JP2011071092A - Cell stack device, fuel cell module, and fuel cell device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質器を備えるセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a cell stack device, a fuel cell module, and a fuel cell device including a reformer for generating fuel gas supplied to a fuel cell.
近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス(水素含有ガス)と空気(酸素含有ガス)とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数個立設させた状態で配列してなるセルスタックと、該セルスタックに供給する燃料ガスを生成するための改質器とを備えるセルスタック装置や、該セルスタック装置を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールが種々提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 In recent years, as next-generation energy, a cell stack in which a plurality of fuel cells that can obtain electric power using fuel gas (hydrogen-containing gas) and air (oxygen-containing gas) are arranged in a standing state Various cell stack devices including a reformer for generating fuel gas to be supplied to the cell stack and fuel cell modules in which the cell stack device is housed in a housing container have been proposed (for example, (See Patent Document 1).
ところで、燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するにあたっては、例えば、天然ガス等の炭化水素系ガスを水蒸気と反応させて燃料ガスを生成する水蒸気改質法が知られており、そのような改質を行うための改質器も種々提案されている。 By the way, in generating the fuel gas to be supplied to the fuel battery cell, for example, a steam reforming method for generating a fuel gas by reacting a hydrocarbon gas such as natural gas with steam is known. Various reformers for reforming have been proposed.
図9は従来の燃料電池モジュール60を示す外観斜視図であり、収納容器61よりセルスタック装置68を後方に引出した状態を示している。
FIG. 9 is an external perspective view showing a conventional
セルスタック装置68は、複数の燃料電池セル62を配列してなるセルスタック63を有しており、セルスタック63の上方にはUの字状の改質器65が配置されている。改質器65において、原燃料供給管67より供給された原燃料は、気化部69を通り、改質部70内にて水蒸気改質等の改質反応が行なわれて燃料ガス(水素含有ガス)に改質される。そして気化部69と改質部70とからなる改質器65にて生成された燃料ガスは、燃料ガス供給管66を介してマニホールド64に供給され、マニホールド64から各燃料電池セル62に燃料ガスが供給される。このような構成により、セルスタック装置68が構成されている。
The
ところで、上述の燃料電池モジュール60においては、改質器65で生成された燃料ガスが、マニホールド64の一端部側に接続された燃料ガス供給管66よりマニホールド64内に供給されることから、燃料ガス供給管66より遠い位置に配置された燃料電池セル62に十分な量の燃料ガスを供給することができず、セルスタック63の発電効率が低下するおそれがあった。
By the way, in the
それゆえ、本発明においては、セルスタックを構成する各燃料電池セルに効率よく燃料ガスを供給することができ、発電効率の向上したセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a cell stack device, a fuel cell module, and a fuel cell device that can efficiently supply fuel gas to each fuel cell constituting the cell stack and have improved power generation efficiency. Objective.
本発明のセルスタック装置は、内部に燃料ガス流路を有し、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電する柱状の燃料電池セルを、複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの一端部を固定するとともに前記燃料電池セルに前
記燃料ガスを供給するためのマニホールドと、前記セルスタックの他端部側に離間して配置された、前記マニホールドに供給する前記燃料ガスを生成するための改質器とを具備し、前記燃料電池セルの他端部側で発電に使用されなかった前記燃料ガスを燃焼させる構成のセルスタック装置であって、前記改質器は、外部より供給される原燃料を温度の上昇した原燃料ガスとするとともに、該原燃料ガスを送出するための原燃料ガス送出口を備える気化室と、前記燃料電池セルの配列方向に沿った中央部に前記気化室より送出された前記原燃料ガスが流入するための原燃料ガス流入口を備え、内部に前記原燃料ガスを前記燃料ガスに改質するための改質触媒を備えるとともに、前記燃料電池セルの配列方向に沿った両端部に前記燃料ガスを送出するための燃料ガス送出口を備えてなる改質室とを有しており、前記マニホールドは、前記燃料電池セルの配列方向に沿った両端部に、前記改質室より送出された燃料ガスが流入するための燃料ガス流入口を有し、それぞれの前記燃料ガス送出口とそれぞれの前記燃料ガス流入口とが、燃料ガス供給管により接続されていることを特徴とする。
The cell stack device of the present invention has a fuel gas flow path inside, and is arranged and electrically connected in a state where a plurality of columnar fuel cells that generate electricity with fuel gas and oxygen-containing gas are erected. A cell stack, a manifold for fixing one end of the fuel cell and supplying the fuel gas to the fuel cell, and a space disposed on the other end side of the cell stack, And a reformer for generating the fuel gas to be supplied to the manifold, the cell stack device configured to burn the fuel gas not used for power generation on the other end side of the fuel cell. The reformer converts the raw fuel supplied from the outside into a raw fuel gas having a raised temperature, a vaporization chamber having a raw fuel gas outlet for sending the raw fuel gas, and the fuel cell. Cell A raw fuel gas inflow port through which the raw fuel gas sent from the vaporization chamber flows in a central portion along the column direction, and reforming for reforming the raw fuel gas into the fuel gas inside A reforming chamber having a catalyst and a fuel gas delivery port for delivering the fuel gas to both ends along the arrangement direction of the fuel cells, and the manifold includes the fuel Fuel gas inlets through which the fuel gas delivered from the reforming chamber flows into both ends along the arrangement direction of the battery cells, and each of the fuel gas outlets and each of the fuel gas inlets Are connected by a fuel gas supply pipe.
