの混入を防止するためにシール部材を設ける必要がある。特許文献1の技術では、排ガス通過室のさらに外側を空気通過室が取囲んでおり、このような場合には排ガス通過室と空気通過室の間の壁面についても電力取出線を貫通させなければならない。さらに、空気通過室の外側の外壁についても、貫通させなければならない。従って、電力取出線を発電装置の外部まで引き出すには、多くの箇所をシールしなければならない。 When the configuration is such that the cell group housing chamber is surrounded by the exhaust gas passage chamber as in Patent Document 1, the wiring of the power extraction line that takes out power from the fuel cell group to the outside of the power generation apparatus becomes a problem. The power lead-out line from the fuel cell group must pass through the wall surface between the cell group accommodation chamber and the exhaust gas passage chamber. It is necessary to provide a seal member on the wall surface through which the power lead-out line passes in order to prevent gas mixture. In the technology of Patent Document 1, the air passage chamber surrounds the outside of the exhaust gas passage chamber. In such a case, the power extraction line must not pass through the wall surface between the exhaust gas passage chamber and the air passage chamber. Don't be. Furthermore, the outer wall outside the air passage chamber must be penetrated. Therefore, in order to draw the power lead-out line to the outside of the power generation device, many places must be sealed.
発電装置の内部においてシールが必要となる箇所は、なるべく少ない方が好ましい。発電装置のメンテナンスとしてシール部材の交換等の作業を行う場合、発電装置の内部には様々な機器が密集して配置されており、これらの機器を取り外すことなくシール部材を交換することは困難である。電力取出線が壁面を貫通する部分が増えると、それだけシールが必要となる箇所が多くなってしまい、発電装置のメンテナンス作業が煩雑なものとなってしまう。 It is preferable that the number of places where sealing is required inside the power generation apparatus is as small as possible. When performing work such as replacement of the seal member as maintenance of the power generation device, various devices are densely arranged inside the power generation device, and it is difficult to replace the seal member without removing these devices. is there. As the portion where the power lead-out line penetrates the wall surface increases, the number of places where the seal is necessary increases, and the maintenance work of the power generation apparatus becomes complicated.
また発電中の燃料電池セルの温度をモニタリングする場合には、セル群収容室内の温度センサからの信号を出力する温度検出線を発電装置の外部の制御基板まで引き出す必要がある。このような温度検出線についても、セル群収容室と排ガス通過室の間の壁面や、排ガス通過室と空気通過室の間の壁面や、空気通過室の外側の外壁を貫通させなければならない。従って、シールすべき箇所がさらに多くなってしまい、発電装置のメンテナンス作業が非常に煩雑なものとなってしまう。 When monitoring the temperature of the fuel cell during power generation, it is necessary to draw out a temperature detection line for outputting a signal from a temperature sensor in the cell group accommodation chamber to a control board outside the power generation device. Also for such temperature detection lines, the wall surface between the cell group accommodation chamber and the exhaust gas passage chamber, the wall surface between the exhaust gas passage chamber and the air passage chamber, and the outer wall outside the air passage chamber must be penetrated. Accordingly, the number of places to be sealed increases, and the maintenance work for the power generation apparatus becomes very complicated.
本発明は、固体酸化物型の燃料電池を用いた発電装置において、シールが必要となる箇所を少なくして、発電装置のメンテナンス作業に係る労力を低減することが可能な技術を提供することを目的とする。 The present invention provides a technology capable of reducing labor required for maintenance work of a power generation device by reducing the number of places where sealing is required in a power generation device using a solid oxide fuel cell. Objective.
本発明は、固体酸化物型の燃料電池を用いる発電装置として具現化される。その発電装置は、燃料電池セル群を収容するセル群収容室と、セル群収容室の周囲に形成されており、セル群収容室から発電装置の外部へ排出される排ガスが通過する排ガス通過室を備えており、セル群収容室の外面の少なくとも一部は、排ガス通過室に覆われていないことを特徴とする。 The present invention is embodied as a power generator using a solid oxide fuel cell. The power generator includes a cell group storage chamber that stores a fuel cell group, and an exhaust gas passage chamber that is formed around the cell group storage chamber and through which exhaust gas discharged from the cell group storage chamber to the outside of the power generation device passes. And at least part of the outer surface of the cell group accommodation chamber is not covered with the exhaust gas passage chamber.
