JP2013229141A - Fuel cell module - Google Patents
Fuel cell module Download PDFInfo
- Publication number
- JP2013229141A JP2013229141A JP2012099199A JP2012099199A JP2013229141A JP 2013229141 A JP2013229141 A JP 2013229141A JP 2012099199 A JP2012099199 A JP 2012099199A JP 2012099199 A JP2012099199 A JP 2012099199A JP 2013229141 A JP2013229141 A JP 2013229141A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- gas
- cell module
- region
- fuel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
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を複数積層した燃料電池スタックを備える燃料電池モジュールに関する。 The present invention relates to a fuel cell module including a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas are stacked.
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(以下、MEAともいう)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. A joined body (hereinafter also referred to as MEA) 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.
この種の燃料電池スタックを組み込むシステムとして、例えば、特許文献1に開示された燃料電池バッテリが知られている。この燃料電池バッテリは、図10に示すように、燃料電池スタック1aを備えるとともに、前記燃料電池スタック1aの一端側には、断熱スリーブ2aが取り付けられている。断熱スリーブ2aの内部には、熱交換装置3aが反応装置4a内に組み込まれて配置している。
As a system incorporating this type of fuel cell stack, for example, a fuel cell battery disclosed in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 10, the fuel cell battery includes a
反応装置4aでは、液体燃料の処理として、水を使用しない部分酸化による改質が行われている。液体燃料は、排ガスにより蒸発された後、熱交換装置3aの一部である送り込み位置5aを通過している。その際、燃料は、排ガスにより加熱された酸素搬送ガスと接触することにより、部分酸化による改質が行われた後、燃料電池スタック1aに供給されている。
In the
また、特許文献2に開示された固体酸化物燃料電池は、図11に示すように、電池コア1bを内装して熱交換器2bが設けられている。そして、熱交換器2bは、排熱によりカソードエアを昇温している。
Moreover, as shown in FIG. 11, the solid oxide fuel cell disclosed in Patent Document 2 includes a
さらに、特許文献3に開示された燃料電池システムは、図12に示すように、鉛直円柱状の第1領域1c、その外周側に環状の第2領域2c、その外周側に環状の第3領域3c、その外周側に環状の第4領域4cを有している。
Furthermore, as shown in FIG. 12, the fuel cell system disclosed in Patent Document 3 includes a vertical columnar
第1領域1cには、バーナ5cが設けられるとともに、第2領域2cには、改質管6cが設けられている。第3領域3cには、水蒸発器7cが設けられ、第4領域4cには、CO変成器8cが設けられている。
A
ところで、上記の特許文献1では、排ガスの熱により反応装置4a内に温度分布が発生し易い。このため、熱交換効率を上げようとすると、上下方向や左右方向に大きな温度差が生じて熱応力が発生し、耐久性が低下するという問題がある。
By the way, in said patent document 1, temperature distribution tends to generate | occur | produce in the
また、上記の特許文献2では、電池コア1bを内装して熱交換器2bが設けられており、燃料電池内に温度分布が発生し易い。従って、熱交換効率を上げようとすると、上下方向や左右方向に大きな温度差が生じて熱応力が発生し、耐久性が低下するという問題がある。
Moreover, in said patent document 2, the
さらに、上記の特許文献3では、バーナ5cが設けられる第1領域1c、改質管6cが設けられる第2領域2c、水蒸発器7cが設けられる第3領域3c及びCO変成器8cが設けられる第4領域4cが同心円上に周回して形成されており、燃料電池内に温度分布が発生し易い。これにより、熱交換効率を上げようとすると、上下方向(軸方向)や左右方向(径方向)に大きな温度差が生じて熱応力が発生し、耐久性が低下するという問題がある。
Furthermore, in the above-mentioned Patent Document 3, the
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、熱効率及び熱自立の促進を図るとともに、耐久性を向上させることが可能な燃料電池モジュールを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve this type of problem, and to provide a fuel cell module capable of promoting thermal efficiency and thermal independence with a simple and compact configuration and improving durability. And
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を複数積層した燃料電池スタックと、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合ガスを改質し、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを生成する改質器と、水を蒸発させるとともに、前記水蒸気を前記改質器に供給する蒸発器と、燃焼ガスとの熱交換により前記酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する熱交換器と、前記燃料電池スタックから排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、前記燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器と、前記原燃料と前記酸化剤ガスとを燃焼させて前記燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器とを備える燃料電池モジュールに関するものである。 The present invention reforms a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, and a mixed gas of raw fuel and steam mainly composed of hydrocarbons, The oxidant gas is raised by heat exchange with a reformer that generates the fuel gas supplied to the battery stack, an evaporator that evaporates water and supplies the water vapor to the reformer, and a combustion gas. A heat exchanger for supplying the oxidant gas to the fuel cell stack, and burning the fuel exhaust gas as the fuel gas and the oxidant exhaust gas as the oxidant gas discharged from the fuel cell stack. The present invention relates to a fuel cell module comprising an exhaust gas combustor that generates the combustion gas, and an activation combustor that generates the combustion gas by burning the raw fuel and the oxidant gas. It is intended.
この燃料電池モジュールは、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器が構成される第1領域と、改質器又は熱交換器の一方が構成されるとともに、前記第1領域を環状に周回する第2領域と、前記改質器又は前記熱交換器の他方が構成されるとともに、前記第2領域を環状に周回する第3領域と、蒸発器が構成されるとともに、前記第3領域を環状に周回する第4領域とを備えている。 The fuel cell module includes a first region in which the exhaust gas combustor and the start-up combustor are configured, and a second region in which one of the reformer and the heat exchanger is configured and the first region is circularly circulated. And the other of the reformer or the heat exchanger is configured, the third region that circulates around the second region annularly, and the evaporator is configured, and circulates around the third region annularly And a fourth region.
そして、熱交換器は、酸化剤ガスが供給される環状の酸化剤ガス供給室、昇温された前記酸化剤ガスが排出される環状の酸化剤ガス排出室、一端が前記酸化剤ガス供給室に連通し且つ他端が前記酸化剤ガス排出室に連通する複数本の熱交換管路、及び前記熱交換管路間に燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備えている。熱交換管路の一端は、酸化剤ガス供給室を構成する入口側壁部に摺動自在に当接する一方、前記熱交換管路の他端は、酸化剤ガス排出室を構成する出口側壁部に固着されている。 The heat exchanger includes an annular oxidant gas supply chamber to which an oxidant gas is supplied, an annular oxidant gas discharge chamber from which the heated oxidant gas is discharged, and one end of the oxidant gas supply chamber And a plurality of heat exchange pipes whose other ends communicate with the oxidant gas discharge chamber, and a combustion gas passage for supplying combustion gas between the heat exchange pipes. One end of the heat exchange line is slidably brought into contact with the inlet side wall part constituting the oxidant gas supply chamber, while the other end of the heat exchange line is connected to the outlet side wall part constituting the oxidant gas discharge chamber. It is fixed.
また、この燃料電池モジュールでは、熱交換管路の一端は、軸方向外方に向かって径方向外方に拡大する拡大端部を構成するとともに、入口側壁部は、前記拡大端部の軸方向内方に向かって径方向内方に縮小し、前記拡大端部の内周面に摺接する縮小壁部を構成し、前記拡大端部と前記縮小壁部とは、同一の傾斜角度に設定されることが好ましい。このため、拡大端部の内周面と縮小壁部の外周面とは、互いに面接触することができ、シール性能が良好に向上する。 Further, in this fuel cell module, one end of the heat exchange conduit constitutes an enlarged end portion that expands radially outward toward the axially outward direction, and the inlet side wall portion extends in the axial direction of the enlarged end portion. The inner wall is reduced radially inward to form a reduced wall portion that is in sliding contact with the inner peripheral surface of the enlarged end portion, and the enlarged end portion and the reduced wall portion are set at the same inclination angle. It is preferable. For this reason, the inner peripheral surface of the enlarged end portion and the outer peripheral surface of the reduction wall portion can be in surface contact with each other, and the sealing performance is improved satisfactorily.
