JP2009037867A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池モジュール、燃焼器、燃料ガス供給装置、酸化剤ガス供給装置、水供給装置、水容器、電力変換装置及び制御装置が筐体に収容される燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system in which a fuel cell module, a combustor, a fuel gas supply device, an oxidant gas supply device, a water supply device, a water container, a power conversion device, and a control device are housed in a casing.
通常、固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この固体電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。 In general, a solid oxide fuel cell (SOFC) uses an oxide ion conductor, for example, stabilized zirconia, as a solid electrolyte, and an electrolyte / electrode in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of the solid electrolyte. The joined body is sandwiched between separators (bipolar plates). This fuel cell is normally used as a fuel cell stack in which a predetermined number of electrolyte / electrode assemblies and separators are laminated.
上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやLNG等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料から改質原料ガスを得た後、この改質原料ガスに水蒸気改質や部分酸化改質、又はオートサーマル改質等を施すことにより、改質ガス(燃料ガス)が生成されている。 As the fuel gas supplied to the fuel cell, hydrogen gas generated from a hydrocarbon-based raw fuel by a reformer is usually used. In a reformer, generally, after obtaining a reforming raw material gas from a hydrocarbon-based raw fuel such as fossil fuels such as methane and LNG, steam reforming, partial oxidation reforming, or A reformed gas (fuel gas) is generated by performing autothermal reforming or the like.
この場合、単一のユニットケース内に、燃料電池、改質装置、前記燃料電池で発生した直流電力を電源出力仕様に変換する電力変換装置、制御装置及び補機類を内蔵した燃料電池システム(燃料電池装置)が知られている。 In this case, a fuel cell system in which a fuel cell, a reformer, a power conversion device that converts DC power generated in the fuel cell into a power output specification, a control device, and auxiliary devices are built in a single unit case ( Fuel cell devices) are known.
例えば、特許文献1に開示されている燃料電池装置は、図10に示すように、パッケージ1を備えており、メンテナンスの必要な部品である浄化装置2、イオン交換装置3及び脱硫器4が、前記パッケージ1の外面パネルである正面パネル5の近傍に配置されている。
For example, as shown in FIG. 10, the fuel cell device disclosed in Patent Document 1 includes a package 1, and a
これにより、メンテナンスを必要とする部品は、パッケージ1の内部ではなく、装置本体の外郭をなす正面パネル5の近傍に配置されている。従って、燃料電池装置の運転を継続するのに交換や再生等が必要な部品について、メンテナンスを容易に行うことができる、としている。
As a result, the parts requiring maintenance are arranged not in the package 1 but in the vicinity of the
また、通常、水蒸気改質を行う構成では、改質反応に使用される水蒸気量を確保するために、水を補給する必要がある。その際、外部からの水の補給を不要とし、補機損失を抑制してシステム効率の向上を図るため、種々の提案がなされている。 In general, in a configuration in which steam reforming is performed, it is necessary to replenish water in order to ensure the amount of steam used for the reforming reaction. At that time, various proposals have been made in order to eliminate the need for water supply from the outside and suppress the loss of auxiliary equipment to improve the system efficiency.
例えば、特許文献2に開示されている固体酸化物形燃料電池システムでは、図11に示すように、水素リッチな改質ガスを生成する改質器1aと、改質用燃料の水を加熱する水加熱手段2aと、燃料電池3aと、前記燃料電池3aより排出される排気ガスから水及び熱を回収する水・熱回収器4aと、前記水・熱回収器4aが回収した水を蓄える水回収用タンク5aと、前記水回収用タンク5aから水加熱手段2aに水を供給するポンプ6aとを具備している。
For example, in the solid oxide fuel cell system disclosed in
また、特許文献3に開示されている燃料電池発電装置の水回収装置では、図12に示すように、燃料電池スタック1b及び燃料改質器2bを収容した燃料電池モジュール3bを備えている。この燃料電池モジュール3bから排出される排ガス中の水蒸気は、熱回収装置4b及び自然冷却部5bを含む凝縮器により液化されるとともに、この液化した水は、前記燃料電池モジュール3bに供給されている。その際、凝縮器の下流部には、水を回収するための水タンク6bが配設されており、この水タンク6bの水圧を利用して水を燃料電池モジュール3bに供給している。
Further, as shown in FIG. 12, the water recovery device for a fuel cell power generator disclosed in
しかしながら、上記の特許文献1では、各機器の作動温度や機能を考慮した配置(レイアウト)がなされていない。このため、特に、高温型燃料電池(固体酸化物形燃料電池や溶融炭酸塩形燃料電池等)や、中温型燃料電池(リン酸形燃料電池や水素分離膜形燃料電池等)が用いられる際、作動温度が低温である低温部が、熱や流体の拡散による影響を受け易いという問題がある。 However, in said patent document 1, arrangement | positioning (layout) which considered the operating temperature and function of each apparatus is not made. For this reason, particularly when high-temperature fuel cells (solid oxide fuel cells, molten carbonate fuel cells, etc.) and medium-temperature fuel cells (phosphoric acid fuel cells, hydrogen separation membrane fuel cells, etc.) are used. There is a problem that the low temperature portion where the operating temperature is low is easily affected by diffusion of heat and fluid.