上記の発電装置は、燃料電池セル群での発電に適した高温とされるセル群収容室の周囲に排ガス通過室が形成されており、セル群収容室から排出される排ガスがセル群収容室の周囲を流れる。セル群収容室から排出される排ガスは高温であるから、このような構成とすることによって、セル群収容室からの放熱を抑制し、セル群収容室を高温に維持することができる。
また上記の発電装置では、セル群収容室の外面の少なくとも一部は排ガス通過室で覆われていないため、この部分にはセル群収容室と排ガス通過室とを仕切る壁面が存在しない。従って、セル群収容室内から発電装置の外部まで引き出す電力取出線や温度検出線を、この排ガス通過室で覆われていない部分を貫通する構成とすることによって、シールすべき箇所を少なくすることができる。発電装置のメンテナンス作業を容易に行うことができる。
In the above power generation device, an exhaust gas passage chamber is formed around a cell group accommodation chamber that is at a high temperature suitable for power generation in the fuel cell group, and the exhaust gas discharged from the cell group accommodation chamber is the cell group accommodation chamber. Flowing around. Since the exhaust gas discharged from the cell group storage chamber is at a high temperature, the heat dissipation from the cell group storage chamber can be suppressed and the cell group storage chamber can be maintained at a high temperature by adopting such a configuration.
Further, in the above power generation device, at least a part of the outer surface of the cell group accommodation chamber is not covered with the exhaust gas passage chamber, and therefore, there is no wall surface separating the cell group accommodation chamber and the exhaust gas passage chamber in this portion. Therefore, the number of places to be sealed can be reduced by adopting a configuration in which the power extraction line and the temperature detection line drawn from the cell group accommodation chamber to the outside of the power generation device penetrate the portion not covered with the exhaust gas passage chamber. it can. Maintenance work of the power generator can be easily performed.
上記の発電装置は、排ガス通過室の周囲に形成されており、発電装置の外部からセル群収容室に供給される有酸素ガスが通過する有酸素ガス通過室をさらに備えており、セル群収容室の外面の前記少なくとも一部は、排ガス通過室にも有酸素ガス通過室にも覆われていないことが好ましい。 The power generation device is formed around the exhaust gas passage chamber, and further includes an aerobic gas passage chamber through which an aerobic gas supplied to the cell group accommodation chamber from the outside of the power generation device passes. The at least part of the outer surface of the chamber is preferably not covered by the exhaust gas passage chamber or the aerobic gas passage chamber.
上記の発電装置は、排ガス通過室の周囲に有酸素ガス通過室が形成されており、発電装置に供給された有酸素ガスが排ガス通過室の周囲を流れた後にセル群収容室に供給される。このような構成とすることによって、セル群収容室に供給される前の有酸素ガスを排ガス通過室を流れる排ガスによって予熱することができる。セル群収容室には予熱された有酸素ガスが供給されるため、セル群収容室を高温に維持することができる。また、有酸素ガスを予熱することで排ガスの温度が低下するため、発電装置の外部に排出される排ガスを適度な低温にまで冷却することができる。
また上記の発電装置では、セル群収容室の外面の少なくとも一部は排ガス通過室にも有酸素ガス通過室にも覆われていないため、この部分にはセル群収容室と排ガス通過室とを仕切る壁面も、排ガス通過室と有酸素ガス通過室とを仕切る壁面も存在しない。従って、セル群収容室内から発電装置の外部まで引き出す電力取出線や温度検出線を、この排ガス通過室にも有酸素ガス通過室にも覆われていない部分を貫通する構成とすることによって、シールすべき箇所を少なくすることができる。発電装置のメンテナンス作業を容易に行うことができる。
In the above power generator, an aerobic gas passage chamber is formed around the exhaust gas passage chamber, and the aerobic gas supplied to the power generator is supplied to the cell group accommodation chamber after flowing around the exhaust gas passage chamber. . With such a configuration, the aerobic gas before being supplied to the cell group accommodation chamber can be preheated by the exhaust gas flowing through the exhaust gas passage chamber. Since the preheated aerobic gas is supplied to the cell group accommodation chamber, the cell group accommodation chamber can be maintained at a high temperature. In addition, since the temperature of the exhaust gas is reduced by preheating the aerobic gas, the exhaust gas discharged to the outside of the power generation apparatus can be cooled to an appropriate low temperature.
Further, in the above power generation device, at least a part of the outer surface of the cell group accommodation chamber is not covered by the exhaust gas passage chamber or the aerobic gas passage chamber. There are no wall surfaces for partitioning the exhaust gas passage chamber and the aerobic gas passage chamber. Therefore, the power extraction line and the temperature detection line drawn out from the cell group accommodation chamber to the outside of the power generation device are configured to pass through a portion that is not covered by the exhaust gas passage chamber or the aerobic gas passage chamber. It is possible to reduce the number of places to be processed. Maintenance work of the power generator can be easily performed.
