JP2013175448A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃焼チャンバー7内での燃焼によって生じた排ガスを燃焼チャンバー7から内部空間49に排出する排出口52と、排ガスを含む内部空間49内のガスを排出部51内に導入する導入口55とを、燃料電池スタック3を挟むように一方の側と他方の側とに分けて配置する。従って、燃焼によって生じた高温の排ガスは、排出口52から排出され、燃料電池スタック3の外周に沿って移動し、導入口55に導入されるので、燃料電池スタック3の温度が均一化する。また、燃料電池セル17間の隙間などからリークした各種のガスは、導入口55から排出部51に導入されて燃焼触媒59で燃焼されるので、燃料電池システム1から排出されるガスの浄化を十分に行うことができる。
【選択図】図1
Description
例えば、下記特許文献1には、発電で使用されなかった燃料ガスと酸化剤ガスとを燃料電池スタックの周囲に排出して燃焼させ、この燃焼させたガスで改質器を加熱するとともに、補助熱源を用いて改質器を加熱し、その排気ガスを外部に排出する技術が開示されている。
しかも、(燃料電池スタックの一方の側の)排出口から排出された排ガスを、(燃料電池スタックの他方の側の)導入口に案内する配管等を省略することができるので、燃料電池システムをコンパクトにすることができる。
(2)本発明は、第2態様として、更に、前記収納容器内に、前記燃料ガスの改質を行う改質器を備えたことを特徴とする。
なお、ここで、改質器とは、燃料電池に燃料ガスを供給する場合に、より発電に好適な組成に改質(例えば都市ガス等をより水素成分の多い組成のガスに改質)する装置のことである。
(3)本発明は、第3態様として、前記排出口は、前記燃焼チャンバーに設けられていることを特徴とする。
(4)本発明は、第4態様として、前記収納容器内のガスを、前記燃焼触媒にて浄化した後に、前記燃料ガス、前記酸化剤ガス、及び前記燃料ガスの改質に用いる改質水のうちの少なくとも1種と熱交換し、その後、前記収納容器外に排出する構成を有することを特徴とする。
改質器で行われる燃料ガスの改質反応は吸熱反応であるが、ここでは、その改質器を燃焼チャンバー内又は燃焼チャンバーに接触させて配置したので、効率良く改質器を加熱することができる。よって、好適に燃料ガスの改質を行うことができる。
ガス供給部と改質水供給部とを配置している。
(9)本発明は、第9態様として、前記排出口を、前記燃料電池スタック及び前記排出部の導入口よりも重力方向の下方に配置したことを特徴とする。
・ここで、前記燃料ガスとしては、水素、還元剤となる炭化水素、水素と炭化水素との混合ガス、及びこれらのガスを所定温度の水中を通過させ加湿した燃料ガス、これらのガスに水蒸気を混合させた燃料ガス等が挙げられる。炭化水素は特に限定されず、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等が挙げられる。これらの燃料ガスは1種類のみを用いても良いし、2種以上を併用してもよい。また50体積%以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有してもよい。
図1に模式的に示す様に、本実施例の燃料電池システム1では、燃料ガス(N:例えば都市ガス)と酸化剤ガス(S:例えば空気)との供給を受けて発電を行う燃料電池スタック3は、例えば700℃程度の高温にて稼働されるために、断熱容器である収納容器5に収納されている。
なお、本実施例では、収納容器5は、筐体と断熱部とが接して一体の構造であるが、筐体と断熱部との間に、一部又は全体に空間を設けてもよい(例えば別体の構成でもよい)。
図2に示す様に、燃料電池スタック3は、発電単位である正方形の板状の燃料電池セル17が板厚方向(図2の上下方向:積層方向)に複数個積層されたものである。
このうち、上側燃焼チャンバー7aの上流側(図3左側)は、連結部材50の連結流路50aを介して、他のボルト21が貫挿される(残余のガスの排出用の)貫通流路25cに接続されている。また、下側燃焼チャンバー7bの下流側(図3左側)には、排ガスの排出用の排出口52が設けられ、この排出口52は収納容器5の内部空間49に開口している。
この熱交換器11は、収納容器5の内部空間49に存在する各種のガスを外部に排出する排出部51と、外部から導入される空気を予熱する空気予熱部53とを積層したものであり、排出部51内を流れるガスと空気予熱部53内を流れる空気との間で熱交換を行って空気を予熱する。
更に、排出部51の導入口55の下流側の近傍には、内部空間49から導入される(混合排ガス中の)未燃焼のガスを燃焼させるために、例えばPtやPdの微粒子を担持させたハニカム形状のメタル材からなる燃焼触媒59が配置されている。
b)次に、燃料電池システム1におけるガスの流れについて説明する。
燃料電池システム1の始動時には、混合気が混合気供給流路65を介して起動バーナ13に供給され、混合気が燃焼することによって、燃料電池スタック3等が加熱される。
予熱された空気は、予熱空気供給流路63から燃料電池スタック3の所定の貫通流路25aに導入され、貫通流路25aから各燃料電池セル17の空気流路37(図3参照)に供給される。