また、本発明のセルスタック装置は、前記気化室が、前記改質室の上面に接して配置されており、前記気化室の前記原燃料ガス送出口と前記改質器の前記原燃料ガス流入口とが直接つながっていてもよい。 In the cell stack device of the present invention, the vaporization chamber is disposed in contact with the upper surface of the reforming chamber, and the raw fuel gas delivery port of the vaporization chamber and the raw fuel gas flow of the reformer are arranged. The entrance may be directly connected.
また、本発明のセルスタック装置は、前記気化室の前記原燃料ガス送出口と、前記改質室の前記原燃料ガス流入口とが連結部材により接続されていてもよい。 In the cell stack device of the present invention, the raw fuel gas delivery port of the vaporization chamber and the raw fuel gas inlet of the reforming chamber may be connected by a connecting member.
また、本発明のセルスタック装置は、前記気化室の前記燃料電池セルの配列方向に沿った両側部に、外部より供給される原燃料が流入するための原燃料流入口がそれぞれ設けられているとともに、前記燃料電池セルの配列方向に沿った中央部に前記原燃料ガス送出口が設けられていてもよい。 In the cell stack device of the present invention, raw fuel inlets for supplying raw fuel supplied from the outside are provided on both sides of the vaporization chamber along the arrangement direction of the fuel cells. At the same time, the raw fuel gas delivery port may be provided at a central portion along the arrangement direction of the fuel cells.
また、本発明のセルスタック装置は、前記気化室に加熱手段を備えていてもよい。 Moreover, the cell stack apparatus of this invention may be equipped with the heating means in the said vaporization chamber.
本発明の燃料電池モジュールは、上記のセルスタック装置を収納容器内に収納してなることを特徴とする。 The fuel cell module of the present invention is characterized in that the cell stack device is housed in a housing container.
本発明の燃料電池装置は、上記の燃料電池モジュールと、セルスタック装置を作動させるための補機とを、外装ケース内に収納してなることを特徴とする。 The fuel cell device of the present invention is characterized in that the fuel cell module described above and an auxiliary device for operating the cell stack device are housed in an outer case.
本発明のセルスタック装置によれば、各燃料電池セルに対して十分な量の燃料ガスを供給することができ、発電効率を向上させることができる。また、本発明の燃料電池モジュールは、発電効率の向上したセルスタック装置を収納容器内に収納してなることから、発電効率の向上した燃料電池モジュールとすることができる。また、本発明の燃料電池装置は、発電効率の向上した燃料電池モジュールと、セルスタック装置を作動させるための補機とを、外装ケース内に収納してなることから、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。 According to the cell stack device of the present invention, a sufficient amount of fuel gas can be supplied to each fuel cell, and the power generation efficiency can be improved. Moreover, the fuel cell module of the present invention can be a fuel cell module with improved power generation efficiency because the cell stack device with improved power generation efficiency is housed in the storage container. Further, the fuel cell device of the present invention has a fuel cell module with improved power generation efficiency because the fuel cell module with improved power generation efficiency and an auxiliary machine for operating the cell stack device are housed in the outer case. A battery device can be obtained.
図1は、本発明のセルスタック装置の一実施形態を示す外観斜視図である。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。 FIG. 1 is an external perspective view showing an embodiment of a cell stack device of the present invention. In the following drawings, the same numbers are assigned to the same members.
