JP2014049305A - Fuel cell device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを利用して発電する燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell device that generates power using fuel gas and oxidant gas.
特許文献1に開示されている燃料電池装置では、都市ガス等の被改質ガスを燃料ガスに改質する改質器が組み込まれている。改質器は、所定の間隔で配列された複数の燃料電池セルの集合体である燃料電池セルスタックの上方に配置される。燃料電池スタックの下端から上端に向かって上昇する燃料ガスと酸化剤ガスとを利用して、燃料電池セルスタックは発電を行う。燃料電池セルスタックで利用された燃料ガス及び酸化剤ガスは燃料電池セルスタックの上方で燃焼し、その燃焼熱によって改質器が加熱され、被改質ガスの燃料ガスへの改質が進行する。 The fuel cell device disclosed in Patent Literature 1 incorporates a reformer that reforms a gas to be reformed such as city gas into fuel gas. The reformer is disposed above a fuel cell stack that is an assembly of a plurality of fuel cells arranged at a predetermined interval. The fuel cell stack generates power using fuel gas and oxidant gas rising from the lower end to the upper end of the fuel cell stack. The fuel gas and oxidant gas used in the fuel cell stack are combusted above the fuel cell stack, the reformer is heated by the combustion heat, and reforming of the reformed gas into the fuel gas proceeds. .
特許文献1に開示された改質器は、改質器の一端に接続されて改質器に被改質ガスを供給する被改質ガス供給管及び改質器に水を供給する水供給管と、改質器の他端に接続されて改質器から燃料ガスを流出させる燃料ガス供給管によって支持されている。 A reformer disclosed in Patent Document 1 is connected to one end of a reformer and supplies a reformed gas supply pipe that supplies a reformed gas to the reformer and a water supply pipe that supplies water to the reformer And is supported by a fuel gas supply pipe that is connected to the other end of the reformer and causes the fuel gas to flow out of the reformer.
改質器は金属製の容器に改質触媒が充填されているものであるため、重量が大きい。燃料電池装置、特に固体電解質形燃料電池装置では定常運転における運転温度が700℃近くの高温になるため、起動時から定常運転時にかけての温度変化や、定常運転時から停止時にかけての温度変化が極めて大きなものとなる。このような温度変化の大きな中で、重量の大きな改質器を3本の供給管によって支えていると、高負荷下において各供給管や各供給管と改質器との接続部分が膨張及び収縮を繰り返すことになり、各供給管や接続部分における金属疲労及び熱疲労の進行が促進され長期間の使用に耐えられなくなる懸念が生じる。 The reformer is heavy because it is a metal container filled with a reforming catalyst. In a fuel cell device, in particular, a solid oxide fuel cell device, the operating temperature in steady operation becomes a high temperature of about 700 ° C. Therefore, the temperature change from the start to the steady operation and the temperature change from the steady operation to the stop are It will be extremely large. In such a large temperature change, if a heavy reformer is supported by three supply pipes, each supply pipe and the connection part between each supply pipe and the reformer are expanded and expanded under a high load. The contraction is repeated, and there is a concern that the progress of metal fatigue and thermal fatigue in each supply pipe and connection part is promoted and the long-term use cannot be endured.
そこで本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、改質器に接続された各供給管における劣化や改質器と各供給管との接続部分における劣化を抑制し、長期間の使用に耐えうる燃料電池装置を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of such circumstances, and suppresses deterioration in each supply pipe connected to the reformer and deterioration in a connection portion between the reformer and each supply pipe, and the use for a long time. An object of the present invention is to provide a fuel cell device that can withstand this.
上記目的を達成するため、本発明者らは、改質器を支持するための支持部材を各供給管とは別に新設し、改質器の重量が各供給管に作用するのを低減させ、各供給管や接続部分に大きな機械的負荷がかかるのを抑制することを考えた。このように支持部材を別途設けると、確かに改質器の重量がそのまま各供給管に作用することはなくなる。しかしながら、支持部材と各供給管との熱膨張量の差が想定以上に存在し、その熱膨張量の差に起因して各供給管や改質器と各供給管との接続部分に応力がかかり、それらの部分の劣化が進行してしまうという新たなる課題が発生することを本発明者らは見出した。本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。 In order to achieve the above object, the present inventors newly provided a support member for supporting the reformer separately from each supply pipe, reducing the weight of the reformer acting on each supply pipe, It was considered to suppress a large mechanical load on each supply pipe and connection part. If the support member is separately provided in this way, the weight of the reformer does not act on each supply pipe as it is. However, the difference in thermal expansion between the support member and each supply pipe exists more than expected, and stress is applied to the connection portion between each supply pipe or reformer and each supply pipe due to the difference in thermal expansion. Therefore, the present inventors have found that a new problem occurs that the deterioration of those portions proceeds. The present invention has been made based on such knowledge.