次に、内部空間49に排出された排ガスは、収納容器5と燃料電池スタック3との間隙を通って、燃料電池スタック3の全体の温度を均一にするように熱を授受しながら上昇し、熱交換器11の排出部51の導入口55から排出部51の内部に導入される。
c)この様に、本実施例の燃料電池システム1においては、燃焼チャンバー7内での燃焼によって生じた排ガスを燃焼チャンバー7から内部空間49に排出する排出口52と、排ガスを含む内部空間49内のガスを排出部51内に導入する導入口55とを、燃料電池スタック3を挟むように一方の側(下側)と他方の側(上側)とに分けて配置している。
また、本実施例では、起動バーナ13の燃焼によって生じた排ガスを、排出部51に導入し、燃焼触媒59によって燃焼するので、好適にガスの浄化を行うことができる。
その上、本実施例では、排出口52を、燃料電池スタック3及び排出部51の導入口55よりも重力方向の下方(図1下方:地面側)に配置している。つまり、起動バーナ13と排出口52との両方が、燃料電池スタック3等よりも重力方向の下方に配置されるため、ガスの流れが干渉しにくく、ガスだまりの発生を防止できる。
a)まず、本実施例の燃料電池システムの構成について説明する。
b)次に、本実施例の燃料電池システム101におけるガスの流れについて説明する。
次に、内部空間135に排出された排ガスは、収納容器103と燃料電池スタック105との間隙を通って、燃料電池スタック105を加熱しながら下降し、熱交換器117の排出部115の導入口121から排出部115の内部に導入される。
次に、混合排ガスによって、熱交換器117内にて空気の予熱が行われ、その後、混合排ガスは、排ガス流出流路139から外部に排出される。
なお、燃料ガスや空気は、ポンプ等によって収納容器103内に供給されるので、排出口110や導入口121の上下等の配置に拘わらず、その流路に沿ってガスが流れる。
a)まず、本実施例の燃料電池システムの構成について説明する。
図5に示す様に、本実施例の燃料電池システム201では、収納容器203内に、(燃料電池セルが同図の左右方向に積層された)燃料電池スタック205と、改質器207及び燃焼チャンバー209からなる補助器211と、空気予熱部213及び排出部215からなる熱交換器217とが配置されている。
特に本実施例では、燃料電池スタック205の左方に、補助器211が配置されるとともに、燃焼チャンバー209に排ガス(H)が排出される排出口210が設けられている。
b)次に、本実施例の燃料電池システム201におけるガスの流れについて説明する。
次に、内部空間233に排出された排ガスは、収納容器203と燃料電池スタック205との間隙を通って同図右側に移動し、熱交換器217の排出部215の導入口219から排出部215の内部に導入される。
次に、混合排ガスによって、熱交換器217内にて空気の予熱が行われ、その後、混合排ガスは、排ガス流出流路237から外部に排出される。
a)まず、本実施例の燃料電池システムの構成について説明する。
図6に示す様に、本実施例の燃料電池システム301の構成は、基本的に実施例3と同様である。つまり、収納容器303内に、左右方向に並べて、改質器305及び燃焼チャンバー307からなる補助器309と、燃料電池スタック311と、空気予熱部313及び排出部315からなる熱交換器317とが配置されている。
b)次に、本実施例の燃料電池システム301におけるガスの流れについて説明する。
a)まず、本実施例の燃料電池システムの構成について説明する。
図7に示す様に、本実施例の燃料電池システム401では、収納容器403内に、燃料電池スタック405と、改質器407及び燃焼チャンバー409からなる補助器411と、空気予熱部413及び排出部415からなる熱交換器417とが配置されている。
特に本実施例では、燃料電池スタック405の下方に、補助器411が配置されるとともに、下側燃焼チャンバー409bの下流側(同図左側)に排出口419が設けられている。
b)次に、本実施例の燃料電池システム401におけるガスの流れについて説明する。
次に、内部空間435に排出された排ガスは、収納容器403と燃料電池スタック405との間隙を通って上昇し、排出部415の導入口421から排出部415の内部に導入される。
次に、混合排ガスによって、熱交換器417内にて空気の予熱が行われ、その後、混合排ガスは、排ガス流出流路439から外部に排出される。
a)まず、本実施例の燃料電池システムの構成について説明する。
図8に示す様に、本実施例の燃料電池システム501では、収納容器503内に、燃料電池スタック505と、改質器507及び燃焼チャンバー509からなる補助器511と、空気予熱部513及び排出部515からなる熱交換器517とが配置されている。
特に本実施例では、前記実施例5とは上下が逆となるように、燃料電池スタック405の上方に補助器511が配置されるとともに、上側燃焼チャンバー409aの下流側(同図左側)に排出口519が設けられている。
b)次に、本実施例の燃料電池システム501におけるガスの流れについて説明する。
(図示せず)に供給される。
次に、内部空間535に排出された排ガスは、収納容器503と燃料電池スタック505との間隙を通って下降し、排出部515の導入口521から排出部515の内部に導入される。
次に、混合排ガスによって、熱交換器517内にて空気の予熱が行われ、その後、混合排ガスは、排ガス流出流路539から外部に排出される。
[特許請求の範囲と実施例との関係]