また、上記の特許文献2では、水・熱回収器4a、水回収用タンク5a及びポンプ6aの相互の配置関係については、何ら考慮されていない。従って、特に、ポンプ6aにエア噛みが発生すると、このポンプ6aが劣化するとともに、電圧変動やコーキングが発生し、発電性及び耐久性が低下するという問題がある。
Further, in the above-mentioned
さらにまた、上記の特許文献3では、水タンク6bの水圧(水頭圧)のみで水を燃料電池モジュール3bに供給する水流量が制御されるため、例えば、始動時や部分負荷時等の応答性が低下するという問題がある。
Furthermore, in the above-mentioned
しかも、長期の発電等によってシステム内に圧力損失の差が惹起されると、燃料電池モジュール3bに供給される水流量が変化してしまう。これにより、最適なS/C(スチーム/カーボン)に維持することが困難になるという問題がある。
In addition, when a difference in pressure loss is induced in the system due to long-term power generation or the like, the flow rate of water supplied to the
その上、水タンク6bは、水頭圧を利用するために、燃料電池モジュール3bの側方上部側に配置しなければならない。このため、システム全体のレイアウトの自由度が低下するとともに、水タンク6bから水漏れが発生した際に、他の設備への影響が懸念される。
Moreover, the
本発明はこの種の問題を解決するものであり、各機器を作動温度毎及び機能毎に配置して熱や流体の拡散を最小化するとともに、水供給装置のエア噛みを可及的に阻止することで、水を安定的に供給し、性能及び耐久性の低下を抑制させる燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention solves this kind of problem and arranges each device for each operating temperature and function to minimize the diffusion of heat and fluid and to prevent the air supply device from being caught by air as much as possible. Thus, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that stably supplies water and suppresses deterioration in performance and durability.
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールを昇温させる燃焼器と、前記燃料電池モジュールに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池モジュールに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池モジュールに水を供給する水供給装置と、前記水供給装置に水を供給する水容器と、前記燃料電池モジュールで発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置と、前記燃料電池モジュールの発電量を制御する制御装置とを筐体に収容する燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell module that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, a combustor that raises the temperature of the fuel cell module, and a fuel gas supply device that supplies the fuel gas to the fuel cell module An oxidant gas supply device for supplying the oxidant gas to the fuel cell module, a water supply device for supplying water to the fuel cell module, a water container for supplying water to the water supply device, and the fuel The present invention relates to a fuel cell system that houses a power conversion device that converts DC power generated in a battery module into required specification power and a control device that controls the amount of power generated by the fuel cell module.
そして、筐体は、燃料電池モジュール及び燃焼器が配置されるモジュール部と、燃料ガス供給装置、酸化剤ガス供給装置、水供給装置及び水容器が配置される一方、前記水供給装置が最下位置且つ最下流に配置される流体供給部と、電力変換装置及び制御装置が配置される電装部とに分割されるとともに、平面視多角形状を有する前記モジュール部は、一の角部を挟んで第1の側面及び第2の側面を有し、前記第1の側面側に前記流体供給部が配置され、且つ前記第2の側面側に前記電装部が配置されている。 The casing includes a module unit in which the fuel cell module and the combustor are disposed, a fuel gas supply device, an oxidant gas supply device, a water supply device, and a water container, while the water supply device is at the bottom. The module part having a polygonal shape in plan view is divided into a fluid supply part disposed at the most downstream position and an electrical part in which the power conversion device and the control device are disposed. It has a first side surface and a second side surface, the fluid supply unit is disposed on the first side surface side, and the electrical component is disposed on the second side surface side.
また、流体供給部は、水容器から供給される水に含まれる不純物を除去し、前記不純物が除去された前記水を水供給装置に供給するイオン交換装置を備え、前記イオン交換装置は、前記水容器よりも下方且つ下流に配置されることが好ましい。このため、水容器からイオン交換装置に水が供給される際、水頭圧を利用して前記イオン交換装置における気泡の発生を抑制することができる。また、水容器内にシリカ等の異物が混入しても、イオン交換装置により燃料電池モジュールへの混入を抑制できる。 The fluid supply unit includes an ion exchange device that removes impurities contained in water supplied from a water container, and supplies the water from which the impurities have been removed to a water supply device, and the ion exchange device includes: It is preferable to arrange below and downstream of the water container. For this reason, when water is supplied from the water container to the ion exchange device, generation of bubbles in the ion exchange device can be suppressed by utilizing the water head pressure. Moreover, even if a foreign substance such as silica is mixed in the water container, mixing into the fuel cell module can be suppressed by the ion exchange device.
しかも、イオン交換装置は、水供給装置よりも上流に配置されるため、前記水供給装置による高圧力(水圧)が前記イオン交換装置に付与されることがない。これにより、イオン交換装置の耐久性、寿命及びシール性を良好に維持することが可能になる。 And since an ion exchange apparatus is arrange | positioned upstream from a water supply apparatus, the high pressure (water pressure) by the said water supply apparatus is not provided to the said ion exchange apparatus. Thereby, it becomes possible to maintain the durability, life, and sealability of the ion exchange device well.