図1に示すセルスタック装置1は、内部にガス流路を有する燃料電池セル2を複数個立設させた状態で、間に集電部材(図示せず)を配置して電気的に直列に接続してなるセルスタック3を、セルスタック3を構成する燃料電池セル2の一端部を燃料電池セル2に燃料ガスを供給するマニホールド4に絶縁性の接着材により固定し、燃料電池セル2の他端部側に、燃料電池セル2と離間して改質器6を配置するとともに、マニホールド4の燃料電池セル2の配列方向(以下、セル配列方向と略す場合がある。)に沿った両端部に設けられたそれぞれの燃料ガス流入口17と、改質器6のセル配列方向に沿った両端部に設けられたそれぞれの燃料ガス送出口14(図2参照)とを接続する燃料ガス供給管8を具備する。なお、マニホールド4の燃料電池セル2の配列方向に沿った端部とは、セルスタック3の端部からマニホールド4の端部までの空間およびマニホールド4の側面のうち燃料電池セル2の配列方向と直交する側面を意味する。なお、セルスタック3の両端部には、燃料電池セル2の発電により生じた電流を収集して外部に引き出すための、電流引出部9を有する導電部材5が配置されている。
The
ここで、燃料電池セル2としては、内部を燃料ガス(水素含有ガス)が長手方向に流れるガス流路を有する中空平板状で、支持体の表面に、燃料側電極層、固体電解質層および酸素側電極層を順に設けてなる固体酸化物形の燃料電池セル2を例示している。
Here, the
また、セルスタック装置1は、燃料電池セル2の他端部側において、燃料電池セル2の発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させる構成とされている。それにより、後述する改質器6(改質室10、気化室11)の温度を効率よく上昇させることができる。
Further, the
図2は、図1に示すセルスタック装置1を構成する改質器6および燃料ガス供給管8を抜粋して示す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the
図2において、セルスタック3の他端部側にセルスタック3と離間して配置される改質器6は、外部より供給される原燃料を温度の上昇した原燃料ガスとする気化室11と、原燃料ガスを燃料ガスに改質するための改質室10を備えている。
In FIG. 2, the
気化室11は、箱状の容器から構成され、上面中央部に外部より供給される原燃料が供給される原燃料流入口16が設けられており、底面中央部に気化室11内にて生成された温度の上昇した原燃料ガスを送出するための原燃料ガス送出口12が設けられている。
The
改質室10は、箱状の容器から構成され、上面中央部に、気化室11にて生成された温度の上昇した原燃料ガスが流入するための原燃料ガス流入口13が設けられており、内部に原燃料ガス流入口13より流入した原燃料ガスを燃料ガスに改質するための改質触媒15を備えるとともに、容器のセル配列方向に沿った両端部に、生成された燃料ガスを送出するための燃料ガス送出口14が設けられている。
The reforming
また、気化室11は、原燃料ガス送出口12と改質室10の原燃料ガス流入口13とが平面視において、同じ位置となるように改質室10の上面に接して配置され、気化室11の原燃料ガス送出口12と、改質室10の原燃料ガス流入口13とが直接つながっている。そして気化室11の原燃料流入口16に原燃料供給管7が接続され、改質室10のそれぞれの燃料ガス送出口14に、マニホールド4のそれぞれの燃料ガス流入口17(図1参照)と接続するための燃料ガス供給管8が接続されている。なお、気化室11の原燃料ガス送出口12と改質室10の原燃料ガス流入口13とは、通気性のある壁(図示せず)で分離されている。
The
原燃料としては、都市ガス等の炭化水素系ガスや灯油等の液体燃料があげられる。原燃料は、原燃料供給手段から原燃料供給管7に供給され、気化室11内で温度の上昇した原燃料ガスとされて、原燃料ガス送出口12および原燃料ガス流入口13を介して改質室10内に流れる。改質室10に流れた原燃料ガスは、セル配列方向に沿った両端部に位置する燃料ガス送出口14に向けて流れ、改質室10を流れる間に改質触媒15により燃料ガスに改質される。改質室10にて生成された燃料ガスは、燃料ガス供給管8を流れてマニホールド4のセル配列方向に沿った両端部に設けられた燃料ガス送出口17を介して、セルスタック3における各燃料電池セル2に供給される。なお、原燃料として炭化水素系ガス等の気体燃料を用いた場合には、原燃料ガスは炭化水素系ガスを意味し、原燃料として供給された炭化水素系ガスは、気化室11内で温められ、温められた炭化水素系ガスが原燃料ガスとして改質室10に供給される。
Examples of the raw fuel include hydrocarbon gas such as city gas and liquid fuel such as kerosene. The raw fuel is supplied from the raw fuel supply means to the raw
図1および図2に示す本発明のセルスタック装置1は、一方の燃料ガス供給管8の他端を一方の燃料ガス流入口17と接続し、他方の燃料ガス供給管8の他端を他方の燃料ガス流入口18と接続することで、改質室10において生成された燃料ガスは、マニホールド4の両端部側よりセルスタック3を構成する各燃料電池セル2に供給されることとなる。それにより、セルスタック3を構成する各燃料電池セル2に十分量の燃料ガスを供給することができ、セルスタック3の発電効率を向上させることができる。すなわち、セルスタック3の発電効率を向上することができる。
The
また、改質室10(改質器6)とマニホールド4とが、2本の燃料ガス供給管8により接続されていることから、改質室10(改質器6)とマニホールド4とを強固に接続することができ、セルスタック装置1の機械的強度を向上させることができる。
Further, since the reforming chamber 10 (reformer 6) and the
なお、改質室10の内部に備える改質触媒15としては、改質効率や耐久性に優れた改質触媒を用いることが好ましく、例えば、γ−アルミナ、α−アルミナまたはコージェライト等の多孔質担体にRu、Pt等の貴金属やNi、Fe等の卑金属を担持させた改質触媒等を用いることができる。
As the reforming
ここで、従来の燃料電池モジュール60(図9参照)では、気化部69が燃料電池セル62の上方に所定の間隔をあけて(離間して)設けられていることから、温度の低い原燃料が気化部69に供給された場合、気化部69の下方に位置する燃料電池セル62の温度が低下し、セルスタック63の発電効率が低下するおそれがあった。