さらに、この燃料電池モジュールでは、改質器は、混合ガスが供給される環状の混合ガス供給室、生成された燃料ガスが排出される環状の改質ガス排出室、一端が前記混合ガス供給室に連通し且つ他端が前記改質ガス排出室に連通する複数本の改質管路、及び前記改質管路間に燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備え、前記改質管路の一端は、前記混合ガス供給室を構成する入口側壁部に摺動自在に当接する一方、前記改質管路の他端は、前記改質ガス排出室を構成する出口側壁部に固着されることが好ましい。 Further, in this fuel cell module, the reformer includes an annular mixed gas supply chamber to which a mixed gas is supplied, an annular reformed gas discharge chamber to which the generated fuel gas is discharged, and one end of the reformer. A plurality of reforming conduits communicating with each other and the other end communicating with the reformed gas discharge chamber, and a combustion gas passage supplying a combustion gas between the reforming conduits, and one end of the reforming conduit Is slidably in contact with the inlet side wall portion constituting the mixed gas supply chamber, while the other end of the reforming conduit is fixed to the outlet side wall portion constituting the reformed gas discharge chamber. preferable.
従って、改質器は、環状の混合ガス供給室、環状の改質ガス排出室及び複数本の改質管路を基本的な構成にすることにより、構造の簡素化が容易に図られる。これにより、製造コストが有効に削減される。しかも、混合ガス供給室及び改質ガス排出室の容積や管路長、管路径及び管路数を変更することにより、広範な運転条件に良好に対応することができ、設計自由度の向上が図られる。 Therefore, the structure of the reformer can be easily simplified by adopting a basic configuration of an annular mixed gas supply chamber, an annular reformed gas discharge chamber, and a plurality of reforming pipelines. Thereby, the manufacturing cost is effectively reduced. In addition, by changing the volume of the mixed gas supply chamber and the reformed gas discharge chamber, the pipe length, the pipe diameter and the number of pipes, it is possible to cope with a wide range of operating conditions and improve the degree of design freedom. Figured.
その上、改質管路の一端は、混合ガス供給室を構成する入口側壁部に摺動自在に当接する一方、前記改質管路の他端は、改質ガス排出室を構成する出口側壁部に固着されている。このため、FC周辺機器の熱膨張時に、改質管路に軸方向に熱応力が発生した際、前記熱応力を前記改質管路の摺動部位における密着性の強化に利用することができ、シール性の向上が確実に図られる。 In addition, one end of the reforming pipe is slidably brought into contact with an inlet side wall constituting the mixed gas supply chamber, while the other end of the reforming pipe is an outlet side wall constituting the reformed gas discharge chamber. It is fixed to the part. For this reason, when thermal stress is generated in the reforming pipeline in the axial direction during the thermal expansion of the FC peripheral device, the thermal stress can be used to enhance the adhesion at the sliding portion of the reforming pipeline. As a result, the sealing performance is reliably improved.
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、改質管路の一端は、軸方向外方に向かって径方向外方に拡大する拡大端部を構成するとともに、入口側壁部は、前記拡大端部の軸方向内方に向かって径方向内方に縮小し、前記拡大端部の内周面に摺接する縮小壁部を構成し、前記拡大端部と前記縮小壁部とは、同一の傾斜角度に設定されることが好ましい。このため、拡大端部の内周面と縮小壁部の外周面とは、互いに面接触することができ、シール性能が良好に向上する。 Furthermore, in this fuel cell module, one end of the reforming pipe constitutes an enlarged end portion that radially expands outward in the axial direction, and the inlet side wall portion is the axis of the enlarged end portion. The reduction wall portion is reduced inward in the radial direction toward the inside in the direction, and forms a reduction wall portion that is in sliding contact with the inner peripheral surface of the enlargement end portion, and the enlargement end portion and the reduction wall portion are set at the same inclination angle. It is preferred that For this reason, the inner peripheral surface of the enlarged end portion and the outer peripheral surface of the reduction wall portion can be in surface contact with each other, and the sealing performance is improved satisfactorily.
また、この燃料電池モジュールでは、互いに摺接する拡大端部の内周面と縮小壁部の外周面との摺接部位には、他の部位に比較して滑面化された滑面部が設けられることが好ましい。従って、拡大端部の内周面と縮小壁部の外周面とは、一層確実に面接触することが可能になり、シール効果が良好に向上する。 Further, in this fuel cell module, the sliding surface portion between the inner peripheral surface of the enlarged end portion and the outer peripheral surface of the reduction wall portion that are in sliding contact with each other is provided with a smooth surface portion that is smoother than other portions. It is preferable. Therefore, the inner peripheral surface of the enlarged end portion and the outer peripheral surface of the reduction wall portion can be more reliably brought into surface contact, and the sealing effect is improved satisfactorily.
さらに、この燃料電池モジュールでは、拡大端部には、軸方向に延在する切り欠き部位が設けられることが好ましい。これにより、管路軸方向の熱応力が過大になっても、前記熱応力を切り欠き部位で吸収することができ、燃料電池モジュールの耐久性が良好に向上する。 Further, in this fuel cell module, it is preferable that a notch portion extending in the axial direction is provided at the enlarged end portion. Thereby, even if the thermal stress in the pipe axis direction becomes excessive, the thermal stress can be absorbed at the cutout portion, and the durability of the fuel cell module is improved satisfactorily.
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、蒸発器は、水が供給される環状の水供給室、水蒸気が排出される環状の水蒸気排出室、一端が前記水供給室に連通し且つ他端が前記水蒸気排出室に連通する複数本の蒸発管路、及び前記蒸発管路間に燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備えることが好ましい。 Furthermore, in this fuel cell module, the evaporator includes an annular water supply chamber to which water is supplied, an annular water vapor discharge chamber from which water vapor is discharged, one end communicating with the water supply chamber and the other end of the water vapor. It is preferable to provide a plurality of evaporation pipes communicating with the discharge chamber, and a combustion gas passage for supplying combustion gas between the evaporation pipes.
このため、蒸発器は、環状の水供給室、環状の水蒸気排出室及び複数本の蒸発管路を基本的な構成にすることにより、構造の簡素化が容易に図られる。従って、製造コストが有効に削減される。しかも、水供給室及び水蒸気排出室の容積や管路長、管路径及び管路数を変更することにより、広範な運転条件に良好に対応することができ、設計自由度の向上が図られる。 For this reason, the evaporator can be easily simplified by adopting a basic configuration of an annular water supply chamber, an annular water vapor discharge chamber, and a plurality of evaporation pipelines. Therefore, the manufacturing cost is effectively reduced. In addition, by changing the volume, pipe length, pipe diameter, and number of pipes of the water supply chamber and the water vapor discharge chamber, it is possible to cope with a wide range of operating conditions and to improve the degree of design freedom.
また、この燃料電池モジュールでは、改質ガス排出室、水蒸気排出室及び酸化剤ガス排出室は、燃料電池スタックに近接する側に設定される一方、混合ガス供給室、水供給室及び酸化剤ガス供給室は、前記燃料電池スタックから離間する側に設定されることが好ましい。 In this fuel cell module, the reformed gas discharge chamber, the water vapor discharge chamber, and the oxidant gas discharge chamber are set on the side close to the fuel cell stack, while the mixed gas supply chamber, the water supply chamber, and the oxidant gas The supply chamber is preferably set on the side away from the fuel cell stack.
これにより、昇温及び改質直後の反応ガスを燃料電池スタックに迅速に供給することが可能になる。一方、燃料電池スタックからの排ガスは、放熱による降温を最小限に抑制しながら、FC周辺機器を構成する排ガス燃焼器、改質器、熱交換器及び蒸発器に供給することができ、熱効率が向上して熱自立の促進が図られる。ここで、熱自立とは、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池の動作温度を維持することをいう。 As a result, the reaction gas immediately after the temperature rise and reforming can be quickly supplied to the fuel cell stack. On the other hand, the exhaust gas from the fuel cell stack can be supplied to the exhaust gas combustor, reformer, heat exchanger, and evaporator constituting the FC peripheral equipment while minimizing the temperature drop due to heat radiation, and the thermal efficiency is high. It improves and promotes heat independence. Here, the heat self-sustained means that the operating temperature of the fuel cell is maintained only by the heat generated by itself without applying heat from the outside.
さらに、この燃料電池モジュールでは、燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることが好ましい。このため、特にSOFC等の高温型燃料電池に最適である。 Furthermore, in this fuel cell module, the fuel cell module is preferably a solid oxide fuel cell module. For this reason, it is particularly suitable for high-temperature fuel cells such as SOFC.