さらに、流体供給部は、燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気を凝縮し、凝縮された水を水容器に供給する凝縮器を備え、前記凝縮器は、前記水容器よりも上方且つ上流に配置されることが好ましい。従って、燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水分は、重力により水容器に対して効率的に回収される。 The fluid supply unit further includes a condenser that condenses water vapor in the exhaust gas discharged from the fuel cell module and supplies the condensed water to a water container, the condenser being above and upstream of the water container. It is preferable to arrange | position. Therefore, the moisture in the exhaust gas discharged from the fuel cell module is efficiently recovered by the gravity with respect to the water container.
さらにまた、水容器は、樹脂材で構成されることが好ましい。このため、例えば、燃料電池システムの運転停止中に、水容器に水が長時間にわたって貯留されていても、前記水に金属イオンが溶出することを可及的に阻止することができる。これにより、燃料電池モジュールに対して最適な水を供給し、さらに、水道水ではなく、純水による循環系(リサイクル系)を実現することにより、イオン交換装置の負荷軽減による耐久性の向上が容易に図られる。 Furthermore, the water container is preferably made of a resin material. For this reason, for example, even when water is stored in the water container for a long time while the operation of the fuel cell system is stopped, it is possible to prevent the metal ions from being eluted into the water as much as possible. As a result, optimal water is supplied to the fuel cell module, and further, the durability is improved by reducing the load on the ion exchanger by realizing a circulation system (recycling system) using pure water instead of tap water. Easy to plan.
また、筐体は、モジュール部、流体供給部及び電装部を開閉自在な開閉扉を備えることが好ましい。これにより、各機器毎に応じた保守及びメンテナンスが効率的に遂行される。 Moreover, it is preferable that a housing | casing is provided with the opening-and-closing door which can open and close a module part, a fluid supply part, and an electrical equipment part. Thus, maintenance and maintenance corresponding to each device are efficiently performed.
さらに、筐体は、鉛直軸回りに回転可能な回転機構を備えることが好ましい。このため、筐体を回転させることにより、モジュール部、流体供給部又は電装部を開閉する開閉扉を、作業者が開閉し易い位置に配置させることができ、保守やメンテナンスの作業性が良好に向上する。 Furthermore, it is preferable that the housing includes a rotation mechanism that can rotate around a vertical axis. For this reason, by rotating the housing, the open / close door that opens and closes the module unit, fluid supply unit, or electrical unit can be placed at a position that is easy for the operator to open and close, and maintenance and workability of the maintenance are good. improves.
さらにまた、筐体は、モジュール部、流体供給部及び電装部を水平方向に沿って縦仕切り板により分割することが好ましい。作動温度毎及び機能毎にモジュール部、流体供給部及び電装部に分割されるため、熱や流体の拡散を最小化し得るとともに、機能上、良好に配置することが可能になる。しかも、流体供給部は、筐体の外壁部を構成しており、前記流体供給部の冷却が促進されて高温化し難くなっている。同様に、電装部も、筐体の外壁部を構成しており、前記電装部の冷却が促進されて高温化し難くなっている。 Furthermore, it is preferable that a housing | casing divides | segments a module part, a fluid supply part, and an electrical equipment part with a vertical partition plate along a horizontal direction. Since it is divided into a module part, a fluid supply part, and an electrical part for each operating temperature and each function, diffusion of heat and fluid can be minimized, and it can be arranged well in terms of function. And the fluid supply part comprises the outer wall part of a housing | casing, Cooling of the said fluid supply part is accelerated | stimulated and it is hard to raise in temperature. Similarly, the electrical component also constitutes the outer wall of the housing, and cooling of the electrical component is promoted, making it difficult to increase the temperature.
また、燃料電池モジュールは、高温型燃料電池システム、例えば、固体酸化物形燃料電池(SOFC)モジュールであることが好ましく、これにより、良好な効果が得られる。 Further, the fuel cell module is preferably a high-temperature fuel cell system, for example, a solid oxide fuel cell (SOFC) module, whereby a good effect can be obtained.
さらに、固体酸化物形燃料電池モジュールは、少なくとも固体電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される固体酸化物形燃料電池を設け、複数の前記固体酸化物形燃料電池が積層される固体酸化物形燃料電池スタックと、酸化剤ガスを前記固体酸化物形燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器とを備えることが好ましい。 Further, the solid oxide fuel cell module includes a solid oxide fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly configured by sandwiching at least a solid electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode and a separator are stacked, The solid oxide fuel cell stack in which the solid oxide fuel cells are stacked, a heat exchanger that heats an oxidant gas before supplying the solid oxide fuel cell stack, and a hydrocarbon as a main component In order to generate a mixed fuel of raw fuel and water vapor, it is preferable to include an evaporator that evaporates water and a reformer that reforms the mixed fuel to generate a reformed gas.