上記の発電装置においては、セル群収容室の外面の前記少なくとも一部は、セル群収容室の側面の少なくとも一部であることが好ましい。 In the above power generation device, it is preferable that the at least part of the outer surface of the cell group accommodation chamber is at least a part of the side surface of the cell group accommodation chamber.
セル群収容室の外面のうち、上面は発電中に最も高温となるため、発電装置からの放熱を防ぐためにも排ガス通過室で覆われていることが望ましい。またセル群収容室の下面には、一般に発電装置の外部との燃料ガスや空気や燃焼排ガスの出入り口が形成されるため、セル群収容室の下面から電力取出線や温度検出線を引き出す構成としてしまうと、セル群収容室の下面にシールすべき箇所が密集してしまい、メンテナンス作業をやりにくいものとしてしまう。
上記の発電装置のように、セル群収容室の側面の少なくとも一部を排ガス通過室で覆わない構成とすることによって、発電装置からの過剰な放熱を抑制しつつ、電力取出線や温度検出線を装置外へ引き出すためにシールすべき部分を少なくすることができる。また、シールすべき箇所を密集させてしまうことがないため、発電装置のメンテナンス作業を容易に行うことができる。
Of the outer surfaces of the cell group accommodation chamber, the upper surface is the highest temperature during power generation, and therefore it is desirable that the cell group accommodation chamber is covered with an exhaust gas passage chamber to prevent heat dissipation from the power generation device. In addition, because the bottom surface of the cell group storage chamber is generally formed with an inlet / outlet port for fuel gas, air, and combustion exhaust gas from the outside of the power generation device, the power extraction line and temperature detection line are drawn from the bottom surface of the cell group storage chamber. As a result, locations to be sealed are concentrated on the lower surface of the cell group housing chamber, which makes maintenance work difficult.
Like the power generator described above, by configuring at least a part of the side surface of the cell group housing chamber not to be covered with the exhaust gas passage chamber, it is possible to suppress excessive heat dissipation from the power generator, while suppressing the power extraction line and the temperature detection line. It is possible to reduce the number of parts to be sealed in order to draw out the outside of the apparatus. Moreover, since the location which should be sealed is not crowded, the maintenance operation | work of an electric power generating apparatus can be performed easily.
上記の発電装置では、セル群収容室の上部が排ガス通過室と連通しており、排ガス通過室の下部が発電装置の外部と連通しており、排ガス通過室の底面が有酸素ガス通過室に覆われていないことが好ましい。 In the above power generation device, the upper part of the cell group accommodation chamber communicates with the exhaust gas passage chamber, the lower part of the exhaust gas passage chamber communicates with the outside of the power generation device, and the bottom surface of the exhaust gas passage chamber becomes the aerobic gas passage chamber. Preferably it is not covered.
セル群収容室の上部が排ガス通過室と連通し、排ガス通過室の下部が発電装置の外部と連通する構成の場合、排ガスはセル群収容室の上部から排ガス通過室の上部へ流入した後、排ガス通過室内をセル群収容室に沿って下方に向けて流れ、排ガス通過室の下部から発電装置の外部へ排出される。排ガス通過室内を流れる排ガスは、有酸素ガス通過室を流れる有酸素ガスによって冷却されるが、有酸素ガスによって排ガスが過剰に冷却されると、排ガス通過室内で結露して水が溜まってしまう。排ガス通過室内に水が溜まると、排ガス通過室の閉塞や、内部部材の腐食を引き起こす可能性がある。
上記の発電装置によれば、排ガス通過室の底面が有酸素ガス通過室に覆われていないため、セル群収容室からの排ガスは排ガス通過室の上部や側部を流れる際に有酸素ガスによって冷却されるものの、排ガス通過室の下部を流れる際には有酸素ガスによる冷却がなされない。このような構成とすることによって、発電装置内での排ガスの過剰な冷却を抑制し、発電装置内部での結露を防止し、発電装置内部に水が溜まることによる不具合を回避することができる。
When the upper part of the cell group accommodation chamber communicates with the exhaust gas passage chamber and the lower part of the exhaust gas passage chamber communicates with the outside of the power generation device, the exhaust gas flows from the upper part of the cell group accommodation chamber to the upper part of the exhaust gas passage chamber, It flows downward in the exhaust gas passage chamber along the cell group accommodation chamber, and is discharged from the lower part of the exhaust gas passage chamber to the outside of the power generator. The exhaust gas flowing in the exhaust gas passage chamber is cooled by the aerobic gas flowing in the aerobic gas passage chamber. However, if the exhaust gas is excessively cooled by the aerobic gas, condensation occurs in the exhaust gas passage chamber and water is accumulated. If water accumulates in the exhaust gas passage chamber, the exhaust gas passage chamber may be blocked or the internal members may be corroded.