この新たなる課題を解決するために本発明に係る燃料電池装置は、燃料ガスと酸化剤ガスとを利用して発電する燃料電池装置であって、内部に燃料ガスを通すための燃料ガス通路が形成された複数の燃料電池セルを有する燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックの上方に配置され、一端から他端へと被改質ガス及び水を通すことでその被改質ガスを燃料ガスへと改質する改質器と、前記改質器の一端に接続され、前記改質器に被改質ガスを供給する第1供給管と、前記改質器の一端に接続され、前記改質器に水を供給する第2供給管と、前記改質器の他端に接続され、前記改質器から前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する第3供給管と、を備え、前記燃料電池セルスタックが全体として直方体形状を成すように、前記複数の燃料電池セルが互いに沿うように立設されている。本発明では、前記燃料電池セルの立設方向に沿った前記燃料電池セルスタックの一側面と、その一側面とは反対側の他側面とのそれぞれに対向するように配置される第1支持部材及び第2支持部材が設けられており、前記第1支持部材は前記改質器の前記一端側を支持し、前記第2支持部材は前記改質器の前記他端側を支持するものであって、前記第1供給管及び前記第2供給管の少なくとも一方には、前記第1支持部材及び前記第2支持部材の熱膨張量と前記第1供給管及び前記第2供給管の少なくとも一方の熱膨張量との差分に基づく相対的な変位を許容するため、前記第1供給管及び前記第2供給管の少なくとも一方の延伸方向に沿って伸縮可能な伸縮領域が形成されている。 In order to solve this new problem, a fuel cell device according to the present invention is a fuel cell device that generates power using fuel gas and oxidant gas, and has a fuel gas passage for passing the fuel gas therein. A fuel cell stack having a plurality of formed fuel cells and a fuel cell stack disposed above the fuel cell stack and passing the gas to be reformed and water from one end to the other end to fuel the gas to be reformed A reformer for reforming into a gas; a first supply pipe connected to one end of the reformer; supplying a reformed gas to the reformer; connected to one end of the reformer; A second supply pipe that supplies water to the reformer; and a third supply pipe that is connected to the other end of the reformer and supplies fuel gas from the reformer to the fuel gas flow path. The plurality of fuel cells so that the fuel cell stack has a rectangular parallelepiped shape as a whole. Cells is erected along each other. In the present invention, the first support member is disposed so as to face one side surface of the fuel cell stack along the standing direction of the fuel cell and the other side surface opposite to the one side surface. And a second support member, wherein the first support member supports the one end side of the reformer, and the second support member supports the other end side of the reformer. At least one of the first supply pipe and the second supply pipe includes a thermal expansion amount of the first support member and the second support member and at least one of the first supply pipe and the second supply pipe. In order to allow relative displacement based on the difference from the amount of thermal expansion, a stretchable region is formed that can be stretched along the extending direction of at least one of the first supply pipe and the second supply pipe.