本発明によれば、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器が構成される第1領域を中心にして、それぞれ環状の第2領域、第3領域及び第4領域が外方向に向かって、順次、設けられている。このため、高温及び熱需要が大きな機器を内側に設置する一方、低温及び熱需要の小さな機器を外側に設定することができる。従って、熱効率の向上が図られて熱自立が促進されるとともに、簡単且つコンパクトに構成することが可能になる。 According to the present invention, the annular second region, the third region, and the fourth region are sequentially provided outward, respectively, centering on the first region in which the exhaust gas combustor and the start-up combustor are configured. It has been. For this reason, it is possible to set a device having a high temperature and a small heat demand on the inside, while setting a device having a low temperature and a small heat demand to the outside. Therefore, the thermal efficiency is improved, the heat self-sustainment is promoted, and the simple and compact configuration can be realized.
さらに、熱交換器は、環状の酸化剤ガス供給室、環状の酸化剤ガス排出室及び複数本の熱交換管路を基本的な構成にすることにより、構造の簡素化が容易に図られる。これにより、製造コストが有効に削減される。しかも、酸化剤ガス供給室及び酸化剤ガス排出室の容積や管路長、管路径及び管路数を変更することにより、広範な運転条件に良好に対応することができ、設計自由度の向上が図られる。 Furthermore, the heat exchanger has a basic configuration that includes an annular oxidant gas supply chamber, an annular oxidant gas discharge chamber, and a plurality of heat exchange conduits, thereby simplifying the structure. Thereby, the manufacturing cost is effectively reduced. In addition, by changing the volume, pipe length, pipe diameter, and number of pipes of the oxidant gas supply chamber and the oxidant gas discharge chamber, it is possible to cope with a wide range of operating conditions and improve design flexibility. Is planned.
その上、熱交換管路の一端は、酸化剤ガス供給室を構成する入口側壁部に摺動自在に当接する一方、前記熱交換管路の他端は、酸化剤ガス排出室を構成する出口側壁部に固着されている。このため、FC周辺機器の熱膨張時に、熱交換管路に軸方向に熱応力が発生した際、前記熱応力を前記熱交換管路の摺動部位における密着性の強化に利用することができ、シール性の向上が確実に図られる。 In addition, one end of the heat exchange pipe is slidably brought into contact with an inlet side wall constituting the oxidant gas supply chamber, while the other end of the heat exchange pipe is an outlet constituting the oxidant gas discharge chamber. It is fixed to the side wall. For this reason, when thermal stress is generated in the axial direction of the heat exchange pipe during the thermal expansion of the FC peripheral device, the thermal stress can be used to enhance the adhesion at the sliding portion of the heat exchange pipe. As a result, the sealing performance is reliably improved.
図1に示すように、燃料電池システム10は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池モジュール12を組み込むとともに、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられる。
As shown in FIG. 1, the
燃料電池システム10は、燃料ガス(水素ガスにメタン、一酸化炭素が混合した気体)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(SOFCモジュール)12と、前記燃料電池モジュール12に原燃料(例えば、都市ガス)を供給する原燃料供給装置(燃料ガスポンプを含む)14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(空気ポンプを含む)16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)18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20とを備える。
The
燃料電池モジュール12は、複数の固体酸化物形の燃料電池22が鉛直方向(又は水平方向)に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック24を備える。燃料電池22は、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電解質26の両面に、カソード電極28及びアノード電極30が設けられた電解質・電極接合体(MEA)32を備える。
The
電解質・電極接合体32の両側には、カソード側セパレータ34とアノード側セパレータ36とが配設される。カソード側セパレータ34には、カソード電極28に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路38が形成されるとともに、アノード側セパレータ36には、アノード電極30に燃料ガスを供給する燃料ガス流路40が形成される。なお、燃料電池22としては、従来より使用されている種々のSOFCを用いることができる。
On both sides of the electrolyte /
燃料電池22は、作動温度が数百℃と高温であり、アノード電極30では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素、COが得られ、この水素、COが電解質26の前記アノード電極30側に供給される。
The operating temperature of the
燃料電池スタック24には、各酸化剤ガス流路38の入口側に一体に連通する酸化剤ガス入口連通孔42a、前記酸化剤ガス流路38の出口側に一体に連通する酸化剤ガス出口連通孔42b、各燃料ガス流路40の入口側に一体に連通する燃料ガス入口連通孔44a、及び前記燃料ガス流路40の出口側に一体に連通する燃料ガス出口連通孔44bが設けられる。
In the
燃料電池モジュール12は、炭化水素を主体とする原燃料(例えば、都市ガス)と水蒸気との混合ガスを改質し、燃料電池スタック24に供給される燃料ガスを生成する改質器46と、水を蒸発させるとともに、前記水蒸気を前記改質器46に供給する蒸発器48と、燃焼ガスとの熱交換により酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタック24に前記酸化剤ガスを供給する熱交換器50と、前記燃料電池スタック24から排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、前記燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器52と、前記原燃料と前記酸化剤ガスとを燃焼させて前記燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器54とを備える。
The
燃料電池モジュール12は、基本的には、燃料電池スタック24とFC周辺機器(BOP)56とにより構成される。このFC周辺機器56は、改質器46、蒸発器48、熱交換器50、排ガス燃焼器52及び起動用燃焼器54を備える。
The
図2に示すように、FC周辺機器56は、排ガス燃焼器52及び起動用燃焼器54が構成される、例えば、開口形状円形の第1領域R1と、熱交換器50が構成されるとともに、前記第1領域R1を環状に周回する第2領域R2と、改質器46が構成されるとともに、前記第2領域R2を環状に周回する第3領域R3と、蒸発器48が構成されるとともに、前記第3領域R3を環状に周回する第4領域R4とを備える。
As shown in FIG. 2, the FC
図2及び図3に示すように、起動用燃焼器54は、空気供給管57及び原燃料供給管58を備える。起動用燃焼器54は、エゼクタ機能を有し、空気供給管57から導入される空気流により原燃料供給管58に負圧を発生させて、原燃料を吸引する。
As shown in FIGS. 2 and 3, the start-up
FC周辺機器56は、図2及び図4に示すように、第1領域R1と第2領域R2との間に配置される第1仕切り板60a、前記第2領域R2と第3領域R3との間に配置される第2仕切り板60b及び前記第3領域R3と第4領域R4との間に配置される第3仕切り板60cとを備える。第4領域R4の外周には、外板である第4仕切り板60dが設けられる。第1仕切り板60a〜第4仕切り板60dは、例えば、ステンレス鋼板で形成される。
2 and 4, the FC
図2及び図3に示すように、排ガス燃焼器52は、起動用燃焼器54を収容する第1仕切り板60a内に構成される。第1仕切り板60aは、円筒形状を有しており、前記第1仕切り板60aの外周部には、燃料電池スタック24側の端部に近接して複数の第1燃焼ガス連通孔62aが形成される。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