Here, in the conventional fuel cell module 60 (see FIG. 9), the
それに対して、図1に示すセルスタック装置1においては、気化室11が改質室10の上方に配置されていることから、温度が低い原燃料が供給された場合においても、気化室11の下方に位置する燃料電池セル2の温度の低下を低減し、セルスタック3の発電効率を向上させることができる。
On the other hand, in the
ここで、改質室10において水蒸気改質を行なう場合は、原燃料供給管7に原燃料および水を供給し、気化室11にて水を水蒸気に気化させる。なお、原燃料は気化室11内を
流れる間に、温度の上昇した原燃料ガスとなる。温度の上昇した原燃料ガスと水蒸気とは、原燃料ガス送出口12および原燃料流入口13を介して改質室10に流れ、改質室10にて改質触媒15により水蒸気改質が行なわれる。その際、気化室11の大きさ(体積)が不十分であると、水が十分に水蒸気に気化されず、改質室10に気化していない水が供給されてしまい、その水が改質触媒15の気孔中に入り込む場合がある。ここで、改質触媒15に入り込んだ水は、改質触媒15の温度上昇に伴って気化するが、その際改質触媒15が破損するおそれがあり、結果的に改質触媒15を劣化させてしまうおそれがある。
Here, when steam reforming is performed in the reforming
ここで、図1に示すセルスタック装置1においては、改質室10と気化室11と分離して設ける(図1においては、改質室10の上方に気化室11を配置している。)ことにより、気化室11を十分な大きさを有する構成とすることができ、気化室11にて効率よく水を気化させることができる。それにより、改質室10に気化されていない水が供給されることを低減し、改質触媒15の劣化を低減することができる。
Here, in the
なお、気化室11に水を供給するにあたり、原燃料供給管7とは別に水供給管を設けることもできる。この場合、原燃料供給管7と水供給管を2重管としてもよい。
In addition, when supplying water to the
また、改質器6において改質室10と気化室11とを分離した構成とすることで、セルスタック3の上面全体にわたって改質室10を設けることができることから、改質室10内に収納可能な改質触媒15の量を増加することができ、燃料電池セル2に改質が十分に行なわれた燃料ガスを供給することができる。
In addition, since the
ここで、セルスタック3の発電に伴って、セルスタック3のセル配列方向における中央部側の温度が高く、端部側の温度が低いという温度分布を生じる場合がある。その場合においても、気化室11が改質室10の中央部の上面に接するように配置することにより、原燃料である液体燃料や水が気化する際の気化熱により、セルスタック3の中央部側の温度を低下させることができ、セルスタック3のセル配列方向における温度分布を低減することができる。それにより、温度の高い燃料電池セル2に生じる電流集中を低減することができ、燃料電池セル2の劣化を低減することができる。それにより、発電効率の向上した(長期信頼性の向上した)セルスタック装置1とすることができる。
Here, with the power generation of the
なお、図示していないが、気化室11は箱状の容器内に、セラミックボール等を備えてもよい。それにより、気化室11内の表面積を増加させることができ、効率的に原燃料を温度の上昇した原燃料ガスとすることができるほか、水を効率よく水蒸気に気化させることができる。
Although not shown, the vaporizing
また、セルスタック装置1では、気化室11が改質室10の上面に接するように配置した例を示したが、改質室10の側面に接するように配置してもよく、改質室10の底面に接するように配置してもよい。
Further, in the
図3は、本発明の他の一例のセルスタック装置の一部を抜粋して示す外観斜視図であり、図4は図3に示す改質器18および燃料ガス供給管8を抜粋して示す断面図である。
FIG. 3 is an external perspective view showing a part of a cell stack apparatus according to another example of the present invention, and FIG. 4 shows the
図3に示すセルスタック装置19は、改質室10と気化室11とが離間して配置され、改質室10の原燃料ガス流入口13と気化室11の原燃料ガス送出口12とが連結部材20により接続されていること以外は図1および図2に示すセルスタック装置1と同じ構成である。
In the
図3に示すセルスタック装置19は、改質室10の原燃料流入口13と気化室11の原燃料ガス送出口12とが連結部材20により接続されていることから、料電池セル2の他
端部側で発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させて生じる燃焼熱と接する気化室11および改質室10の表面積を増加させることができ、より効率的に原燃料を温度の上昇した原燃料ガスとすることができる。
The
より具体的には、図3に示したセルスタック装置19においては、改質室10の上面に気化室11が接するように配置されたセルスタック装置1に比べ、気化室11の底面積、改質室10の気化室11の底面積に対応する面積および連結部材20の表面積に相当する面積を増加させることができる。
More specifically, in the
それにより、十分に温度が上昇した原燃料ガスを改質室10に供給することができ、改質室10において効率よく改質反応を行なうことができ、発電効率の向上したセルスタック装置19とすることができる。
As a result, the raw fuel gas whose temperature has been sufficiently raised can be supplied to the reforming
図5は、本発明のさらに他の一例のセルスタック装置の一部を抜粋して示す断面図である。 FIG. 5 is a cross-sectional view showing a part of a cell stack device according to still another example of the present invention.