このように本発明では、改質器を支持するための第1支持部材及び第2支持部材を、燃料電池セルの立設方向に沿った前記燃料電池セルスタックの一側面と、その一側面とは反対側の他側面とのそれぞれに対向するように配置し、燃料電池セルスタックの上方に配置される改質器を確実に支持することで、改質器の重量を第1支持部材及び第2支持部材で支えることができる。第1支持部材及び第2支持部材は、燃料電池セルスタックの側方に配置されるため、燃料電池セルスタックを含む領域の温度上昇に伴って熱膨張する。一方で、改質前の被改質ガスを供給する第1供給管及び水を供給する第2供給管の温度は相対的に低い中で熱膨張するので、両者の熱膨張量には差が生じる。そこで本発明では、第1供給管及び前記第2供給管の少なくとも一方に、第1支持部材及び第2支持部材の熱膨張量と第1供給管及び第2供給管の少なくとも一方の熱膨張量との差分に基づく相対的な変位を許容するため、第1供給管及び第2供給管の少なくとも一方の延伸方向に沿って伸縮可能な伸縮領域を設けている。従って、改質器を支持する第1支持部材及び第2支持部材と第1供給管及び第2供給管との間で熱膨張量の差が生じたとしても、伸縮領域が供給管の延伸方向に沿って伸縮することでその差分による相対的な変位を吸収し、改質器と第1供給管及び第2供給管との接続部分にかかる応力を抑制することができ、長期間の使用に耐えうる燃料電池装置を提供することができる。 As described above, according to the present invention, the first support member and the second support member for supporting the reformer are provided with one side surface of the fuel cell stack along the standing direction of the fuel cell, and one side surface thereof. Is disposed so as to face the other side of the opposite side, and the reformer disposed above the fuel cell stack is securely supported, so that the weight of the reformer can be reduced. It can be supported by two support members. Since the first support member and the second support member are arranged on the sides of the fuel cell stack, they thermally expand as the temperature of the region including the fuel cell stack increases. On the other hand, since the temperature of the first supply pipe that supplies the gas to be reformed before reforming and the second supply pipe that supplies water are relatively low, the thermal expansion amount is different. Arise. Therefore, in the present invention, the thermal expansion amount of the first support member and the second support member and the thermal expansion amount of at least one of the first supply pipe and the second supply tube are provided on at least one of the first supply pipe and the second supply pipe. In order to allow relative displacement based on the difference between the first supply pipe and the second supply pipe, an expansion / contraction region is provided that can expand and contract along the extending direction of at least one of the first supply pipe and the second supply pipe. Therefore, even if a difference in thermal expansion occurs between the first support member and the second support member that support the reformer and the first supply pipe and the second supply pipe, the expansion / contraction region is in the direction in which the supply pipe extends. By absorbing the relative displacement due to the difference, the stress applied to the connecting portion between the reformer and the first supply pipe and the second supply pipe can be suppressed. An endurable fuel cell device can be provided.
また、本発明に係る燃料電池装置では、前記伸縮領域は、第1供給管に設けられた第1伸縮領域と、前記第2供給管に設けられた第2伸縮領域とを有し、前記第1伸縮領域及び前記第2伸縮領域は、前記第1供給管の熱膨張量と前記第2供給管の熱膨張量との差分を吸収するため、前記延伸方向に沿った互いの伸縮量が異なるように構成されていることも好ましい。 In the fuel cell device according to the present invention, the expansion / contraction region includes a first expansion / contraction region provided in the first supply pipe and a second expansion / contraction region provided in the second supply pipe. Since the first expansion region and the second expansion region absorb the difference between the thermal expansion amount of the first supply pipe and the thermal expansion amount of the second supply pipe, the mutual expansion amount along the extending direction is different. It is also preferable to be configured as described above.
被改質ガスの温度よりも水の温度が低いため、被改質ガスが第1供給管から奪う熱よりも、水が第2供給管から奪う熱が大きくなる。従って、第1供給管及び第2供給管を取り巻く環境温度が同じであっても、第1供給管の温度よりも第2供給管の温度は低くなる。従って、第1供給管の熱膨張量よりも第2供給管の熱膨張量が小さくなり、第2供給管や第2供給管と改質器との接続部分にかかる応力が過大になるおそれがある。そこでこの好ましい態様では、第1供給管に第1伸縮領域を設けると共に、第2供給管に第2伸縮領域を設け、延伸方向に沿った互いの伸縮量が異なるように構成している。このように伸縮量の異なる第1伸縮領域と第2伸縮領域を設けることで、第1供給管の熱膨張量と第2供給管の熱膨張量との差分を吸収し、第2供給管や第2供給管と改質器との接続部分にかかる応力が過大にならないようにすることができる。 Since the temperature of water is lower than the temperature of the gas to be reformed, the heat that the water takes from the second supply pipe is larger than the heat that the gas to be reformed takes from the first supply pipe. Therefore, even if the environmental temperature surrounding the first supply pipe and the second supply pipe is the same, the temperature of the second supply pipe is lower than the temperature of the first supply pipe. Therefore, the amount of thermal expansion of the second supply pipe is smaller than the amount of thermal expansion of the first supply pipe, and the stress applied to the connection portion between the second supply pipe and the second supply pipe and the reformer may be excessive. is there. Therefore, in this preferred embodiment, the first supply pipe is provided with the first expansion / contraction area, and the second supply pipe is provided with the second expansion / contraction area so that the expansion / contraction amounts in the extending direction are different. In this way, by providing the first expansion region and the second expansion region with different expansion amounts, the difference between the thermal expansion amount of the first supply pipe and the thermal expansion amount of the second supply pipe is absorbed, and the second supply pipe or The stress applied to the connection portion between the second supply pipe and the reformer can be prevented from becoming excessive.