第2仕切り板60bには、燃料電池スタック24とは反対側の端部に近接して複数の第2燃焼ガス連通孔62bが形成される。第3仕切り板60cには、燃料電池スタック24側の端部に近接して複数の第3燃焼ガス連通孔62cが形成される。第4仕切り板60dには、燃料電池スタック24とは反対側の端部に近接して複数の第4燃焼ガス連通孔62dが形成される。第4燃焼ガス連通孔62dは、燃焼ガスを外部に排出する。
A plurality of second combustion gas communication holes 62b are formed in the
第1仕切り板60aには、酸化剤排ガス通路63aの一端と燃料排ガス通路63bの一端とが配置される。第1仕切り板60a内では、燃料ガス(具体的には、燃料排ガス)と酸化剤ガス(具体的には、酸化剤排ガス)との燃焼反応により、燃焼ガスが生成される。
One end of the oxidant
図1に示すように、酸化剤排ガス通路63aの他端は、燃料電池スタック24の酸化剤ガス出口連通孔42bに接続されるとともに、燃料排ガス通路63bの他端は、前記燃料電池スタック24の燃料ガス出口連通孔44bに接続される。
As shown in FIG. 1, the other end of the oxidant
図2及び図3に示すように、熱交換器50は、第1仕切り板60aの外周に配設される複数本の円筒状熱交換管路(伝熱パイプ)64を備えるとともに、前記熱交換管路64により軸方向応力緩和部65が構成される。熱交換管路64の一端部(燃料電池スタック24とは反対側の端部、以下同様)は、後述する酸化剤ガス供給室70aを構成する第1内側リング(入口側壁部)66aに摺動自在に当接する一方、前記熱交換管路64の他端部(燃料電池スタック24側の端部、以下同様)は、後述する酸化剤ガス排出室70bを構成する第1内側リング(出口側壁部)66bに固着される。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
熱交換管路64の一端は、軸方向外方に向かって径方向外方に拡大(拡径)する拡大端部64aを構成するとともに、前記拡大端部64aは、実質的に円錐形状を有する。拡大端部64aには、軸方向に延在する1つ以上のスリット(切り欠き部位)64asが形成される。
One end of the
第1内側リング66aは、熱交換管路64の拡大端部64aの軸方向内方に向かって径方向内方に縮小し、前記拡大端部64aの内周面に摺接する縮小壁部66aaを構成する。軸方向応力緩和部65は、拡大端部64a及び縮小壁部66aaを有する。拡大端部64aと縮小壁部66aaとは、同一の傾斜角度に設定されるとともに、互いの摺接部位には、他の部位に比較して滑面化された滑面部67が設けられる。
The first
滑面部67は、例えば、コーティング処理やシール処理により構成される。コーティング処理では、例えば、ブライトアニール処理(光輝焼鈍処理)が採用され、シール処理では、マイカ材やセラミック材等、地殻成分系素材、硝子系素材、粘土とプラスチックの複合素材等のシールが用いられる。
The
第1内側リング66a、66bの外方には、第1外側リング68a、68bが配設される。第1内側リング66a、66b及び第1外側リング68a、68bは、第1仕切り板60aの外周面と第2仕切り板60bの内周面とに固着される。
First
第1内側リング66aと第1外側リング68aとの間には、酸化剤ガスが供給される環状の酸化剤ガス供給室70aが形成される。第1内側リング66bと第1外側リング68bとの間には、昇温された酸化剤ガスが排出される環状の酸化剤ガス排出室70bが形成される(図2〜図4参照)。熱交換管路64の両端は、酸化剤ガス供給室70aと酸化剤ガス排出室70bとに開放される。
An annular oxidant
酸化剤ガス供給室70aには、酸化剤ガス供給管72が配設される。酸化剤ガス排出室70bには、酸化剤ガス通路74の一端が配設されるとともに、前記酸化剤ガス通路74の他端は、燃料電池スタック24の酸化剤ガス入口連通孔42aに接続される(図1参照)。
An oxidant
改質器46は、都市ガス(原燃料)中に含まれるエタン(C2H6)、プロパン(C3H8)及びブタン(C4H10)等の高級炭化水素(C2+)を、主としてメタン(CH4)、水素、CO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
改質器46は、図2及び図3に示すように、熱交換器50の外周に配設される複数本の円筒状改質管路(伝熱パイプ)76を備えるとともに、前記改質管路76により軸方向応力緩和部77が構成される。改質管路76の一端は、後述する混合ガス供給室82aを構成する第2内側リング(入口側壁部)78aに摺動自在に当接する一方、前記改質管路76の他端は、後述する改質ガス排出室82bを構成する第2内側リング(出口側壁部)78bに固着される。
The
改質管路76の一端は、軸方向外方に向かって径方向外方に拡大(拡径)する拡大端部76aを構成するとともに、前記拡大端部76aは、実質的に円錐形状を有する。拡大端部76aには、軸方向に延在する1つ以上のスリット(切り欠き部位)76asが形成される。
One end of the reforming
第2内側リング78aは、改質管路76の拡大端部76aの軸方向内方に向かって径方向内方に縮小し、前記拡大端部76aの内周面に摺接する縮小壁部78aaを構成する。軸方向応力緩和部77は、拡大端部76a及び縮小壁部78aaを有する。拡大端部76aと縮小壁部78aaとは、同一の傾斜角度に設定されるとともに、互いの摺接部位には、他の部位に比較して滑面化された滑面部79が設けられる。
The second
滑面部79は、例えば、コーティング処理やシール処理により構成される。コーティング処理では、例えば、ブライトアニール処理(光輝焼鈍処理)が採用され、シール処理では、マイカ材やセラミック材等、地殻成分系素材、硝子系素材、粘土とプラスチックの複合素材等のシールが用いられる。
The
第2内側リング78a、78bの外方には、第2外側リング80a、80bが配設される。第2内側リング78a、78b及び第2外側リング80a、80bは、第2仕切り板60bの外周面と第3仕切り板60cの内周面とに固着される。
Second
第2内側リング78aと第2外側リング80aとの間には、混合ガス(原燃料と水蒸気)が供給される環状の混合ガス供給室82aが形成される。第2内側リング78bと第2外側リング80bとの間には、生成された燃料ガス(改質ガス)が排出される環状の改質ガス排出室82bが形成される。
An annular mixed
改質管路76の両端は、混合ガス供給室82aと改質ガス排出室82bとに開放される。各改質管路76内には、改質用のペレット状触媒84が充填される。改質管路76の両端には、ペレット状触媒84を保持するための金網86が配設される。
Both ends of the reforming
混合ガス供給室82aには、原燃料供給路88が接続されるとともに、前記原燃料供給路88の途上には、後述する蒸発リターン管路102が接続される。改質ガス排出室82bには、燃料ガス通路90の一端が連通するとともに、前記燃料ガス通路90の他端は、燃料電池スタック24の燃料ガス入口連通孔44aに連通する(図1参照)。
A raw
蒸発器48は、改質器46の外周に配設される複数本の蒸発管路(伝熱パイプ)92を備える。蒸発管路92の一端部は、第3内側リング94aに固定されるとともに、前記蒸発管路92の他端部は、第3内側リング94bに固定される。
The
第3内側リング94a、94bの外方には、第3外側リング96a、96bが配設される。第3内側リング94a、94b及び第3外側リング96a、96bは、第3仕切り板60cの外周面と第4仕切り板60dの内周面とに固着される。
Third
第3内側リング94aと第3外側リング96aとの間には、水が供給される環状の水供給室98aが形成される。第3内側リング94bと第3外側リング96bとの間には、水蒸気が排出される環状の水蒸気排出室98bが形成される。蒸発管路92の両端は、水供給室98aと水蒸気排出室98bとに開放される。
An annular
水供給室98aには、水通路100が配設される。水蒸気排出室98bには、少なくとも1本以上の蒸発管路92により構成される蒸発リターン管路102の一端が配設されるとともに、前記蒸発リターン管路102の他端は、原燃料供給路88の途上に接続される(図1参照)。原燃料供給路88は、エゼクタ機能を有しており、流通される原燃料によって負圧を発生させ、水蒸気の吸引を行う。
A
少なくとも第1領域R1、第2領域R2、第3領域R3又は第4領域R4の1つ(特に、高熱に曝され易い領域)には、熱による径方向の応力を緩和するための径方向応力緩和部103が設けられる。
At least one of the first region R1, the second region R2, the third region R3, or the fourth region R4 (particularly a region that is easily exposed to high heat) is a radial stress for relaxing the radial stress due to heat. A
径方向応力緩和部103は、少なくとも酸化剤ガス排出室70b、改質ガス排出室82b又は水蒸気排出室98bの1つ、第1の実施形態では、これらの全てを構成する内側リング66b、78b及び94bと外側リング68b、80b及び96bとに設けられる(図4参照)。
The radial
径方向応力緩和部103は、さらに少なくとも酸化剤ガス供給室70a、混合ガス供給室82a及び水供給室98aの1つ、第1の実施形態では、これらの全てを構成する内側リング66a、78a及び94aと外側リング68a、80a及び96aとに設けられる(図2参照)。内側リング66a、66b、78a、78b、94a及び94bと外側リング68a、68b、80a、80b、96a及び96bとは、例えば、ステンレス鋼板で形成される。
The radial
特に、高温の燃焼ガスに曝される酸化剤ガス排出室70bでは、図4に示すように、内側リング66bの内周部及び外周部には、断面形状半円を有する内周湾曲部位103ai及び外周湾曲部位103aoが設けられる。酸化剤ガス排出室70bでは、外側リング68bの内周部及び外周部には、同様に断面形状半円を有する内周湾曲部位103bi及び外周湾曲部位103boが設けられる。
In particular, in the oxidant
内周湾曲部位103ai、103bi及び外周湾曲部位103ao、103boは、変位を吸収する低剛性のばねとして機能することにより、径方向応力緩和部103が構成される。なお、内周湾曲部位103ai、103bi又は外周湾曲部位103ao、103boの一方のみを設けてもよい。また、他の内側リング66a、78a、78b、94a及び94bと外側リング68a、80a、80b、96a及び96bとは、上記の内側リング66b及び外側リング68bと同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。
The inner peripheral curved portions 103ai and 103bi and the outer peripheral curved portions 103ao and 103bo function as a low-rigidity spring that absorbs the displacement, whereby the radial