本発明によれば、筐体内は、燃料電池モジュール及び燃焼器が収容されるモジュール部と、燃料ガス供給装置、酸化剤ガス供給装置、水供給装置及び水容器が配置される流体供給部と、電力変換装置及び制御装置が配置される電装部とに分割されている。このため、筐体内は、作動温度毎及び機能毎に分割されており、熱や流体の拡散を最小化するとともに、機能上、最適な配置が遂行可能になる。 According to the present invention, the housing includes a module unit that accommodates the fuel cell module and the combustor, a fuel gas supply device, an oxidant gas supply device, a water supply device, and a fluid supply unit in which the water container is disposed. The power conversion device and the control device are divided into electrical parts. For this reason, the inside of the housing is divided for each operating temperature and for each function, so that the diffusion of heat and fluid is minimized, and an optimal arrangement for the function can be performed.
さらに、モジュール部の第1の側面側には、流体供給部が配置されている。従って、流体供給部は、筐体の外壁部を構成しており、前記流体供給部の冷却が促進されて高温化し難くなっている。同様に、モジュール部の第2の側面側には、電装部が配置されている。このため、電装部は、筐体の外壁部を構成しており、前記電装部の冷却が促進されて高温化し難くなっている。これにより、比較的低温で使用される機器、例えば、ポンプ類を含む流体供給部及び制御装置を含む電装部は、熱影響が及ぶことを可及的に阻止されるため、良好な機能を確実に維持して作動することが可能になる。 Furthermore, a fluid supply unit is disposed on the first side surface side of the module unit. Therefore, the fluid supply part constitutes the outer wall part of the housing, and cooling of the fluid supply part is promoted, and it is difficult to increase the temperature. Similarly, an electrical component is disposed on the second side surface side of the module unit. For this reason, the electrical equipment part constitutes the outer wall part of the housing, and cooling of the electrical equipment part is promoted and it is difficult to increase the temperature. As a result, devices that are used at a relatively low temperature, for example, a fluid supply unit including pumps and an electrical component including a control device are prevented from being affected by heat as much as possible. It is possible to operate while maintaining the above.
さらにまた、流体供給部では、燃料ガス供給装置、酸化剤ガス供給装置、水供給装置及び水容器が配置されるとともに、前記水供給装置が最下位置且つ最下流に配置されている。従って、水供給装置から水漏れが発生しても、他の装置に該水漏れによる影響が及ぶことを阻止することができる。 Furthermore, in the fluid supply unit, a fuel gas supply device, an oxidant gas supply device, a water supply device, and a water container are disposed, and the water supply device is disposed at the lowest position and the most downstream. Therefore, even if a water leak occurs from the water supply device, it is possible to prevent other devices from being affected by the water leak.
しかも、水容器から水供給装置に対して水が水頭圧により供給されるため、前記水供給装置のエア噛みの発生を可及的に防止することが可能になる。これにより、水供給装置の性能低下、改質器へのエア混入、電極への炭素付着(コーキング)及び燃料電池モジュールの発電電圧の不安定化を有効に回避することができる。 In addition, since water is supplied from the water container to the water supply device by the water head pressure, it is possible to prevent as much as possible the occurrence of air biting in the water supply device. Thereby, it is possible to effectively avoid performance degradation of the water supply device, air mixing into the reformer, carbon adhesion (coking) to the electrode, and instability of the power generation voltage of the fuel cell module.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システム10の機械系回路を示す概略構成説明図である。図2は、前記燃料電池システム10の斜視説明図であり、図3は、前記燃料電池システム10の平面説明図であり、図4は、前記燃料電池システム10の正面説明図であり、図5は、前記燃料電池システム10の回路図である。
FIG. 1 is a schematic configuration explanatory view showing a mechanical circuit of a