According to the above power generator, since the bottom surface of the exhaust gas passage chamber is not covered with the aerobic gas passage chamber, the exhaust gas from the cell group housing chamber is caused by the aerobic gas when flowing through the upper part or the side part of the exhaust gas passage chamber. Although it is cooled, it is not cooled by an aerobic gas when it flows through the lower part of the exhaust gas passage chamber. By adopting such a configuration, it is possible to suppress excessive cooling of the exhaust gas in the power generation device, to prevent dew condensation inside the power generation device, and to avoid problems caused by accumulation of water inside the power generation device.
本発明によれば、固体酸化物型の燃料電池を用いた発電装置において、シールが必要となる箇所を低減して、発電装置のメンテナンス作業に係る労力を低減することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in the electric power generating apparatus using a solid oxide fuel cell, the location which needs a seal | sticker can be reduced and the labor concerning the maintenance work of an electric power generating apparatus can be reduced.
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
(形態1) 燃料電池セル群は棒状のセルスタックを形成しており、セルスタックの先端近傍にオフガス燃焼部が設けられており、セルスタックが伸びる方向に沿った側面は、排ガス通過室に覆われていない。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.
(Mode 1) The fuel cell group forms a rod-shaped cell stack, an off-gas combustion section is provided near the tip of the cell stack, and the side surface along the direction in which the cell stack extends covers the exhaust gas passage chamber. I have not been told.
(第1実施例)
本発明を具現化した発電装置の第1実施例を、図面を参照しながら説明する。
図1〜図3に示すように、発電ユニット10は内部にセル群収容室44を備えており、セル群収容室44内に複数のセルスタック14を収容している。セルスタック14は複数の燃料電池セル12を棒状に積層したものである。セルスタック14はセル群収容室44の中央付近に配置された水平マニホールド24から、セル群収容室44の長手方向(図1の左右方向)に沿って、セル群収容室44の長手方向の側面に向けて伸びている。図2から明らかなように、同一の水平マニホールド24からは複数のセルスタック14が伸びており、隣接するセルスタック14の間には集電部材22が介装されている。セル群収容室44には同一の高さに一対の水平マニホールド24が配置され、一方の水平マニホールド24からはセル群収容室44の長手方向の一方の側面(例えば図1の右側の側面)に向けてセルスタック14が伸びており、他方の水平マニホールド24からはセル群収容室44の長手方向の他方の側面(例えば図1の左側の側面)に向けてセルスタック14が伸びている。セル群収容室44には、上記した一対の水平マニホールド24とそこから伸びる複数のセルスタック14が、異なる高さで複数の段を形成するように配置されている。それぞれのセルスタック14の下方には、セルスタック14の外表面に空気(有酸素ガスの一例)を供給する空気供給部材16が配置されている。空気供給部材16は上面に空気孔が形成された箱状の部材であって、セルスタック14が伸びる方向と空気供給部材16が伸びる方向は互いに交差している。
(First embodiment)
A first embodiment of a power generator embodying the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIGS. 1 to 3, the
図4に示すように、個々の燃料電池セル12の断面は楕円形状であり、楕円柱形状に形成された燃料極12aの周面の半分強が固体電解質層12bで覆われ、残りの周面がインターコネクタ12dで覆われ、固体電解質層12bの外側を酸素極12cが覆っている。燃料極12aの内部にはセルスタック14が伸びる方向(図4の紙面垂直方向)に貫通する複数の改質ガス通路20が並列に形成されている。燃料電池セル12は、改質ガス通路20に改質ガスが供給されると、供給された改質ガスを周囲の有酸素ガスと反応させて、発電する。