図1に示すように、原燃料供給装置14は、原燃料通路104を備える。原燃料通路104は、原燃料用調整弁106を介して原燃料供給路88と原燃料供給管58とに分岐する。原燃料供給路88には、都市ガス(原燃料)中に含まれる硫黄化合物を除去するための脱硫器108が配設される。
As shown in FIG. 1, the raw
酸化剤ガス供給装置16は、酸化剤ガス通路110を備える。酸化剤ガス通路110は、酸化剤ガス用調整弁112を介して酸化剤ガス供給管72と空気供給管57とに分岐する。水供給装置18は、水通路100を介して蒸発器48に接続される。
The oxidant
図5に概略的に示すように、第1領域R1には、燃焼ガスが流通する第1燃焼ガス通路116aが形成され、第2領域R2には、前記燃焼ガスが矢印A1方向に流通する第2燃焼ガス通路116bが形成され、第3領域R3には、前記燃焼ガスが矢印A2方向に流通する第3燃焼ガス通路116cが形成され、第4領域R4には、前記燃焼ガスが矢印A1方向に流通する第4燃焼ガス通路116dが形成される。
As schematically shown in FIG. 5, a first
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
燃料電池システム10の起動時には、空気(酸化剤ガス)及び原燃料が起動用燃焼器54に供給される。具体的には、酸化剤ガス供給装置16では、空気ポンプの駆動作用下に酸化剤ガス通路110に空気が供給される。この空気は、酸化剤ガス用調整弁112の開度調整作用下に、空気供給管57に供給される。
When the
一方、原燃料供給装置14では、燃料ガスポンプの駆動作用下に原燃料通路104に、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。原燃料は、原燃料用調整弁106の開度調整作用下に、原燃料供給管58に導入される。この原燃料は、空気と混合されるとともに、起動用燃焼器54内に供給される(図2参照)。
On the other hand, in the raw
このため、起動用燃焼器54内には、原燃料と空気との混合ガスが供給され、この混合ガスが着火されることにより、燃焼が開始される。従って、起動用燃焼器54に直接接続されている排ガス燃焼器52では、前記起動用燃焼器54から第1仕切り板60aに燃焼ガスが供給される。
For this reason, a mixed gas of raw fuel and air is supplied into the start-up
図5に示すように、第1仕切り板60aには、燃料電池スタック24側の端部に近接して複数の第1燃焼ガス連通孔62aが形成されている。これにより、第1仕切り板60aの内部に供給された燃焼ガスは、複数の第1燃焼ガス連通孔62aを通過して、第1領域R1から第2領域R2に導入される。
As shown in FIG. 5, the
燃焼ガスは、第2領域R2を矢印A1方向に流通した後、第2仕切り板60bに形成された複数の第2燃焼ガス連通孔62bを通って第3領域R3に導入される。第3領域R3では、燃焼ガスは、矢印A2方向に流通した後、第3仕切り板60cに形成された複数の第3燃焼ガス連通孔62cを通って第4領域R4に導入される。燃焼ガスは、第4領域R4を矢印A1方向に流通した後、第4仕切り板60dに形成された第4燃焼ガス連通孔62dから外部に排出される。
The combustion gas flows through the second region R2 in the direction of the arrow A1, and then is introduced into the third region R3 through the plurality of second combustion
その際、第2領域R2には、熱交換器50が配置されており、第3領域R3には、改質器46が配置されており、第4領域R4には、蒸発器48が配置されている。このため、第1領域R1から排出される燃焼ガスは、熱交換器50、改質器46及び蒸発器48の順に加熱する。
At that time, the
そして、燃料電池モジュール12が設定温度に昇温されると、熱交換器50に酸化剤ガスが供給される一方、改質器46には、原燃料及び水蒸気の混合ガスが供給される。
When the
具体的には、酸化剤ガス用調整弁112の開度が調整されて、酸化剤ガス供給管72への空気供給量が増加されるとともに、原燃料用調整弁106の開度が調整されて、原燃料供給路88への原燃料供給量が増加される。また、水供給装置18の作用下に、水通路100に水が供給される。
Specifically, the opening degree of the oxidant
従って、図2及び図3に示すように、熱交換器50に導入された空気は、酸化剤ガス供給室70aに一旦供給された後、複数の熱交換管路64内を移動する間に、第2領域R2に導入された燃焼ガスにより加熱(熱交換)される。加熱された空気は、一旦酸化剤ガス排出室70bに供給された後、酸化剤ガス通路74を介して燃料電池スタック24の酸化剤ガス入口連通孔42aに供給される(図1参照)。
Therefore, as shown in FIGS. 2 and 3, the air introduced into the
燃料電池スタック24では、加熱された空気は、酸化剤ガス流路38を流通した後、酸化剤ガス出口連通孔42bから酸化剤排ガス通路63aに排出される。酸化剤排ガス通路63aは、排ガス燃焼器52を構成する第1仕切り板60aの内部に開口しており、前記第1仕切り板60a内に酸化剤排ガスが導入される。
In the
また、図1に示すように、水供給装置18から供給される水は、蒸発器48に供給されるとともに、脱硫器108で脱硫された原燃料は、原燃料供給路88を流通して改質器46に向かう。
Further, as shown in FIG. 1, the water supplied from the
蒸発器48では、水が一旦水供給室98aに供給された後、複数本の蒸発管路92内を移動する間、第4領域R4を流通する燃焼ガスにより昇温されて、水蒸気化される。この水蒸気は、水蒸気排出室98bに一旦導入された後、前記水蒸気排出室98bに連通する蒸発リターン管路102に供給される。これにより、水蒸気は、蒸発リターン管路102内を流通して原燃料供給路88に導入され、原燃料と混合して混合ガスが得られる。
In the
混合ガスは、原燃料供給路88から改質器46を構成する混合ガス供給室82aに一旦供給される。混合ガスは、複数の改質管路76内を移動する。その間に、混合ガスは、第3領域R3を流通する燃焼ガスにより加熱されるとともに、ペレット状触媒84を介して水蒸気改質され、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。
The mixed gas is temporarily supplied from the raw
この改質ガスは、加熱された燃料ガスとして、一旦改質ガス排出室82bに供給された後、燃料ガス通路90を介して燃料電池スタック24の燃料ガス入口連通孔44aに供給される(図1参照)。
The reformed gas is once supplied to the reformed
燃料電池スタック24では、加熱された燃料ガスは、燃料ガス流路40を流通した後、燃料ガス出口連通孔44bから燃料排ガス通路63bに排出される。燃料排ガス通路63bは、排ガス燃焼器52を構成する第1仕切り板60aの内部に開口しており、前記第1仕切り板60a内に燃料排ガスが導入される。
In the
なお、起動用燃焼器54による昇温作用下に、排ガス燃焼器52内が燃料ガスの自己着火温度を超えると、第1仕切り板60a内で酸化剤排ガスと燃料排ガスとによる燃焼が開始される。
Note that, when the inside of the
この場合、第1の実施形態では、FC周辺機器56は、排ガス燃焼器52及び起動用燃焼器54が構成される第1領域R1と、熱交換器50が構成されるとともに、前記第1領域R1を環状に周回する第2領域R2と、改質器46が構成されるとともに、前記第2領域R2を環状に周回する第3領域R3と、蒸発器48が構成されるとともに、前記第3領域R3を環状に周回する第4領域R4とを備えている。
In this case, in the first embodiment, the FC
すなわち、第1領域R1を中心にして、それぞれ環状の第2領域R2、第3領域R3及び第4領域R4が外方向に向かって、順次、設けられている。このため、高温及び熱需要が大きな機器、例えば、熱交換器50(及び改質器46)を内側に設置する一方、低温及び熱需要の小さな機器、例えば、蒸発器48を外側に設定することができる。
That is, the second region R2, the third region R3, and the fourth region R4 each having an annular shape are sequentially provided outward from the first region R1. For this reason, equipment with high temperature and heat demand, for example, the heat exchanger 50 (and the reformer 46) is installed on the inside, while equipment with low temperature and low heat demand, for example, the
熱交換器50は、例えば、550℃〜650℃の温度が必要であるとともに、改質器46は、550℃〜600℃の温度が必要である。一方、蒸発器48は、150℃〜200℃の温度が必要である。
For example, the
従って、熱効率の向上が図られて熱自立が促進されるとともに、簡単且つコンパクトに構成することが可能になるという効果が得られる。特に、改質器46の内方に熱交換器50が配設されるため、前記改質器46は、比較的A/F(空気/燃料ガス)が低い環境で、低温改質に適した前記改質器46が良好に使用される。ここで、熱自立とは、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池22の動作温度を維持することをいう。
Therefore, the thermal efficiency is improved, the heat self-sustainment is promoted, and an effect that it is possible to construct a simple and compact structure is obtained. In particular, since the
しかも、熱交換器50では、酸化剤ガスが供給される環状の酸化剤ガス供給室70a、昇温された前記酸化剤ガスが排出される環状の酸化剤ガス排出室70b、一端が前記酸化剤ガス供給室70aに連通し且つ他端が前記酸化剤ガス排出室70bに連通する複数本の熱交換管路64、及び前記熱交換管路64間に燃焼ガスを供給する第2燃焼ガス通路116bを備えている。
Moreover, in the
これにより、構成の簡素化が容易に図られるとともに、製造コストが有効に削減される。その上、酸化剤ガス供給室70a及び酸化剤ガス排出室70bの容積や管路長、管路径及び管路数を変更することにより、広範な運転条件に良好に対応することができ、設計自由度の向上が図られる。