燃料電池システム10は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池システム10は、燃料ガス(水素ガス)と酸化剤ガス(空気)との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール12と、前記燃料電池モジュール12を昇温させる燃焼器(例えば、トーチヒータ)14と、前記燃料電池モジュール12に原燃料(例えば、都市ガス)を供給する燃料ガス供給装置(燃料ガスポンプを含む)16と、前記燃料電池モジュール12に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置(エアポンプを含む)18と、前記燃料電池モジュール12に水を供給する水供給装置(水ポンプを含む)20と、前記水供給装置20に水を供給する樹脂製の水容器21と、前記水容器21から供給される水に含まれる不純物を除去し、前記不純物が除去された前記水を前記水供給装置20に供給するイオン交換装置(イオン交換フィルタ)23と、前記燃料電池モジュール12から排出される排ガス中の水蒸気を凝縮し、凝縮された水を前記水容器21に供給する凝縮器(熱交換器)25と、前記燃料電池モジュール12で発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置22と、前記燃料電池モジュール12の発電量を制御する制御装置24とを備え、これらが単一の筐体26に収容される。
The
燃料電池モジュール12は、図示しないが、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される固体電解質(固体酸化物)をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体28とセパレータ30とが積層される固体酸化物形の燃料電池32を設け、複数の前記燃料電池32が鉛直方向に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック34を備える(図6参照)。
Although not shown, the
図4に示すように、燃料電池スタック34の積層方向上端側には、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック34に供給する前に加熱する熱交換器36と、脱硫原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器38と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器40とが配設される。
As shown in FIG. 4, on the upper end side in the stacking direction of the
燃料電池スタック34の積層方向下端側には、前記燃料電池スタック34を構成する燃料電池32に積層方向(矢印A方向)に沿って締め付け荷重を付与するための荷重付与機構42が配設される(図5参照)。
At the lower end side in the stacking direction of the
改質器40は、都市ガス(燃料ガス)中に含まれるエタン(C2H6)、プロパン(C3H6)及びブタン(C4H10)等の高級炭化水素(C2+)を、主としてメタン(CH4)を含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。
The
燃料電池32は、作動温度が数百℃と高温であり、電解質・電極接合体28では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素が得られ、この水素がアノード電極に供給される。
The
熱交換器36は、図6に示すように、燃料電池スタック34から排出される使用済み反応ガス(以下、排ガス又は燃焼排ガスともいう)を流すための第1排ガス通路44と、被加熱流体である空気を排ガスと対向流に流すための空気通路46とを有する。第1排ガス通路44は、蒸発器38に水を蒸発させるための熱源として排ガスを供給するための第2排ガス通路48に連通する。この第2排ガス通路48は、排気管50に連通する。空気通路46の上流側は、空気供給管52に連通するとともに、前記空気通路46の下流側は、燃料電池スタック34の酸化剤ガス供給連通孔53に連通する。
As shown in FIG. 6, the
蒸発器38は、互いに同軸上に配設される外管部材54aと内管部材54bとを備える2重管構造を採用し、この2重管は、第2排ガス通路48内に配置される。外管部材54aと内管部材54bとの間には、原燃料通路56が形成されるとともに、前記内管部材54b内には、水通路58が形成される。蒸発器38の第2排ガス通路48は、主排気管60に連通する。
The
外管部材54aには、改質器40の入口部に連結される混合燃料供給管62が接続される。改質器40の出口側には、改質ガス供給路64の一端が連結されるとともに、前記改質ガス供給路64の他端は、燃料電池スタック34の燃料ガス供給連通孔66に連通する。燃料電池モジュール12及び燃焼器14は、断熱材68に囲繞される(図4参照)。
A mixed
図5に示すように、燃料ガス供給装置16は、原燃料通路56に接続される。酸化剤ガス供給装置18は、空気供給管52に接続されるとともに、前記空気供給管52の途上に設けられた切換弁84には、空気分岐通路86が接続される。この空気分岐通路86は、燃焼器14に接続される。燃焼器14は、例えば、トーチヒータを備えており、空気及び電流が供給される。
As shown in FIG. 5, the fuel
図1及び図5に示すように、凝縮器25の下流には、水容器21が接続され、前記水容器21の下流には、イオン交換装置23が接続され、さらに、前記イオン交換装置23の下流には、水供給装置20が接続される。この水供給装置20には、水通路58が連通する。
As shown in FIG. 1 and FIG. 5, a
燃料ガス供給装置16、酸化剤ガス供給装置18及び水供給装置20は、制御装置24により制御されるとともに、前記制御装置24には、燃料ガスを検知する検知器88が電気的に接続される。電力変換装置22には、例えば、商用電源90(又は、負荷や2次電池等)が接続される。
The fuel
図2〜図4に示すように、筐体26は、全体として矩形状を有する外枠92を有する。この外枠92内には、筐体26内を矢印B方向(水平方向)に分割するための第1縦仕切り板94と、矢印C方向(矢印B方向に交差する水平方向)に分割するための第2縦仕切り板96とが設けられる。
As shown in FIGS. 2 to 4, the
図2及び図3に示すように、平面視四角形状(多角形状)を有するモジュール部98は、一の角部を挟んで第1の側面である第1縦仕切り板94及び第2の側面である第2縦仕切り板96を有する。第1縦仕切り板94側には、流体供給部100が配置される一方、第2縦仕切り板96側には、電装部102が配置されることにより、前記流体供給部100及び前記電装部102は、それぞれ筐体26の外壁部を構成する。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
図2及び図4に示すように、モジュール部98には、燃料電池モジュール12及び燃焼器14が収容されるとともに、前記燃料電池モジュール12は、前記燃焼器14の上方に配置される。燃料電池モジュール12及び燃焼器14は、断熱材68内に収容されている。電装部102には、電力変換装置22及び制御装置24が配置される。なお、図2及び図3に示すように、電装部102は、流体供給部100よりも大きな容積に設定されているが、前記流体供給部100を前記電装部102よりも大きな容積に設定してもよい。
As shown in FIGS. 2 and 4, the
図4に示すように、流体供給部100は、横仕切り板104を介して第1供給部106と第2供給部108とに、上下に2分割される。第1供給部106には、燃料ガス供給装置16及び検知器88が収容されるとともに、前記検知器88は、前記燃料ガス供給装置16の上方に配置される。
As shown in FIG. 4, the