燃料極12aは多孔質であり、ニッケル(Ni)を主成分とするニッケル/YSZサーメット(混合焼結体)からなる。固体電解質層12bは緻密質であり、ジルコニア(ZrO2)にイットリア(Y2O3)を加えた混合物からなる。酸素極12cは多孔質であり、ペロブスカイト型酸化物であるLSM(La1−xSrxMnO3)からなる。インターコネクタ12dは導電性セラミックからなる。
集電部材22は蛇腹状に折り畳まれた導電性金属部材である。隣接する2つのセルスタック14に関して、一方のセルスタック14の燃料電池セル12の酸素極12cと、他方のセルスタック14の燃料電池セル12の燃料極12aが、集電部材22とインターコネクタ12dを介して電気的に接続されている。集電部材22は蛇腹状に形成されているため、隣接するセルスタック14間を空気が通過することを禁止しない。
As shown in FIG. 4, the cross section of each
The
The current collecting
図1および図2に示すように、セル群収容室44内には一対の垂直マニホールド29が配置されており、1つの垂直マニホールド29から異なる高さで複数の水平マニホールド24が伸びている。垂直マニホールド29はセル群収容室44内を鉛直方向に伸びており、水平マニホールド44はセル群収容室44内を水平方向に伸びている。水平マニホールド24と垂直マニホールド29は、内部に改質ガスが流れる流路を備えており、改質器18から供給される改質ガスは、改質ガス供給管25を経て垂直マニホールド29へ供給され、各水平マニホールド24を経由して各セルスタック14へ供給される。各セルスタック14の先端部では、改質ガス通路20が開放されており、発電のために消費されなかった改質ガス(オフガス)が放出される。各セルスタック14の先端近傍には夫々スパーク電極(図示省略)が配設されており、スパーク電極が火花放電することによって、各セルスタック14の先端から流出するオフガスが周囲の空気と反応して燃焼する。
As shown in FIGS. 1 and 2, a pair of
空気供給部材16からは、改質器18に向けて水平方向に邪魔板52が伸びている。セルスタック14の先端近傍でオフガスが燃焼した燃焼ガスは、直上の邪魔板52によって改質器18に向けて誘導されて、改質器18を加熱する。
A
改質器18は各セルスタック14の先端と対向する位置に配置されている。改質器18の内部には混合器130から燃料ガスと水蒸気を混合した混合ガスが供給されており、改質器18はオフガスの燃焼熱を利用して混合ガスを改質する。改質器18は、金属製の扁平な箱形状のケーシングと、その内で蛇行する経路が形成されており、この経路内に改質触媒が充填されている。混合ガスは、改質器18内を通過する間に、改質触媒によって水素と一酸化炭素からなる改質ガスに改質される。この改質反応は吸熱を伴うものであり、本実施例の発電ユニット10では、オフガスの燃焼熱が改質反応に利用される。改質器18で改質された後の改質ガスは、改質ガス供給管25から垂直マニホールド29を経て各水平マニホールド24に分配され、水平マニホールド24から各セルスタック14の改質ガス通路20に送り込まれる。なお、一対の改質器18は、双方の改質ガスの出口部分が渡り配管28によって接続されており、改質ガスの出口圧力の均衡が確保されている。
The
セル群収容室44の外側には、排ガス通過室46が設けられている。セル群収容室44は上部が開口した箱型の形状をしており、排ガス通過室46は、セル群収容室44の底面と、長手方向の両側面と、開口した上部を取囲むように設けられている。セル群収容室44の短手方向(図2の上下方向)の両側面には、排ガス通過室46は形成されていない。セルスタック14の先端近傍でのオフガスの燃焼に伴って排出される燃焼排ガスは、改質器18を加熱した後、セル群収容室44内を上方に流れて、排ガス通過室46の上部に流入する。排ガス通過室46の上部に流入した燃焼排ガスは、排ガス通過室46の長手方向(図1の左右方向)の側部および下部を順に通過して、排ガス通過室46の下部と連通する排ガス排出管60から外部へ排出される。
An exhaust
排ガス通過室46の長手方向の側部には、フィン56が取り付けられている。フィン56は長尺な金属製板部材を略蛇腹形状に折畳んで形成されている。図示はしていないが、上下のフィン56は、ピッチを半分ずらして取付けられている。このようにフィン56が取付けられているため、排ガス通過室46の長手方向の側部には、上下方向に伸びる細い角柱形状の通路が複数本形成される。
図1と図3に示すように、セル群収容室44は固定用壁36aによって排ガス通過室46内で持ち上げられている。固定用壁36aには複数個の穴36bが形成されており、燃焼排ガスの流通が自在となっている。セル群収容室44の直下の間隙は、排ガス通過室46の下部を形成する。排ガス通過室46は、排ガス排出管60によって外部と連通しており、排ガス排出管60を経由して燃焼排ガスが排出される。
As shown in FIGS. 1 and 3, the cell
混合器130は、排ガス通過室46の下部に配置されており、排ガス通過室46を流れる燃焼排ガスによって加熱される。混合器130には、燃料ガス供給管62と水供給管64が接続されており、発電ユニット10の外部から燃料ガスと水が供給される。混合器130に供給された水は蒸発して水蒸気となり、燃料ガスと混合される。燃料ガスと水蒸気の混合ガスは、混合器130を通過する間に予熱される。予熱された混合ガスは、混合ガス供給管27を経由して改質器18に供給される。
The
排ガス通過室46の外側には、空気通過室48が設けられている。空気通過室48は、排ガス通過室46の長手方向の両側面と、上面を取り囲むように設けられている。空気通過室48の長手方向(図1の左右方向)の側部は、下端で空気導入管34と連通しており、空気導入管34によって外部から導入された空気は、空気通過室48の長手方向の側部を上方に流れて、空気通過室48の上部から空気供給管50に流入する。