Thereby, simplification of the configuration can be easily achieved and the manufacturing cost can be effectively reduced. In addition, by changing the volume of the oxidant
さらに、熱交換管路64の一端は、酸化剤ガス供給室70aを構成する第1内側リング66aに摺動自在に当接する一方、前記熱交換管路64の他端は、酸化剤ガス排出室70bを構成する第1内側リング66bに固着されている。このため、FC周辺機器56が熱膨張して熱交換管路64に軸方向に熱応力が発生した際、前記熱応力を前記熱交換管路64の摺動部位における密着性の強化に利用することができ、シール性の向上が確実に図られる。
Furthermore, one end of the
図6に示すように、FC周辺機器56では、燃料電池スタック24側から離間する方向(矢印A1方向)に向かって高温から低温になり易い。従って、FC周辺機器56には、軸方向(矢印A1方向)に向かって温度差が発生し易い。熱交換器50では、複数本の熱交換管路64が矢印A1方向に延在して配置されている。これにより、熱交換管路64には、軸方向に温度差が発生し、前記熱交換管路64に軸方向への延びが惹起される。
As shown in FIG. 6, in the FC
ここで、熱交換管路64の他端は、第1内側リング66bに固着される一方、前記熱交換管路64の一端は、第1内側リング66aに摺動自在に当接している。その際、熱交換管路64の一端は、軸方向外方に向かって径方向外方に拡大する拡大端部64aを構成するとともに、第1内側リング66aは、熱交換管路64の拡大端部64aの軸方向内方に向かって径方向内方に縮小し、前記拡大端部64aの内周面に摺接する縮小壁部66aaを構成している。
Here, the other end of the
このため、熱交換管路64は、拡大端部64aの内周面に縮小壁部66aaの外周面を摺接させて、矢印A1方向に延びることができ、軸方向の熱応力を緩和することが可能になる。従って、熱交換器50は、熱応力による耐久性の低下を良好に抑制することができるという効果が得られる。特に、拡大端部64aの内周面と縮小壁部66aaの外周面とは、互いに面接触することができ、シール性能が良好に向上する。
For this reason, the
さらに、拡大端部64aと縮小壁部66aaとは、同一の傾斜角度に設定されるとともに、互いの摺接部位には、他の部位に比較して滑面化された滑面部67が設けられている。これにより、拡大端部64aの内周面と縮小壁部66aaの外周面とは、一層確実に面接触することが可能になり、シール効果が良好に向上する。
Furthermore, the
さらにまた、拡大端部64aには、軸方向に延在するスリット64asが設けられている。このため、熱交換管路64の軸方向の熱応力が過大になっても、切り欠き部位64asが広がることで容易に吸収することができ、熱交換器50の耐久性が良好に向上する。
Furthermore, the
また、熱交換管路64の拡大端部64a及び第1内側リング66aの縮小壁部66aaは、酸化剤ガス流れ方向(矢印A2方向)に向かって内方に縮径している。従って、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給室70aから縮小壁部66aaの内周面及び拡大端部64aの内周面に沿って熱交換管路64内を円滑に流通することができる。
Further, the
一方、改質器46では、改質管路76の一端は、混合ガス供給室82aを構成する第2内側リング78aに摺動自在に当接する一方、前記改質管路76の他端は、改質ガス排出室82bを構成する第2内側リング78bに固着されている。これにより、FC周辺機器56が熱膨張して改質管路76に軸方向に熱応力が発生した際、前記熱応力を前記改質管路76の摺動部位における密着性の強化に利用することができ、シール性の向上が確実に図られる。
On the other hand, in the
改質管路76は、熱交換管路64と同様に、一端に拡大端部76aを有するとともに、第2内側リング78aは、前記拡大端部76aの内周面に摺接する縮小壁部78aaを有している。このため、図6に示すように、改質管路76は、拡大端部76aの内周面に縮小壁部78aaの外周面を摺接させて、矢印A1方向に延びることができ、軸方向の熱応力を緩和することが可能になる。
Like the
従って、改質器46は、熱応力による耐久性の低下を良好に抑制することができるという効果が得られる。特に、拡大端部76aの内周面と縮小壁部78aaの外周面とは、互いに面接触することができ、シール性能が良好に向上する。
Therefore, the
さらに、拡大端部76aと縮小壁部78aaとは、同一の傾斜角度に設定されるとともに、互いの摺接部位には、他の部位に比較して滑面化された滑面部79が設けられている。これにより、拡大端部76aの内周面と縮小壁部78aaの外周面とは、一層確実に面接触することが可能になり、シール効果が良好に向上する。
Further, the
さらにまた、拡大端部76aには、軸方向に延在するスリット76asが設けられている。このため、改質管路76の軸方向の熱応力が過大になっても、スリット76asが広がることで容易に吸収することができ、改質器46の耐久性が良好に向上する。なお、改質器46には、必要に応じて軸方向応力緩和部77を設ければよい。
Furthermore, the
また、図6に示すように、第1領域R1から第4領域R4に向かって(矢印B方向)高温から低温になり易い。従って、FC周辺機器56には、径方向に向かってそれぞれ温度差が発生し易い。
Further, as shown in FIG. 6, the temperature tends to decrease from a high temperature to a low temperature from the first region R1 toward the fourth region R4 (in the arrow B direction). Therefore, the FC
径方向の温度差により、外周側に向かう程、熱膨張が小さくなって、仕切り部(第1仕切り板60a〜第4仕切り板60d)を挟んで応力が発生する。軸方向の温度差により、管路(熱交換管路64、改質管路76及び蒸発管路92)が傾斜して前記管路の接続部位に応力が発生する。
Due to the temperature difference in the radial direction, the thermal expansion becomes smaller toward the outer peripheral side, and stress is generated across the partition portion (the
そこで、少なくとも高温の排ガスに曝される部位に応じて、応力緩和部103が設けられることにより、FC周辺機器56が熱膨張する際に、前記応力緩和部103は、径方向の熱応力及び軸方向の熱応力を緩和することができる。これにより、FC周辺機器56は、熱応力による耐久性の低下を良好に抑制することが可能になる。
Therefore, when the FC
応力緩和部103は、酸化剤ガス排出室70b、改質ガス排出室82b及び水蒸気排出室98bを構成する内側リング66b、78b及び94bと外側リング68b、80b及び96bとに設けられている。さらに、応力緩和部103は、酸化剤ガス供給室70a、混合ガス供給室82a及び水供給室98aを構成する内側リング66a、78a及び94aと外側リング68a、80a及び96aとに設けられている。このため、径方向の熱応力を確実に緩和することができ、FC周辺機器56は、熱応力による耐久性の低下を良好に抑制することが可能になる。
The
さらに、第1の実施形態では、図2、図3及び図5に示すように、改質器46は、混合ガスが供給される環状の混合ガス供給室82a、生成された燃料ガスが排出される環状の改質ガス排出室82b、一端が前記混合ガス供給室82aに連通し且つ他端が前記改質ガス排出室82bに連通する複数本の改質管路76、及び前記改質管路76間に燃焼ガスを供給する第3燃焼ガス通路116cを備えている。
Furthermore, in the first embodiment, as shown in FIGS. 2, 3 and 5, the
蒸発器48は、水が供給される環状の水供給室98a、水蒸気が排出される環状の水蒸気排出室98b、一端が前記水供給室98aに連通し且つ他端が前記水蒸気排出室98bに連通する複数本の蒸発管路92、及び前記蒸発管路92間に燃焼ガスを供給する第4燃焼ガス通路116dを備えている。
The
このように、環状の供給室(混合ガス供給室82a、水供給室98a及び酸化剤ガス供給室70a)、環状の排出室(改質ガス排出室82b、水蒸気排出室98b及び酸化剤ガス排出室70b)及び複数本の管路(改質管路76、蒸発管路92及び熱交換管路64)を基本的な構成にすることにより、構造の簡素化が容易に図られる。従って、燃料電池モジュール12全体の製造コストが有効に削減される。しかも、供給室及び排出室の容積や管路長、管路径及び管路数を変更することにより、広範な運転条件に良好に対応することができ、設計自由度の向上が図られる。
Thus, an annular supply chamber (mixed
さらにまた、改質ガス排出室82b、水蒸気排出室98b及び酸化剤ガス排出室70bは、燃料電池スタック24に近接する側に設けられるとともに、混合ガス供給室82a、水供給室98a及び酸化剤ガス供給室70aは、前記燃料電池スタック24とは反対側(離間する側)に設けられている。
Furthermore, the reformed
これにより、昇温及び改質直後の反応ガス(燃料ガス及び酸化剤ガス)を燃料電池スタック24に迅速に供給することが可能になる。一方、燃料電池スタック24からの排ガスは、放熱による降温を最小限に抑制しながら、FC周辺機器56を構成する改質器46、蒸発器48、熱交換器50及び排ガス燃焼器52に供給することができ、熱効率が向上して熱自立の促進が図られる。
As a result, the reaction gas (fuel gas and oxidant gas) immediately after the temperature rise and reforming can be quickly supplied to the
また、燃料電池モジュール12は、固体酸化物形燃料電池モジュールである。このため、特にSOFC等の高温型燃料電池に最適である。
The
図7に示すように、燃料電池システム130は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池モジュール132を組み込む。なお、第1の実施形態に係る燃料電池モジュール12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。
As shown in FIG. 7, the
燃料電池モジュール132を構成するFC周辺機器56は、図8に示すように、排ガス燃焼器52及び起動用燃焼器54が構成される、例えば、開口形状円形の第1領域R1と、改質器46が構成されるとともに、前記第1領域R1を環状に周回する第2領域R2と、熱交換器50が構成されるとともに、前記第2領域R2を環状に周回する第3領域R3と、蒸発器48が構成されるとともに、前記第3領域R3を環状に周回する第4領域R4とを備える。