図5に示すセルスタック装置21は、原燃料流入口23を気化室11の上面のセル配列方向に沿った両端部にそれぞれ設け、それぞれの原燃料流入口23に原燃料供給管22を接続し、気化室11内に加熱手段24を備えるとともに、気化室11の原燃料ガス送出口12近傍、改質室10内における燃料ガス送出口14近傍にそれぞれ温度計測手段の測温部が位置するように、温度計測手段26a、26bを設けたこと以外は図4に示すセルスタック装置19と同じ構成である。
The
図5に示すセルスタック装置21は、原燃料流入口23を気化室11の上面の両端部にそれぞれ設けたことにより、原燃料供給管22より供給される原燃料は、気化室11の両端部から底面中央部に設けられた原燃料ガス送出口12に向けて流れることとなる。それにより、より効率的に原燃料を温度の上昇した原燃料ガスとすることができるほか、水を効率よく水蒸気に気化することができる。そのため、改質室10において効率よく改質反応を行なうことができ、発電効率の向上したセルスタック装置21とすることができる。
In the
また、原燃料流入口23と原燃料送出口12とが平面視して同等の位置にない(鉛直線
状にない)ことから、改質室10に原燃料が直接流入することを低減することができる。
In addition, since the
なお、気化室11のセル配列方向に沿った端部とは、気化室11の上面におけるセル配列方向に沿った端部側および気化室11の側面のうちセル配列方向と直交する側面を意味する。
In addition, the edge part along the cell arrangement direction of the
また、原燃料が気化室11内を流れる距離が長くなることから、気化室11にて効率よく原燃料を温度の上昇した原燃料ガスとすることができるとともに、気化されていない水が、改質室10内に配置された改質触媒15の気孔中に入り込むことを低減することができ、それにより、改質触媒15中の水の気化に伴って改質触媒15が破損することを低減することができる。それにより、発電効率の向上した(長期信頼性の向上した)セルスタック装置21とすることができる。
In addition, since the distance that the raw fuel flows through the
さらに、気化室11内に加熱手段24を備えることから、燃料電池装置の起動時等や低出力作動時等の低温で作動している場合においても、気化室11を効率よく温めることができ、より効率的に原燃料を温度の上昇した原燃料ガスとすることができるほか、水を効率よく水蒸気に気化することができる。
Furthermore, since the heating means 24 is provided in the vaporizing
なお、加熱手段24は電気ヒータ等の一般的に知られているものを用いることができ、
温度計測手段26a、26bとしては熱電対等の温度センサを用いることができる。そして、本発明の燃料電池セルスタック装置を備える燃料電池装置においては、加熱手段24の動作を制御する制御装置を備え、制御装置が温度計測手段26a、26bの計測値に基づいて加熱手段24の動作を制御する。以下に加熱手段24の制御方法について例を示す。
The heating means 24 may be a generally known one such as an electric heater,
As the temperature measuring means 26a and 26b, a temperature sensor such as a thermocouple can be used. In the fuel cell device including the fuel cell stack device of the present invention, the fuel cell device includes a control device that controls the operation of the heating means 24, and the control device uses the measured values of the temperature measuring means 26 a and 26 b to control the heating means 24. Control the behavior. Below, an example is shown about the control method of the heating means 24. FIG.