また、本発明に係る燃料電池装置では、前記伸縮領域は、前記延伸方向に直交する横方向においても、前記第1支持部材及び前記第2支持部材と前記第1供給管及び前記第2供給管の少なくとも一方との相対的な変位を許容するように構成されていることも好ましい。 Further, in the fuel cell device according to the present invention, the expansion / contraction region is the first support member, the second support member, the first supply pipe, and the second supply pipe even in a lateral direction orthogonal to the extending direction. It is also preferable to be configured to allow relative displacement with at least one of the above.
本発明において第1支持部材は改質器の一端側を支持し、第2支持部材は改質器の他端側を支持している。改質器は、一端側から被改質ガス及び水を供給し、他端側から改質反応後の燃料ガスを取り出す構造になっている。従って、他端側から燃料ガスを取り出すための第3供給管は、改質反応後の高温の燃料ガスが通っているので、その近傍に配置される第2支持部材も第1支持部材に比較して高温になる。そのため、第1支持部材の熱膨張量に比較して第2支持部材の熱膨張量は大きなものとなり、結果として改質器が第1支持部材側に傾くおそれがある。このように第2支持部材側を支点として第1支持部材側が下降すると、第1供給管及び第2供給管には横方向に撓らせるような力が加わる。そこでこの好ましい態様では、伸縮領域を、横方向においても、第1支持部材及び第2支持部材と第1供給管及び第2供給管の少なくとも一方との相対的な変位を許容するように構成することで、このような撓らせる力が加わったとしても、改質器と第1供給管及び第2供給管との接続部分にかかる応力を抑制することができる。 In the present invention, the first support member supports one end side of the reformer, and the second support member supports the other end side of the reformer. The reformer has a structure in which the gas to be reformed and water are supplied from one end side and the fuel gas after the reforming reaction is taken out from the other end side. Accordingly, since the high temperature fuel gas after the reforming reaction passes through the third supply pipe for taking out the fuel gas from the other end side, the second support member arranged in the vicinity thereof is also compared with the first support member. And become hot. Therefore, the amount of thermal expansion of the second support member is larger than the amount of thermal expansion of the first support member, and as a result, the reformer may tilt toward the first support member. When the first support member side is lowered with the second support member side as a fulcrum in this way, a force is applied to the first supply pipe and the second supply pipe so as to bend in the lateral direction. Therefore, in this preferable aspect, the expansion / contraction region is configured to allow relative displacement between the first support member and the second support member and at least one of the first supply pipe and the second supply pipe even in the lateral direction. Thus, even when such a bending force is applied, the stress applied to the connecting portion between the reformer and the first supply pipe and the second supply pipe can be suppressed.
また、本発明に係る燃料電池装置では、前記改質器に隣接して配置されると共に、前記第2供給管から供給された水を前記改質器へ供給する前に水蒸気へと気化させる蒸発室を備え、前記蒸発室及び前記改質器は前記第1支持部材及び前記第2支持部材によって支持され、前記蒸発室は前記改質器よりも前記伸縮領域側に配置されることも好ましい。 In the fuel cell device according to the present invention, the vaporizer is disposed adjacent to the reformer and vaporizes water supplied from the second supply pipe into water vapor before being supplied to the reformer. It is also preferable that the evaporating chamber and the reformer are supported by the first support member and the second support member, and the evaporating chamber is disposed closer to the stretchable region than the reformer.
本発明における改質器には改質触媒が充填されている一方で、蒸発室の内部は空洞となるように構成されている。従って、相対的に改質器が重く、蒸発室が軽い部分となる。そこでこの好ましい態様では、比較的軽い蒸発室を伸縮領域側に配置することで、第1支持部材及び第2支持部材に熱膨張量の差ができてしまっても、伸縮領域側に過度な負担をかけることが低減される。 While the reformer in the present invention is filled with a reforming catalyst, the inside of the evaporation chamber is configured to be a cavity. Therefore, the reformer is relatively heavy and the evaporation chamber is a light part. Therefore, in this preferred embodiment, by placing a relatively light evaporation chamber on the expansion / contraction region side, even if there is a difference in thermal expansion amount between the first support member and the second support member, an excessive burden is imposed on the expansion / contraction region side. Is reduced.