As shown in FIG. 8, the FC
少なくとも第1領域R1、第2領域R2、第3領域R3又は第4領域R4の1つ(特に、高熱に曝され易い領域)には、応力緩和部103が設けられる。この応力緩和部103は、第1の実施形態と同様に構成される。
The
FC周辺機器56は、第1領域R1と第2領域R2との間に配置される第1仕切り板134a、前記第2領域R2と第3領域R3との間に配置される第2仕切り板134b、前記第3領域R3と第4領域R4との間に配置される第3仕切り板134c、及び前記第4領域R4の外周に配置される第4仕切り板134dを備える。
The FC
図8及び図9に示すように、第1燃焼ガス連通孔62aは、第1仕切り板134aの燃料電池スタック24とは反対側の端部に近接して設けられ、第2燃焼ガス連通孔62bは、第2仕切り板134bの前記燃料電池スタック24側の端部に近接して設けられ、第3燃焼ガス連通孔62cは、第3仕切り板134cの前記燃料電池スタック24とは反対側の端部に近接して設けられ、第4燃焼ガス連通孔62dは、第4仕切り板134dの前記燃料電池スタック24側の端部に近接して設けられる。
As shown in FIGS. 8 and 9, the first combustion
第1仕切り板134aには、第1燃焼ガス連通孔62aとは反対側に且つ前記第1燃焼ガス連通孔62aよりも小さな開口面積を有する複数の抽気孔部136aが形成される。抽気孔部136aは、第2仕切り板134bに形成された第2燃焼ガス連通孔62bに対向する位置に設定される。第2仕切り板134bには、第3仕切り板134cに形成された第3燃焼ガス連通孔62cに対向する位置に複数の抽気孔部136bが形成される。第3仕切り板134cには、第4仕切り板134dに形成された第4燃焼ガス連通孔62dに対向する位置に複数の抽気孔部136cが形成される。なお、抽気孔部136b、136cは、必要に応じて設けられていればよい。
The
熱交換器50では、熱交換管路64により軸方向応力緩和部65が構成される一方、改質器46では、改質管路76により軸方向応力緩和部77が構成される。
In the
このように構成される第2の実施形態では、燃料電池モジュール132は、排ガス燃焼器52及び起動用燃焼器54が構成される第1領域R1と、改質器46が構成されるとともに、前記第1領域R1を環状に周回する第2領域R2と、熱交換器50が構成されるとともに、前記第2領域R2を環状に周回する第3領域R3と、蒸発器48が構成されるとともに、前記第3領域R3を環状に周回する第4領域R4とを備えている。
In the second embodiment configured as described above, the
このため、高温及び熱需要が大きな機器、例えば、改質器46(及び熱交換器50)を内側に設置する一方、低温及び熱需要の小さな機器、例えば、蒸発器48を外側に設定することができる。従って、熱効率の向上が図られて熱自立が促進されるとともに、簡単且つコンパクトに構成することが可能になる。
For this reason, equipment with high temperature and heat demand, for example, reformer 46 (and heat exchanger 50) is installed inside, while equipment with low temperature and low heat demand, for example,
しかも、熱交換器50では、熱交換管路64により軸方向応力緩和部65が構成される一方、改質器46では、改質管路76により軸方向応力緩和部77が構成されている。これにより、熱交換管路64及び改質管路76に軸方向の熱応力(伸び)が発生しても、軸方向応力緩和部65、77により前記熱応力を容易且つ確実に緩和することができる。このため、熱交換器50及び改質器46を含むFC周辺機器56の耐久性を向上させるとともに、シール性能を良好に向上させることが可能になる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
Moreover, in the
さらに、少なくとも第1領域R1、第2領域R2、第3領域R3又は第4領域R4の1つには、応力緩和部103が設けられている。従って、FC周辺機器56は、熱膨張する際に、応力緩和部103により径方向の熱応力が緩和され、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
Further, at least one of the first region R1, the second region R2, the third region R3, or the fourth region R4 is provided with a
特に、改質器46は、熱交換器50の内方に配置されるため、前記改質器46は、比較的A/F(空気/燃料ガス)が高い環境で、高温改質に適した前記改質器46が良好に使用される。
In particular, since the
10、130…燃料電池システム 12、132…燃料電池モジュール
14…原燃料供給装置 16…酸化剤ガス供給装置
18…水供給装置 20…制御装置
22…燃料電池 24…燃料電池スタック
26…電解質 28…カソード電極
30…アノード電極 32…電解質・電極接合体
38…酸化剤ガス流路 40…燃料ガス流路
46…改質器 48…蒸発器
50…熱交換器 52…排ガス燃焼器
54…起動用燃焼器 56…FC周辺機器
57…空気供給管 58…原燃料供給管
60a〜60d、134a〜134d…仕切り板
62a〜62d…燃焼ガス連通孔 64…熱交換管路
64a、76a…拡大端部 64as、76as…スリット
65、77…軸方向応力緩和部
66a、66b、78a、78b、94a、94b…内側リング
66aa、78aa…縮小壁部 67、79…滑面部
68a、68b、80a、80b、96a、96b…外側リング
70a…酸化剤ガス供給室 70b…酸化剤ガス排出室
74、110…酸化剤ガス通路 76…改質管路
82a…混合ガス供給室 82b…改質ガス排出室
84…ペレット状触媒 88…原燃料供給路
90…燃料ガス通路 92…蒸発管路
98a…水供給室 98b…水蒸気排出室
100…水通路 102…蒸発リターン管路
103…応力緩和部 103ai、103bi…内周湾曲部位
103ao、103bo…外周湾曲部位
116a〜116d…燃焼ガス通路 136a〜136c…抽気孔部
DESCRIPTION OF
Claims (9)
炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合ガスを改質し、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを生成する改質器と、
水を蒸発させるとともに、前記水蒸気を前記改質器に供給する蒸発器と、
燃焼ガスとの熱交換により前記酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する熱交換器と、
前記燃料電池スタックから排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、前記燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器と、
前記原燃料と前記酸化剤ガスとを燃焼させて前記燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器と、
を備える燃料電池モジュールであって、
前記排ガス燃焼器及び前記起動用燃焼器が構成される第1領域と、
前記改質器又は前記熱交換器の一方が構成されるとともに、前記第1領域を環状に周回する第2領域と、
前記改質器又は前記熱交換器の他方が構成されるとともに、前記第2領域を環状に周回する第3領域と、
前記蒸発器が構成されるとともに、前記第3領域を環状に周回する第4領域と、
を備え、
前記熱交換器は、前記酸化剤ガスが供給される環状の酸化剤ガス供給室、昇温された前記酸化剤ガスが排出される環状の酸化剤ガス排出室、一端が前記酸化剤ガス供給室に連通し且つ他端が前記酸化剤ガス排出室に連通する複数本の熱交換管路、及び前記熱交換管路間に前記燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備え、
前記熱交換管路の一端は、前記酸化剤ガス供給室を構成する入口側壁部に摺動自在に当接する一方、前記熱交換管路の他端は、前記酸化剤ガス排出室を構成する出口側壁部に固着されることを特徴とする燃料電池モジュール。 A fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas are stacked;
A reformer that reforms a mixed gas of a raw fuel mainly composed of hydrocarbons and water vapor and generates the fuel gas supplied to the fuel cell stack;
An evaporator for evaporating water and supplying the steam to the reformer;
A heat exchanger that raises the temperature of the oxidant gas by heat exchange with a combustion gas and supplies the oxidant gas to the fuel cell stack;
An exhaust gas combustor for burning the fuel exhaust gas as the fuel gas discharged from the fuel cell stack and the oxidant exhaust gas as the oxidant gas to generate the combustion gas;
A starting combustor for burning the raw fuel and the oxidant gas to generate the combustion gas;
A fuel cell module comprising:
A first region in which the exhaust gas combustor and the start-up combustor are configured;
One of the reformer or the heat exchanger is configured, and a second region that circulates around the first region annularly,
The other of the reformer or the heat exchanger is configured, and a third region that circulates around the second region annularly,
The evaporator is configured, and a fourth region that circulates around the third region annularly,
With