An
空気通過室48の長手方向の側部には、フィン54が取り付けられている。フィン54は横方向に長尺な金属製板部材を略蛇腹形状に折畳んで形成されている。図示はしていないが、上下のフィン54は、ピッチを半分ずらして取付けられている。このようにフィン54が取付けられているため、空気通過室48の長手方向の側部には、上下方向に伸びる細い角柱形状の通路が複数本形成される。
空気通過室48の上部は、空気供給管50と連通している。空気供給管50は金属製であり、図1と図3に示すように、セル群収容室44内を上下方向に伸びており、上端は空気通過室48に開口している。空気通過室48から空気供給管50に流入した空気は、各空気供給部材16に分配されて、空気供給部材16の上面から直近上部のセルスタック14に向けて吹き付けられる。
The upper part of the
空気通過室48の外側には、断熱性の外壁40が形成されている。外壁40は発電ユニット10の6面全てを覆うように形成されている。発電ユニット10の上部および長手方向の側部では、外壁40は空気通過室48と接している。発電ユニット10の底部では、外壁40は排ガス通過室46と接している。発電ユニット10の短手方向の側部では、外壁40はセル群収容室44と接している。
A heat insulating
セル群収容室44は最も高温であり、排ガス通過室46は2番目に高温であり、空気通過室48が3番目に高温である。最も高温なセル群収容室44を、2番目に高温な排ガス通過室46で取り囲み、その外側を3番目に高温な空気通過室48で取り囲む構造となっている。従って、発電に伴って発生する熱と、オフガスの燃焼熱だけで、セルスタック14と改質器18を収容するセル群収容室44内の温度を、発電適温である800〜850℃に維持することができる。熱自立することができる。
The cell
図2に示すように、集電部材22で互いに接続されたセルスタック14群のうち最外部のセルスタック14から、発電した電力を取り出す電力取出線100が伸びている。電力取出線100は、セル群収容室44の短手方向の側面から外壁40を貫通して、外部に設けられた制御基板110まで伸びている。電力取出線100は白金線であり、周囲を碍子管102によって保護されている。
図5に示すように、電力取出線100が外壁40を貫通する部位には、段付き碍子管104が外壁40の外側から差し込まれており、電力取出線100は段付き碍子管104の内部に形成された孔を通して引出される。段付き碍子管104はシールパッキン106を挟み込むように差し込まれており、その外側から固定板108によって外壁40に対して固定される。固定板108は外壁40の外側からねじ止めされる。
As shown in FIG. 2, a power lead-out
As shown in FIG. 5, a stepped
図2に示すように、セルスタック14の各段には、セルスタック14の温度を検出するシース熱電対120が設けられている。シース熱電対120は、シースの内部に熱電対素線を備えている。シース熱電対120の先端の温度計測部122は、セルスタック14の段の中央部の真上に位置するように配置されている。
図5に示すように、シース熱電対120は外壁40の外側から差し込まれており、外壁40を貫通している。シース熱電対120はフランジ124を備えており、このフランジ124が外壁40の外側からシールパッキン126を挟み込んだ状態で、固定板108によって外壁40に固定される。シース熱電対120の検出値を出力する2本の端子128は、それぞれ発電ユニット10の外部で制御基板110に接続されている。
As shown in FIG. 2, each stage of the
As shown in FIG. 5, the
図6はセルスタック14の各段に対応する電力取出線100およびシース熱電対120が外壁40を貫通する部分を模式的に示している。図6に示すように、電力取出線100はセルスタック14の各段から制御基板110まで引き出されており、それぞれの段の電力を別個に取り出す構成としている。このような構成とすることによって、セルスタック14の各段から取り出す電力を制御基板110で別個に制御することができる。またシース熱電対120もセルスタック14の各段から制御基板110まで引き出されており、それぞれの段のセルスタック14の温度を別個に検出する構成としている。このような構成とすることによって、セルスタック14の各段の状態を制御基板110で詳細にモニタリングすることが可能となる。
FIG. 6 schematically shows a portion where the
本実施例の発電ユニット10では、セル群収容室44の短手方向の両側面は、排ガス通過室46や空気通過室48で覆われていない。このような構成とすることによって、外壁40以外の壁面を貫通することなく、セル群収容室44の短手方向の側面から電力取出線100やシース熱電対120を引き出すことができる。このため、電力取出線100やシース熱電対120が外壁40を貫通する部分のみをシールすればよく、シールすべき箇所が最小限で済む。発電ユニット10のメンテナンス作業を容易に行うことができる。
In the
以下では発電ユニット10の発電動作を説明する。発電ユニット10に供給される水と燃料ガスは、混合器130内で予熱されて混合され、混合ガス供給管27から改質器18に送られる。改質器18に送られた混合ガスは、水素と一酸化炭素を含む改質ガスに改質され、垂直マニホールド29、水平マニホールド24を経由して、各セルスタック14の改質ガス通路20に送られる。
Hereinafter, the power generation operation of the
空気導入管34から送り込まれた空気は、空気通過室48に送られ、フィン54の間をすり抜けて上部に達し、空気通過室48の上方を流れて空気供給管50内に流入する。空気供給管50へ流入した予熱空気は下方へ移動し、各段の空気供給部材16に分配されて、空気供給部材16の上方の空気供給口から、直近上方のセルスタック14の外周面に吹き付けられる。