第2供給部108には、酸化剤ガス供給装置18、凝縮器25、水容器21、イオン交換装置23及び水供給装置20が配置されるとともに、前記水供給装置20は、流体供給部100の最下位置且つ最下流に配置される。凝縮器25の下方且つ下流に水容器21が配置され、前記水容器21の下方且つ下流にイオン交換装置23が配置され、前記イオン交換装置23の下方且つ下流に水供給装置20が配置される。
The
酸化剤ガス供給装置18及び凝縮器25は、第2供給部108内で載置台110aを介して保持され、水容器21は、載置台110bを介して保持され、イオン交換装置23は、載置台110cを介して保持される。
The oxidant
図2及び図3に示すように、筐体26は、平面視四角形状を有し、この筐体26の各側面を開閉自在な第1開閉扉112a、第2開閉扉112b、第3開閉扉112c及び第4開閉扉112dを備える。第1開閉扉112a〜第4開閉扉112dの一端部は、蝶番(又は、ヒンジ)114を介して、筐体26の外枠92に対し開閉自在に支持される。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
第1開閉扉112aは、モジュール部98及び電装部102の一部を一体に開閉し、第2開閉扉112bは、前記モジュール部98及び流体供給部100の一部を一体に開閉する。第3開閉扉112cは、流体供給部100及び電装部102の一部を一体に開閉し、第4開閉扉112dは、前記電装部102を開閉する。
The first opening /
なお、第1開閉扉112a及び第2開閉扉112bが、モジュール部98のみを開閉し、第3開閉扉112cが流体供給部100のみを開閉し、第4開閉扉112dが、電装部102のみを開閉するように構成してもよい。
The first opening /
筐体26は、図2及び図4に示すように、回転機構120を介して鉛直軸回りに回転可能に構成される。この回転機構120は、例えば、回転テーブル等の公知の構造を採用している。
As shown in FIGS. 2 and 4, the
このように構成される燃料電池システム10の動作について、以下に説明する。
The operation of the
図5に示すように、燃料ガス供給装置16の駆動作用下に、原燃料通路56には、例えば、都市ガス(CH4、C2H6、C3H8、C4H10を含む)等の原燃料が供給される。一方、水供給装置20の駆動作用下に、水通路58には、水が供給されるとともに、空気供給管52には、酸化剤ガス供給装置18を介して酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。
As shown in FIG. 5, under the driving action of the fuel
図6に示すように、蒸発器38では、原燃料通路56を流れる原燃料に水蒸気が混在されて混合燃料が得られ、この混合燃料は、混合燃料供給管62を介して改質器40の入口部に供給される。混合燃料は、改質器40内で水蒸気改質され、C2+の炭化水素が除去(改質)されてメタンを主成分とする改質ガスが得られる。この改質ガスは、改質器40の出口部に連通する改質ガス供給路64を通って燃料電池スタック34の燃料ガス供給連通孔66に供給される。このため、改質ガス中のメタンが改質されて水素ガスが得られ、この水素ガスを主成分とする燃料ガスは、アノード電極(図示せず)に供給される。
As shown in FIG. 6, in the
一方、空気供給管52から熱交換器36に供給される空気は、この熱交換器36の空気通路46に沿って移動する際、第1排ガス通路44に沿って移動する後述する排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器36で加温された空気は、燃料電池スタック34の酸化剤ガス供給連通孔53に供給され、図示しないカソード電極に供給される。
On the other hand, when the air supplied from the
従って、電解質・電極接合体28では、燃料ガスと空気との電気化学反応により発電が行われる。各電解質・電極接合体28の外周部に排出される高温(数百℃)の排ガスは、熱交換器36の第1排ガス通路44を通って空気と熱交換を行い、この空気を所望の温度に加温して温度低下が惹起される。
Therefore, in the electrolyte /
この排ガスは、第2排ガス通路48に沿って移動することにより、水通路58を通過する水を蒸発させる。蒸発器38を通過した排ガスは、主排気管60を介して凝縮器25に送られて水蒸気が凝縮される一方、排ガス成分が外部に排出される。
The exhaust gas moves along the second
この場合、第1の実施形態では、図2〜図4に示すように、筐体26内は、燃料電池モジュール12及び燃焼器14が収容されるモジュール部98と、検知器88、燃料ガス供給装置16、酸化剤ガス供給装置18、凝縮器25、水容器21、イオン交換装置23及び水供給装置20が配置される流体供給部100と、電力変換装置22及び制御装置24が配置される電装部102とに分割されている。このため、筐体26内は、作動温度毎及び機能毎に分割されており、熱や流体の拡散を最小化するとともに、機能上、最適な配置が遂行可能になる。
In this case, in the first embodiment, as shown in FIGS. 2 to 4, the inside of the
さらに、第1の実施形態では、モジュール部98の第1の側面(第1縦仕切り板94)側には、流体供給部100が配置されている。従って、流体供給部100は、実質的に筐体26の外壁部を構成しており、前記流体供給部100の冷却が促進されて高温化し難くなっている。同様に、モジュール部98の第2の側面(第2縦仕切り板96)側には、電装部102が配置されている。このため、電装部102は、実質的に筐体26の外壁部を構成しており、前記電装部102の冷却が促進されて高温化し難くなっている。
Furthermore, in the first embodiment, the
これにより、低温部(40℃前後)に維持する必要がある制御装置24を含む電装部102及びポンプ類を含む流体供給部100は、良好な機能を確実に維持して作動することが可能になるという利点がある。
As a result, the
さらにまた、第1の実施形態では、図1及び図2に示すように、筐体26を構成する各側面に対応して第1開閉扉112a、第2開閉扉112b、第3開閉扉112c及び第4開閉扉112dが設けられている。従って、例えば、モジュール部98のメンテナンスを行う際には、第1開閉扉112a及び/又は第2開閉扉112bを開放するだけでよく、前記モジュール部98内のメンテナンス作業が容易に行われる。
Furthermore, in the first embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, the first opening /
一方、電装部102内の制御装置24の保守点検等を行う際には、第4開閉扉112dのみを開放させるだけでよく、前記制御装置24の保守点検作業が迅速且つ容易に遂行される。さらに、流体供給部100のポンプ類の保守点検等を行う際には、第3開閉扉112cのみを開放させるだけでよく、前記ポンプ類の保守点検作業が迅速且つ容易に遂行される。これにより、モジュール部98、流体供給部100及び電装部102毎に応じた保守やメンテナンスが、効率的に遂行可能になるという効果がある。
On the other hand, when performing maintenance and inspection of the
その際、筐体26は、回転機構120を介して鉛直軸回りに回転可能に構成されている。このため、筐体26を回転させることにより、第1開閉扉112a、第2開閉扉112b、第3開閉扉112c又は第4開閉扉112dを、作業者が開閉し易い位置に配置させることができ、保守やメンテナンスの作業性が一層向上するという利点がある。
At that time, the