燃料電池装置の起動時において、改質器25にて水蒸気改質を行なう場合に、加熱手段24を作動させ、温度測定手段26aが測定する気化室11の温度が第1の所定の温度に達すると気化室11に水を供給する。なお、第1の所定の温度とは、水を効率よく水蒸気に気化させることができる温度であればよく、例えば120℃〜350℃程度で適宜設定することができる。
When steam reforming is performed by the
なお、改質室10の温度(改質触媒15の温度)が、水蒸気改質可能な温度に達していない場合には、気化室11にて生成された水蒸気を用いた水蒸気改質を行なうことが困難となるため、あわせて温度計測手段26bが測定する改質室11の温度が水蒸気改質可能な温度となった後に、気化室11に水を供給してもよい。
When the temperature of the reforming chamber 10 (the temperature of the reforming catalyst 15) has not reached the temperature at which steam reforming is possible, steam reforming using steam generated in the
また、改質室10の温度(改質触媒15の温度)が、気化室11にて生成された水蒸気が水に凝縮する温度範囲にある場合には、改質触媒15の劣化が生じるおそれがあるため、温度計測手段26bが測定する温度が、水蒸気が水に凝縮しない温度となった後に、気化室11に水を供給してもよい。
Further, when the temperature of the reforming chamber 10 (the temperature of the reforming catalyst 15) is in a temperature range in which the water vapor generated in the vaporizing
一方、気化室11の温度が上昇すると、加熱手段24を作動させなくとも水を気化させることができることから、制御装置は、温度測定手段26bが測定する気化室11の温度が、第1の所定の温度よりも高く設定された第2の所定の温度に達すると、加熱手段24の動作を停止するように制御してもよい。それにより、セルスタック装置21(燃料電池装置)の発電効率を向上することができる。
On the other hand, when the temperature of the vaporizing
なお、第2の所定の温度は、気化室11に供給された水が安定して気化することができる温度とすればよく、例えば350℃〜600℃程度で適宜設定することができる。
Note that the second predetermined temperature may be a temperature at which water supplied to the vaporizing
ここで、水蒸気改質反応は吸熱反応であるために、改質室10の温度が低下しやすい。そのため、気化室11に加熱手段24を備えることにより、効率よく原燃料を温度の上昇した燃料ガスとすることができ、温度の上昇した燃料ガスが改質室10に流れることで、改質室10(改質触媒15)の温度の低下を低減することができる。それにより、効率よく水蒸気改質を行なうことができ、発電効率の向上したセルスタック装置22とすることができる。なお、改質室10(改質触媒15)の温度の低下を低減する目的で、改質室10に加熱手段を設けることもできる。
Here, since the steam reforming reaction is an endothermic reaction, the temperature of the reforming
なお、セルスタック装置1、19,21においては、気化室11を、気化室11のセル配列方向における長さが、改質室10のセル配列方向における長さよりも短い構成とした例を示したが、改質室10のセル配列方向における長さより長くすることもできる。その場合においても、十分な大きさを有する気化室11とすることができ、効率よく原燃料を温度の上昇した原燃料ガスとすることができるほか、効率よく水を水蒸気に気化させることができる。
In the
図6は、収納容器28内に、上述したセルスタック装置1を収納してなる本発明の燃料電池モジュール27(以下、モジュールという場合がある。)の一実施形態を示す外観斜視図である。なお、図6においては、改質器6を収納容器28の上壁の内面に接続しており、セルスタック装置1としては、改質器6を取り外した状態を示している。
FIG. 6 is an external perspective view showing an embodiment of the fuel cell module 27 (hereinafter sometimes referred to as a module) of the present invention in which the above-described
また、図6に示すモジュール27においては、収納容器28の一部(前後面)を取り外し、内部に収納されるセルスタック装置1(図6においては改質器6を取りはずして示している)を後方に取り出した状態を示している。以下に、モジュール23を構成する収納容器28について説明する。
Further, in the
図7は、モジュール27の一例を概略的に示す断面図である。モジュール27を構成する収納容器28は、外壁25にて収納容器28の外枠が形成され、内部に燃料電池セル2(セルスタック3)を収納する発電室32が形成されている。
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing an example of the
このような収納容器28においては、セルスタック3を構成する燃料電池セル2の配列方向に沿う側部と、該側部に対向する収納容器28の外壁との間に、空気や排ガスを流すための流路を備えている。
In such a
ここで、収納容器28は、外壁30の内側に所定間隔をあけて第1の壁31が形成されており、第1の壁31の内側に所定間隔をあけて第2の壁32が配置されており、さらに第2の壁32の内側に所定間隔をあけて第3の壁33が配置されている。
Here, in the
それにより、外壁30と第1の壁31とで形成された空間が第1の流路34となり、第2の壁32と第3の壁33とで形成された空間が第2の流路35となり、第1の壁31と第2の壁32とで形成された空間が第3の流路36となる。
Thereby, the space formed by the