また、本発明に係る燃料電池装置では、前記伸縮領域は、前記複数の燃料電池セルが配置されている高さに対応した位置に設けられていることも好ましい。 In the fuel cell device according to the present invention, it is also preferable that the expansion / contraction region is provided at a position corresponding to a height at which the plurality of fuel cells are arranged.
燃料電池セル上端で残余の燃料ガスと空気とが燃焼する燃焼ガスは、燃料電池セル上端から上方に向かうので、燃焼ガスに伴う燃焼熱も同様に上方に伝播する。そこで、この好ましい態様では、伸縮領域を燃焼電池セルが配置されている高さに対応した位置に設けることで、燃焼熱の伸縮領域への回りこみを抑制することができる。従って、伸縮領域の伸縮性能を低下させることなく、より確実に改質器と配管との接続部にかかる応力を抑制することができる。 The combustion gas in which the remaining fuel gas and air combust at the upper end of the fuel cell goes upward from the upper end of the fuel cell, so that the combustion heat accompanying the combustion gas also propagates upward. Therefore, in this preferred embodiment, by providing the expansion / contraction region at a position corresponding to the height at which the combustion battery cell is disposed, it is possible to suppress the wraparound of the combustion heat to the expansion / contraction region. Therefore, the stress applied to the connecting portion between the reformer and the pipe can be more reliably suppressed without reducing the expansion / contraction performance of the expansion / contraction region.
また、本発明に係る燃料電池装置では、前記第1支持部材は、前記伸縮領域と前記燃料電池セルとの間に介在するように形成されていることも好ましい。 In the fuel cell device according to the present invention, it is also preferable that the first support member is formed so as to be interposed between the stretchable region and the fuel cell.
この好ましい形態では、燃料電池セル側から伝搬する熱を直接伸縮領域に伝えないように第1支持部材を介在させているので、伸縮領域の伸縮性能を低下させることなく、より確実に改質器と配管との接続部にかかる応力を抑制することができる。 In this preferred embodiment, since the first support member is interposed so as not to directly transfer the heat propagating from the fuel cell side to the expansion / contraction region, the reformer can be more reliably produced without reducing the expansion / contraction performance of the expansion / contraction region. The stress applied to the connecting portion between the pipe and the pipe can be suppressed.
本発明によれば、改質器に接続された各供給管における劣化や改質器と各供給管との接続部分における劣化を抑制し、長期間の使用に耐えうる燃料電池装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell device capable of withstanding long-term use by suppressing deterioration in each supply pipe connected to the reformer and deterioration in a connection portion between the reformer and each supply pipe. Can do.
以下、添付図面を参照しながら本発明の一実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の符号を付して、重複する説明は省略する。図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池装置の燃料電池モジュール2の外観を示す斜視図である。燃料電池モジュール2は、固体電解質型燃料電池(SOFC)装置の一部を構成するものである。すなわち、燃料電池装置は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット(図示せず)と、を備える。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate understanding of the description, the same components are denoted by the same reference symbols in the drawings, and redundant description is omitted. FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of a