また、筐体26の内部は、第1縦仕切り板94及び第2縦仕切り板96を介してモジュール部98、流体供給部100及び電装部102に分割されている。そして、モジュール部98には、燃料電池モジュール12及び燃焼器14が配置され、流体供給部100には、検知器88、燃料ガス供給装置16、酸化剤ガス供給装置18、凝縮器25、水容器21、イオン交換装置23及び水供給装置20が配置され、電装部102には、電力変換装置22及び制御装置24が配置されている。
The interior of the
このため、筐体26内は、作動温度毎及び機能毎にモジュール部98、流体供給部100及び電装部102に分割されており、熱や流体の拡散を最小化し得るとともに、機能上、良好に配置することが可能になる。なお、高温部であるモジュール部98において、例えば、燃料電池モジュール12及び燃焼器14を囲繞して断熱する断熱材68を相当に肉厚に構成することにより、外部への熱影響を抑制することも考えられる。
For this reason, the inside of the
さらに、燃料電池モジュール12では、高温型燃料電池システム、例えば、固体酸化物形燃料電池(SOFC)モジュールにより構成されることにより、良好な効果が得られるが、固体酸化物形燃料電池モジュールに代えて、他の高温型燃料電池モジュールや中温型燃料電池モジュールにも好適に用いることができる。例えば、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、リン酸形燃料電池(PAFC)及び水素分離膜形燃料電池(HMFC)等が良好に採用可能である。
Further, although the
さらにまた、第1の実施形態では、流体供給部100では、水供給装置20が最下位置且つ最下流に配置されている。従って、水供給装置20から水漏れが発生しても、他の装置に水漏れによる影響が及ぶことを阻止することができる。
Furthermore, in the first embodiment, in the
しかも、水容器21は、水供給装置20の上方且つ上流側に配置されており、前記水容器21から前記水供給装置20に対して、水が水頭圧により供給されている。このため、水供給装置20のエア噛みの発生を可及的に阻止することができる。
Moreover, the
これにより、水供給装置20の性能低下、改質器40へのエア混入、電極(特に、アノード電極)への炭素付着(コーキング)及び前記燃料電池モジュール12の発電電圧の不安定化を有効に阻止することができるという効果が得られる。
This effectively reduces the performance of the
また、イオン交換装置23は、水容器21よりも下方且つ下流に配置されている。従って、水容器21からイオン交換装置23に水が水頭圧により供給されるため、前記イオン交換装置23における気泡の発生を抑制することができる。
The
ここで、イオン交換装置23が水供給装置20の下流に配置されていると、このイオン交換装置23に混入した気泡が圧力緩衝機能を有してしまう。従って、燃料電池モジュール12への水供給遅れが発生して炭素付着が惹起し、燃料電池システム10の性能及び耐久性が低下するおそれがある。これにより、イオン交換装置23を水供給装置20の上流側に配置することにより、上記の問題を解消することができる。
Here, if the
また、イオン交換装置23は、水容器21よりも下方に配置されている。このため、水容器21内の水にシリカ等が混入しても、イオン交換装置23により前記シリカを除去することができ、燃料電池モジュール12への被毒物質の混入を抑制することが可能になる。
The
一方、イオン交換装置23は、水供給装置20よりも上方に配置されているため、前記水供給装置20による高圧力(水圧)が前記イオン交換装置23に付与されることがない。これにより、イオン交換装置23の耐久性、寿命及びシール性を良好に維持することが可能になる。
On the other hand, since the
さらに、凝縮器25は、水容器21よりも上方且つ上流に配置されている。従って、燃料電池モジュール12から排出される排ガス中の水分は、重力により水容器21に対して効率的に回収することができる。その際、水容器21は、樹脂材で構成されている。このため、例えば、燃料電池システム10の運転停止中に、水容器21に水が長時間にわたって貯留されていても、前記水に金属イオンが溶出することを阻止することが可能になる。これにより、燃料電池モジュール12に対して、最適な水を供給するとともに、イオン交換装置23の負荷軽減による耐久性の向上が容易に図られる。
Further, the
図7は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システム140の機械系回路を示す概略構成説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池システム10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第3の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
FIG. 7 is a schematic configuration explanatory view showing a mechanical circuit of the
燃料電池システム140では、燃料電池モジュール12を昇温させる燃焼器(例えば、バーナー)142を備える。原燃料通路56には、燃料ガス供給装置16の下流に切替バルブ144が配設され、この切替バルブ144に接続される原燃料分岐通路146は、燃焼器142に接続される。燃焼器142は、原燃料と空気とが供給されることにより燃焼を行う。
The
図8は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池システム160の正面説明図であり、図9は、前記燃料電池システム160の回路図である。
FIG. 8 is an explanatory front view of a
図8に示すように、燃料電池スタック34の積層方向上端側には、燃焼器14が配設される。この燃料電池スタック34の積層方向下端側には、熱交換器36と蒸発器38と改質器40とが配設される。
As shown in FIG. 8, the
このように構成される燃料電池システム160では、上記の第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られる。
In the
10、140、160…燃料電池システム
12…燃料電池モジュール 14、142…燃焼器
16…燃料ガス供給装置 18…酸化剤ガス供給装置
20…水供給装置 21…水容器
22…電力変換装置 23…イオン交換装置
24…制御装置 25…凝縮器
26…筐体 28…電解質・電極接合体
30…セパレータ 32…燃料電池
34…燃料電池スタック 36…熱交換器
38…蒸発器 40…改質器
58…水通路 92…外枠
98…モジュール部 100…流体供給部
102…電装部 106、108…供給部
112a〜112d…開閉扉 120…回転機構
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記燃料電池モジュールを昇温させる燃焼器と、
前記燃料電池モジュールに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
前記燃料電池モジュールに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池モジュールに水を供給する水供給装置と、
前記水供給装置に水を供給する水容器と、
前記燃料電池モジュールで発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置と、
前記燃料電池モジュールの発電量を制御する制御装置と、
を筐体に収容する燃料電池システムであって、