なお、図7に示した収納容器28においては、第1の壁31の上端部が第2の壁32に接続されており、第2の壁32が収容容器30の上壁(外壁48)と接続されており、第3の壁33の上端部が第2の壁32と接続されている。
In the
また、収納容器28の底部には、空気(酸素含有ガス)を収納容器28内に供給するための空気供給管37が接続されており、空気供給管37より供給される空気は空気導入部38に流れる。空気導入部38は空気導入口39により第1の流路34とつながっているため、空気導入部38を流れる空気は、空気導入口39を通して、第1の流路34に流れる。第1の流路34を上方に向けて流れた空気は、第2の壁32に設けられた空気流通口40を通して、第2の流路35に流れる。そして、第2の流路35を下方に向けて流れた空気は、第3の壁33に設けられた空気吹き出し口41を通して、発電室42内に供給される。
In addition, an
一方、燃料電池セル2より排出される排ガスや、燃料電池セル2の上端部側で発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることにより生じる排ガスは、第2の壁32に設けられた排ガス流通口43を通して第3の流路36に流入する。そして、第3の流路36を下方に向けて流れた排ガスは、排ガス収集口44を通して排ガス収集部45に流れた後、排ガス収集部45に接続された排ガス排気管46を通して収納容器28の外部に排気される。
On the other hand, the exhaust gas discharged from the
それゆえ、空気導入管37より供給される空気は、空気導入部38を流れる間に、排ガス収集部45を流れる排ガスと熱交換され、第1の流路34を流れる間に、第3の流路36を流れる排ガスと熱交換され、第2の流路35を流れる間に、発電室42内の熱とで熱交換されることとなる。
Therefore, the air supplied from the
なお、図7において、空気導入管37の内部に排ガス排気管46が位置するように設けた例を示しているが、排ガス排気管46の内部に空気導入管37が位置するように設けることもでき、さらには、空気導入管37と排ガス排気管46とは、それぞれ位置をずらし
て設けることもできる。
7 shows an example in which the exhaust
ここで、図7に示すモジュール27においては、第3の流路36のうち、第2の壁27側に断熱材47(図中において断熱材47は斜線にて示している)が固着して配置されている。それにより、第2の流路35を流れる空気と第3の流路36を流れる排ガスとの熱交換を低減することができ、第2の流路35を流れる空気の温度が低下することを低減できる。
Here, in the
それにより、燃料電池セル2に供給される空気の温度が低下することを低減でき、高温の空気を燃料電池セル2に供給することができることから、発電効率の高いモジュール27とすることができる。
Thereby, it is possible to reduce a decrease in the temperature of the air supplied to the
なお、第3の流路36に配置される断熱材47は、好ましくは、セルスタック3を構成する燃料電池セル2の配列方向に沿う側部の外形以上の大きさとしてもよい。それにより、第2の流路35を流れる空気と第3の流路36を流れる排ガスとの熱交換を効率よく低減することができる。
The
また断熱材47は、第3の流路36以外にも、収納容器28内の熱が極端に放熱され、燃料電池セル2(セルスタック3)の温度が低下して発電量が低減しないように適宜設けることができ、図7においては、第3の流路36以外に、マニホールド4の底部と、燃料電池セル2(セルスタック3)の両側面側と、収納容器28の上壁(外壁48)と改質器6との間とに設けている例を示している。
In addition to the
ここで、セルスタック3(燃料電池セル2)の両側面側に配置されている断熱材47においては、空気吹き出し口41に対応して、空気を燃料電池セル2側に流すための孔が設けられている。
Here, in the
そして空気吹き出し口41より発電室47内に供給された空気は、燃料電池セル2の下端側から上端部側に向けて流れることとなり、効率よく燃料電池セル2の発電を行なうことができる。
The air supplied from the
そして、発電効率の向上したセルスタック装置1を上述のような収納容器の発電室42内に収納することにより、発電効率の向上したモジュール27とすることができる。
The
図8は、外装ケース内に図7で示したモジュール27と、モジュール27を動作させるための補機(図示せず)とを収納してなる本発明の燃料電池装置の一実施形態を示す分解斜視図である。なお、図8においては一部構成を省略して示している。
FIG. 8 is an exploded view showing an embodiment of the fuel cell device of the present invention in which the
図8に示す燃料電池装置50は、支柱51と外装板52から構成される外装ケース内を仕切板53により上下に区画し、その上方側を上述したモジュール27を収納するモジュール収納室54とし、下方側をモジュール27(セルスタック装置1)を動作させるための補機を収納する補機収納室55として構成されている。それにより、コンパクトな燃料電池装置50とすることができる。なお、補機収納室55に収納する補機を省略して示している。
The
また、仕切板53には、補機収納室55の空気をモジュール収納室54側に流すための空気流通口56が設けられており、モジュール収納室54を構成する外装板52の一部に、モジュール収納室54内の空気を排気するための排気口57が設けられている。
In addition, the
このような燃料電池装置50においては、上述したように、発電効率の向上した燃料電
池モジュール27をモジュール収納室54に収納し、燃料電池モジュール27を動作させるための補機を補機収納室55に収納して構成されることにより、発電効率の向上した燃料電池装置50とすることができる。
In such a
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。 Although the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and improvements can be made without departing from the scope of the present invention.