特許請求の範囲の酸化剤ガス供給部は空気予熱部に、燃料ガス供給部は燃料ガス導入流路に、改質水供給部は改質水導入流路に該当する。
(1)燃料電池スタックとしては、前記各実施例以外に、燃料電池セルが複数集積された各種の構造のものが挙げられる。
(3)更に、排出部の壁面(側面)は、収納容器の一部を利用してもよい。
(5)更に、排出口は、起動バーナよりも重力方向の下方(例えば図1の起動バーナの下方)に配置してもよい。
(8)前記各実施例では、熱交換器は、燃焼触媒にて浄化したガスによって空気を予熱する例を挙げたが、それ以外に、燃料ガスや改質水を予熱してもよい。
3、105、205、311、405、505…燃料電池スタック
5、103、203、303、403、503…収納容器
7、7a、7b、109、109a、109b、209、307、409、409a、409b、509、509a、509b…燃焼チャンバー
9、107、207、207a、207b、305、407、507…改質器
11、117、217、317、417、517…熱交換器
13…起動バーナ
15、111、211、309、411、511…補助器
49、135、233、435、535…内部空間
51、115、215、315、415、515…排出部
52、110、210、321、419、519…排出口
53、113、213、313、413、513…空気予熱部
55、121、219、323、421、521…導入口
59、137、235、437、537…燃焼触媒
Claims (9)
- 燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックで発電後の余剰の前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを内部で燃焼させる燃焼チャンバーと、
少なくとも前記燃料電池スタックと前記燃焼チャンバーとを収納する収納容器と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックは、平板形の燃料電池セルを、複数積層したものであり、
前記燃焼チャンバー内での燃焼によって生じた排ガスを、前記燃焼チャンバーから前記収納容器内に排出する排出口と、
前記燃焼チャンバーから前記収納容器内に排出された前記排ガスを含む前記収納容器内のガスを、前記収納容器外に排出する排出部と、
前記排出部に設けられて、前記収納容器内のガスを当該排出部内に導入する導入口と、
前記排出部に設けられて、前記導入口から導入された前記収納容器内のガスを燃焼させる燃焼触媒と、
を備えるとともに、
前記排出口と前記導入口とを、前記燃料電池スタックを挟むように一方の側と他方の側とに分けて配置して構成したことを特徴とする燃料電池システム。 - 更に、前記収納容器内に、前記燃料ガスの改質を行う改質器を備えたことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記排出口は、前記燃焼チャンバーに設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
- 前記収納容器内のガスを、前記燃焼触媒にて浄化した後に、前記燃料ガス、前記酸化剤ガス、及び前記燃料ガスの改質に用いる改質水のうちの少なくとも1種と熱交換し、その後、前記収納容器外に排出する構成を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記改質器を、前記燃焼チャンバー内に配置又は前記燃焼チャンバーに接触させて配置したことを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記収納容器内に収容された前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、前記排出部とによって、前記酸化剤ガスと前記排ガスとの熱交換を行う熱交換器を構成し、
前記燃料電池スタックの重力方向の上方に、前記熱交換器を配置するとともに、
前記燃料電池スタックの重力方向の下方に、前記改質器と、前記燃焼チャンバーと、前記収納容器内に収容された前記改質器に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記収納容器内に収容された前記改質器に前記改質に用いる改質水を供給する改質水供給部とを配置したことを特徴とする請求項2〜5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記収納容器内に起動バーナを備えるとともに、該起動バーナの燃焼によって生じた排ガスを、前記排出部を介して前記収納容器外に排出するように構成したことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記起動バーナを、前記燃料電池スタック、前記熱交換器、前記改質器、前記燃焼チャンバーのいずれよりも重力方向の下方に配置したことを特徴とする請求項2〜7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記排出口を、前記燃料電池スタック及び前記排出部の導入口よりも重力方向の下方に配置したことを特徴とする請求項8に記載の燃料電池システム。
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