The air sent from the
セルスタック14に吹き付けられた空気は、上方向、若しくは斜め上方向に上昇し、セルスタック14の下側全体に分散される。酸素は、イオン化して固体電解質層12bを通過して燃料極12aに至り、水素または一酸化炭素と反応し、酸素極12cと燃料極12aの間に電位差を発生させる。すなわち、発電する。
The air blown to the
セルスタック14に供給された改質ガスの例えば80%が発電に利用される場合、発電に利用されなかった20%の改質ガス(オフガス)は、セルスタック14の先端から流出する。また、セルスタック14に供給された空気の例えば20%が発電に利用される場合、発電に利用されなかった80%の空気は、セルスタック14の集電部材22の隙間をすり抜ける。この空気は直上の空気供給部材16の底面および邪魔板52に沿ってセルスタック14の先端側に誘導される。
セルスタック14の先端近傍に配設されたスパーク電極が火花放電することによって、オフガスが空気と反応して燃焼する。オフガスの燃焼熱は改質器18に吸熱されて、改質反応に利用される。
When, for example, 80% of the reformed gas supplied to the
The spark electrode disposed in the vicinity of the tip of the
燃料電池セル12の電気化学反応が効率よく進行する環境温度は約800℃の高温である。この環境温度が低下すれば、発電効率は低下する。従って、セルスタック群14に供給する空気についても、約800℃の環境温度を得るために予熱しておく必要がある。
セル群収容室44内を上昇した燃焼排ガスは、排ガス通過室46の上部に流入する。排ガス通過室46の上部に流入した燃焼排ガスは、排ガス通過室46の側部に流入し、上下方向に伸びる複数の細い角柱形状の通路を下方向に流れ、排ガス通過室46の下部に流入する。排ガス通過室46の下部に流入した燃焼排ガスは、排ガス排出管60から外部に排出される。
このとき、空気導入管34から導入された空気は空気通過室48内に流入し、上下方向に伸びる複数の細い角柱形状の通路を上方向に通過する。排ガス通過室46を通過する燃焼排ガスと、空気通過室48を通過する空気との間で熱交換が行われる。排ガス通過室46の側部に設けられたフィン56と、空気通過室48の側部に設けられたフィン54によって、熱交換率は更に高められる。この熱交換によって、セルスタック群14に供給する空気を予熱しておくことができる。予熱した空気をセルスタック群14に供給することができるために、セルスタック群14を発電適温に維持することができる。
空気を予熱することによって燃焼排ガスは冷却される。冷却された燃焼排ガスは、混合器130において、燃料ガスと水蒸気の混合ガスを予熱するには十分に高温であり、燃料ガスから炭素を析出させてしまう程には高温でない。改質器18に予熱された混合ガスを供給すること、改質器18の近傍でオフガスを燃焼させることによって、改質器18の全体を改質適温に維持することができる。本実施例の発電ユニット10は、熱自立することができている。
The environmental temperature at which the electrochemical reaction of the
The combustion exhaust gas rising in the cell
At this time, the air introduced from the
The flue gas is cooled by preheating the air. The cooled combustion exhaust gas is sufficiently hot to preheat the mixed gas of fuel gas and water vapor in the
排ガス通過室46を流れる燃焼排ガスが過度に冷却されると、燃焼排ガスから結露して、排ガス通過室46の下部に水が溜まってしまう。排ガス通過室46に水が溜まると、排ガス通過室46が閉塞してしまったり、内部の機器が腐食してしまうおそれがある。
本実施例の発電ユニット10では、空気通過室48が排ガス通過室46の底面を覆っていないため、排ガス通過室46の下部において燃焼排ガスが過剰に冷却されない。これによって、排ガス通過室46内での燃焼排ガスの結露が抑制されて、装置の内部に水が溜まることによる不具合が回避されている。
If the combustion exhaust gas flowing through the exhaust
In the
(第1実施例の変形例)
図7は第1実施例の発電ユニット10の変形例である発電ユニット200の横断面を示している。
発電ユニット200では、排ガス通過室46がセル群収容室44の底面と、長手方向の両側面と、短手方向の両側面と、開口した上部を取囲むように設けられている。セル群収容室44の短手方向(図7の上下方向)の両側面の中央部分202は排ガス通過室46で覆われておらず、その中央部分202を除いた周辺部分204は排ガス通過室46で覆われている。セル群収容室44の短手方向の両側面の周辺部分204の外側に形成された排ガス通過室46は、発電ユニット200の上下方向(図2の紙面垂直方向)に伸びる流路を形成しており、内部にはフィン56が形成されている。
(Modification of the first embodiment)
FIG. 7 shows a cross section of a
In the
空気通過室48は、排ガス通過室46の長手方向の両側面と、短手方向の両側面と、上面を取囲むように設けられている。排ガス通過室46の短手方向の両側面に形成された空気通過室48は、発電ユニット200の上下方向(図2の紙面垂直方向)に伸びる流路を形成しており、内部にはフィン54が形成されている。セル群収容室44の短手方向の両側面の中央部分202は、排ガス通過室46にも空気通過室48にも覆われていない。