例えば、気化室11の上面中央部に接続された原燃料供給管7に、気化室11の両端部側に流すための流通方向調整部材を設けることも可能である。この場合においては、気化室11を流れる原燃料や水の距離を長くすることができ、原燃料を効率よく温度の上昇した原燃料ガスとすることができるほか、効率よく水を水蒸気に気化させることができる。
For example, the raw
なお、流通方向調整部材としては、底部を有する筒状の容器の左右に穴を有する部材のほか、先端が二手に分かれたパイプ等、適宜左右2方向に空気を流すことのできる部材とすることができる。 In addition, as a flow direction adjusting member, in addition to a member having holes on the left and right of a cylindrical container having a bottom, a member that can appropriately flow air in two directions, such as a pipe having a tip divided into two hands, is used. Can do.
また、この場合において流通調整方向部材の吹き出し口は、気化室11の底面と対向しないように設けてもよい。それにより、気化室11の一部の温度が急激に低下し、気化室11において、原燃料を温度の上昇した原燃料とすることが難しくなることや、水の気化効率を向上することができる。さらには、改質室10における改質効率を向上させることができる。
In this case, the outlet of the flow adjustment direction member may be provided so as not to face the bottom surface of the vaporizing
また、改質室11の燃料電池セル2の配列方向に沿った中央部の外面に気化室より送出された原燃料ガスが流入するための原燃料ガス流入口13を備える例をセルスタック装置19で示したが、例えば、改質室11の中央部(改質室11内部)まで連結部材20を挿入してもよい。その場合は、連結部材20の改質室11側の先端を封止し、原燃料が燃料電池セルの配列方向に流れるように、孔を設けることで効率よく原燃料を供給することができる。
An example in which the raw
また、例えば、収納容器28は、外壁30と第1の壁31とで第1の流路34を形成し、第2の壁32と第3の壁33とで第2の流路35を形成し、第1の壁31と第2の壁32とで第3の流路36を形成していればよく、適宜空気流通口41や排ガス流通口43の位置を変更することもできる。
Further, for example, in the
また、例えば第1の壁31と第2の壁32との間に第1の流路34と第2の流路35とをつなぐ空気流通路を設けてもよく、第2の壁32と第3の壁33との間に、発電室42と第3の流路33とをつなぐ排ガス流通路を設けてもよい。
Further, for example, an air flow passage that connects the
1、19、21、68:セルスタック装置
2、62:燃料電池セル
3、63:セルスタック
4、64:マニホールド
6、18、25、65:改質器
7、23、66:原燃料供給管
8、66:燃料ガス供給管
10:改質室
11:気化室
12:原燃料ガス送出口
13:原燃料ガス流入口
14:燃料ガス送出口
15:改質触媒
16:原燃料流入口
17:燃料ガス流入口
20:連結部材
24:加熱手段
26a、26b:温度測定手段
27、60:燃料電池モジュール
50:燃料電池装置
1, 19, 21, 68:
Claims (7)
前記マニホールドは、前記燃料電池セルの配列方向に沿った両端部に、前記改質室より送出された燃料ガスが流入するための燃料ガス流入口を有し、
それぞれの前記燃料ガス送出口とそれぞれの前記燃料ガス流入口とが、燃料ガス供給管により接続されていることを特徴とするセルスタック装置。 A cell stack having a fuel gas flow path therein, in which a plurality of columnar fuel cells that generate power with fuel gas and oxygen-containing gas are arranged and electrically connected in a standing state; and A manifold for fixing one end of the fuel cell and supplying the fuel gas to the fuel cell, and the fuel gas to be supplied to the manifold, which is spaced apart from the other end of the cell stack A cell stack device configured to burn the fuel gas that was not used for power generation on the other end side of the fuel cell, the reformer comprising: A raw fuel supplied from outside is used as a raw fuel gas whose temperature has been increased, and a vaporization chamber having a raw fuel gas delivery port for sending the raw fuel gas is provided, and a center along the arrangement direction of the fuel cells. Said part A raw fuel gas inflow port through which the raw fuel gas sent from the gasification chamber flows, a reforming catalyst for reforming the raw fuel gas into the fuel gas, and a fuel cell And a reforming chamber provided with a fuel gas delivery port for delivering the fuel gas at both ends along the arrangement direction of
The manifold has fuel gas inlets for allowing the fuel gas sent from the reforming chamber to flow into both ends along the arrangement direction of the fuel cells.
Each of the fuel gas delivery ports and each of the fuel gas inflow ports are connected by a fuel gas supply pipe.
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