前記筐体は、前記燃料電池モジュール及び前記燃焼器が配置されるモジュール部と、
前記燃料ガス供給装置、前記酸化剤ガス供給装置、前記水供給装置及び前記水容器が配置される一方、前記水供給装置が最下位置且つ最下流に配置される流体供給部と、
前記電力変換装置及び前記制御装置が配置される電装部と、
に分割されるとともに、
平面視多角形状を有する前記モジュール部は、一の角部を挟んで第1の側面及び第2の側面を有し、前記第1の側面側に前記流体供給部が配置され、且つ前記第2の側面側に前記電装部が配置されることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell module that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas;
A combustor for heating the fuel cell module;
A fuel gas supply device for supplying the fuel gas to the fuel cell module;
An oxidant gas supply device for supplying the oxidant gas to the fuel cell module;
A water supply device for supplying water to the fuel cell module;
A water container for supplying water to the water supply device;
A power converter for converting direct current power generated in the fuel cell module into required specification power;
A control device for controlling the power generation amount of the fuel cell module;
A fuel cell system for housing
The housing includes a module part in which the fuel cell module and the combustor are disposed,
A fluid supply unit in which the fuel gas supply device, the oxidant gas supply device, the water supply device, and the water container are disposed, and the water supply device is disposed at the lowest position and the most downstream;
An electrical component in which the power conversion device and the control device are disposed;
Is divided into
The module portion having a polygonal shape in plan view has a first side surface and a second side surface across one corner, the fluid supply unit is disposed on the first side surface side, and the second side surface. The fuel cell system is characterized in that the electrical component is disposed on the side surface of the fuel cell.
前記イオン交換装置は、前記水容器よりも下方且つ下流に配置されることを特徴とする燃料電池システム。 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fluid supply unit removes impurities contained in water supplied from the water container and supplies the water from which the impurities have been removed to the water supply device. Equipped with equipment,
The fuel cell system, wherein the ion exchange device is disposed below and downstream of the water container.
前記凝縮器は、前記水容器よりも上方且つ上流に配置されることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the fluid supply unit includes a condenser that condenses water vapor in the exhaust gas discharged from the fuel cell module and supplies condensed water to the water container.
The fuel cell system, wherein the condenser is disposed above and upstream of the water container.
酸化剤ガスを前記固体酸化物形燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、
炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器と、
前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 9. The fuel cell system according to claim 8, wherein the solid oxide fuel cell module comprises a solid oxide in which at least a solid electrolyte is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode and a separator is laminated. A solid oxide fuel cell stack in which a solid fuel cell is provided and a plurality of the solid oxide fuel cells are stacked;
A heat exchanger that heats oxidant gas before supplying it to the solid oxide fuel cell stack;
An evaporator for evaporating water in order to produce a mixed fuel of raw fuel mainly composed of hydrocarbon and water vapor;
A reformer for reforming the mixed fuel to generate a reformed gas;
A fuel cell system comprising:
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2007
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