The
発電ユニット200では、セル群収容室44の短手方向の両側面の中央部分202は、排ガス通過室46にも空気通過室48にも覆われておらず、外壁40によって直接的に覆われている。この短手方向の両側面の中央部分202を貫通するように電力取出線100やシース熱電対120を引き出す構成とすることによっても、シールすべき箇所を最小限にすることができる。発電ユニット200のメンテナンス作業を容易に行うことができる。
In the
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. The technology illustrated in this specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
10・・・・発電ユニット
12・・・・燃料電池セル
12a・・・燃料極
12b・・・固体電解質層
12c・・・酸素極
12d・・・インターコネクタ
14・・・・セルスタック
16・・・・空気供給部材
18・・・・改質器
20・・・・改質ガス通路
22・・・・集電部材
24・・・・水平マニホールド
25・・・・改質ガス供給管
27・・・・混合ガス供給管
28・・・・渡り配管
29・・・・垂直マニホールド
34・・・・空気導入管
36a・・・固定用壁
36b・・・固定用壁の穴
40・・・・外壁
44・・・・セル群収容室
46・・・・排ガス通過室
48・・・・空気通過室
50・・・・空気供給管
52・・・・邪魔板
54・・・・フィン
56・・・・フィン
60・・・・排ガス排出管
62・・・・燃料ガス供給管
64・・・・水供給管
100・・・電力取出線
102・・・碍子管
104・・・段付き碍子管
106・・・シールパッキン
108・・・固定板
110・・・制御基板
120・・・シース熱電対
122・・・温度計測部
124・・・フランジ
126・・・シールパッキン
128・・・端子
130・・・混合器
200・・・発電ユニット
202・・・セル群収容室の短手方向の両側面の中央部分
204・・・セル群収容室の短手方向の両側面の周辺部分
DESCRIPTION OF
Claims (4)
燃料電池セル群を収容するセル群収容室と、
セル群収容室の周囲に形成されており、セル群収容室から発電装置の外部へ排出される排ガスが通過する排ガス通過室を備えており、
セル群収容室の外面の少なくとも一部は、排ガス通過室に覆われていないことを特徴とする発電装置。 A power generation device using a solid oxide fuel cell;
A cell group storage chamber for storing fuel cell groups;
It is formed around the cell group storage chamber, and includes an exhaust gas passage chamber through which exhaust gas discharged from the cell group storage chamber to the outside of the power generation device passes.
At least a part of the outer surface of the cell group housing chamber is not covered with the exhaust gas passage chamber.
セル群収容室の外面の前記少なくとも一部は、排ガス通過室にも有酸素ガス通過室にも覆われていないことを特徴とする請求項1の発電装置。 It is formed around the exhaust gas passage chamber, and further includes an aerobic gas passage chamber through which the aerobic gas supplied to the cell group housing chamber from the outside of the power generation device passes.
2. The power generator according to claim 1, wherein the at least part of the outer surface of the cell group housing chamber is not covered by the exhaust gas passage chamber or the aerobic gas passage chamber.
排ガス通過室の下部が発電装置の外部と連通しており、
排ガス通過室の底面が有酸素ガス通過室に覆われていないことを特徴とする請求項3の発電装置。 The upper part of the cell group storage chamber communicates with the exhaust gas passage chamber,
The lower part of the exhaust gas passage chamber communicates with the outside of the power generator,
The power generator according to claim 3, wherein the bottom surface of the exhaust gas passage chamber is not covered with the aerobic gas passage chamber.
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