The heat exchanger includes an annular oxidant gas supply chamber to which the oxidant gas is supplied, an annular oxidant gas discharge chamber from which the heated oxidant gas is discharged, and one end of the oxidant gas supply chamber A plurality of heat exchange lines communicating with the other end and communicating with the oxidant gas discharge chamber, and a combustion gas passage for supplying the combustion gas between the heat exchange lines,
One end of the heat exchange pipe is slidably in contact with an inlet side wall constituting the oxidant gas supply chamber, while the other end of the heat exchange pipe is an outlet constituting the oxidant gas discharge chamber. A fuel cell module fixed to a side wall portion.
前記入口側壁部は、前記拡大端部の軸方向内方に向かって径方向内方に縮小し、前記拡大端部の内周面に摺接する縮小壁部を構成し、
前記拡大端部と前記縮小壁部とは、同一の傾斜角度に設定されることを特徴とする燃料電池モジュール。 2. The fuel cell module according to claim 1, wherein one end of the heat exchange conduit constitutes an enlarged end portion that expands radially outward toward the axially outward direction,
The inlet side wall portion is reduced inward in the radial direction toward the axially inner side of the enlarged end portion, and constitutes a reduced wall portion that is in sliding contact with the inner peripheral surface of the enlarged end portion,
The fuel cell module, wherein the enlarged end portion and the reduced wall portion are set at the same inclination angle.
前記改質管路の一端は、前記混合ガス供給室を構成する入口側壁部に摺動自在に当接する一方、前記改質管路の他端は、前記改質ガス排出室を構成する出口側壁部に固着されることを特徴とする燃料電池モジュール。 The fuel cell module according to claim 1 or 2, wherein the reformer includes an annular mixed gas supply chamber to which the mixed gas is supplied, an annular reformed gas discharge chamber to which the generated fuel gas is discharged, A plurality of reforming pipes having one end communicating with the mixed gas supply chamber and the other end communicating with the reformed gas discharge chamber, and a combustion gas passage for supplying the combustion gas between the reforming pipes ,
One end of the reforming pipe is slidably brought into contact with an inlet side wall constituting the mixed gas supply chamber, while the other end of the reforming pipe is an outlet side wall constituting the reformed gas discharge chamber. A fuel cell module fixed to the part.
前記入口側壁部は、前記拡大端部の軸方向内方に向かって径方向内方に縮小し、前記拡大端部の内周面に摺接する縮小壁部を構成し、
前記拡大端部と前記縮小壁部とは、同一の傾斜角度に設定されることを特徴とする燃料電池モジュール。 4. The fuel cell module according to claim 3, wherein one end of the reforming pipe constitutes an enlarged end portion that expands radially outward toward the axially outward direction,
The inlet side wall portion is reduced inward in the radial direction toward the axially inner side of the enlarged end portion, and constitutes a reduced wall portion that is in sliding contact with the inner peripheral surface of the enlarged end portion,
The fuel cell module, wherein the enlarged end portion and the reduced wall portion are set at the same inclination angle.
前記混合ガス供給室、前記水供給室及び前記酸化剤ガス供給室は、前記燃料電池スタックから離間する側に設定されることを特徴とする燃料電池モジュール。 The fuel cell module according to claim 7, wherein the reformed gas discharge chamber, the water vapor discharge chamber, and the oxidant gas discharge chamber are set on a side close to the fuel cell stack,
The fuel cell module, wherein the mixed gas supply chamber, the water supply chamber, and the oxidant gas supply chamber are set on a side away from the fuel cell stack.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012099199A JP2013229141A (en) | 2012-04-24 | 2012-04-24 | Fuel cell module |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012099199A JP2013229141A (en) | 2012-04-24 | 2012-04-24 | Fuel cell module |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013229141A true JP2013229141A (en) | 2013-11-07 |
Family
ID=49676598
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012099199A Pending JP2013229141A (en) | 2012-04-24 | 2012-04-24 | Fuel cell module |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2013229141A (en) |
-
2012
- 2012-04-24 JP JP2012099199A patent/JP2013229141A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5851863B2 (en) | Fuel cell module | |
JP5881440B2 (en) | Fuel cell module | |
JP5990397B2 (en) | Fuel cell module | |
JP5902027B2 (en) | Fuel cell module | |
JP5981872B2 (en) | Fuel cell module | |
JP5836823B2 (en) | Fuel cell module | |
JP5848197B2 (en) | Fuel cell module | |
JP5851968B2 (en) | Fuel cell module | |
JP5815476B2 (en) | Fuel cell module | |
JP5860382B2 (en) | Fuel cell module | |
JP6122360B2 (en) | Fuel cell module | |
JP5813616B2 (en) | Fuel cell module | |
JP5981871B2 (en) | Fuel cell module | |
JP6051063B2 (en) | Fuel cell module | |
JP5860376B2 (en) | Fuel cell module | |
JP6051064B2 (en) | Fuel cell module | |
JP6051065B2 (en) | Fuel cell module | |
JP2013157216A (en) | Fuel cell module | |
JP6101169B2 (en) | Fuel cell module | |
JP5848223B2 (en) | Fuel cell module | |
JP2013229142A (en) | Fuel cell module | |
JP2015022927A (en) | Fuel cell module | |
JP2013229141A (en) | Fuel cell module | |
JP5789533B2 (en) | Fuel cell module | |
JP6175010B2 (en) | Fuel cell module |