図1において、燃料電池モジュール2の高さ方向をy軸方向としている。このy軸に直交する平面に沿ってx軸及びz軸を定義し、燃料電池モジュール2の短手方向(幅方向)に沿った方向をx軸方向とし、燃料電池モジュール2の長手方向(長さ方向)に沿った方向をz軸方向としている。図2以降において図中に記載しているx軸、y軸、及びz軸は、図1におけるx軸、y軸、及びz軸を基準としている。また、z軸の負方向に沿った方向をA方向とし、x軸の正方向に沿った方向をB方向としている。
In FIG. 1, the height direction of the
燃料電池モジュール2は、燃料電池セルスタック(詳細は後述する)を収容するケーシング56と、ケーシング56の上部に設けられている熱交換器22と、を備える。ケーシング56は例えば直方体形状に形成されている。熱交換器22はケーシング56の上面上に配置されている。ケーシング56内には後述の燃料電池セルスタックが配置されている。ケーシング56には、被改質ガス供給管60(第1供給管)と、水供給管62(第2供給管)と、が連結されている。その一方で、熱交換器22には、発電用空気導入管74と、燃焼ガス排出管82と、が連結されている。
The
被改質ガス供給管60は、ケーシング56の内部に都市ガスといった改質用の被改質ガスを供給する管路である。水供給管62は、被改質ガスを水蒸気改質する際に用いる水をケーシング56の内部に供給する管路である。発電用空気導入管74は、改質によって生成された燃料ガスと発電反応を起こさせるための発電用空気(酸化剤ガス)をケーシング56の内部に供給する管路である。燃焼ガス排出管82は、発電に寄与しなかった残余の燃料ガス及び酸化剤ガスを燃焼させた結果生じる燃焼ガスをケーシング56の外部に排出する管路である。
The to-be-reformed
次に、図2〜図5を参照しながら、本発明に係る燃料電池装置の燃料電池モジュール2の内部構造について説明する。図2は、図1のxy平面に平行な切断面に沿って燃料電池モジュール2を切断した断面図である。図3は、図1に示す燃料電池モジュール2からケーシング56の一部を取り外した状態を示す燃料電池モジュール2の短手方向の側面図である。図4は、図1に示す燃料電池モジュール2からケーシング56及び熱交換器22を取り外した状態を示す斜視図である。図5は、図1に示す燃料電池モジュール2からケーシング56及び熱交換器22を取り外した状態を示す燃料電池モジュール2の長手方向の側面図である。
Next, the internal structure of the
図1〜図3に示すように、ケーシング56は燃料電池セルスタック12の全体を覆っている。燃料電池セルスタック12は、直立姿勢で相互に平行に配置される燃料電池セルユニット16の集合体から形成されている。図4に示すように、燃料電池セルスタック12は、全体としてB方向よりA方向の方が長いほぼ直方体形状の輪郭を有しており、改質器20の下面に沿ってxz平面に平行に広がる上面と、燃料ガスタンク68の上面に沿ってxz平面に平行に広がる下面と、yz平面に平行に広がる一対の長辺側の側面と、xy平面に平行に広がるとともに一対の長辺側の側面同士を相互に接続する一対の短辺側の側面と、を備えている。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
本実施形態の場合、水供給管62から供給される水を蒸発させるための蒸発混合器は改質器20に隣接して設けられている。蒸発混合器は、後述の燃焼部18で燃焼させられる燃焼ガスにより加熱され、水を水蒸気にすると共に、この水蒸気と被改質ガス(都市ガス等)とを混合するためのものである。被改質ガス供給管60及び水供給管62は、ケーシング56の内部に導かれた後、共に改質器20に繋がる。より具体的には、図3に示すように、被改質ガス供給管60及び水供給管62は、改質器20の上流端である図3中右側の一端に繋がれている。
In the case of the present embodiment, an evaporating mixer for evaporating the water supplied from the
改質器20は、燃料電池セルスタック12の上方に形成された燃焼部18の更に上方に配置されている。従って、改質器20は、発電反応後の発電に寄与しなかった残余の燃料ガス及び酸化剤ガスによる燃焼熱によって熱せられ、蒸発混合器としての役割と、改質反応を起こす改質器としての役割とを果たすように構成されている。改質器20の下流端である図3中左側の他端には燃料供給管66(第3供給管)の上端が接続されている。この燃料供給管66の下端側66a(図2参照)は、燃料ガスタンク68内に入り込むように配置されている。
The
図3及び図4に示すように、燃料ガスタンク68は燃料電池セルスタック12の真下に設けられている。また、燃料ガスタンク68内に挿入された燃料供給管66の下端側66aの外周には、長手方向(A方向)に沿って複数の小穴(図示せず)が形成されている。改質器20で生成された燃料ガスは、これら複数の小穴(図示せず)によって燃料ガスタンク68内に長手方向に均一に供給される。燃料ガスタンク68に供給された燃料ガスは、各燃料電池セルユニット16の内部にある燃料ガス流路(詳細は後述する)内に供給され、燃料電池セルユニット16内をその下端から上端に向かって上昇して、燃焼部18に至る。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
図2〜図4に示すように、燃料電池セルスタック12の一対の長辺側の側面には、それぞれ支持部材30a(第1支持部材)、支持部材30b(第2支持部材)が対向して配置されている。支持部材30a、30bは、それぞれ内向き面で燃料電池セルスタック12の長辺側の側面に対向している。支持部材30a、30bは、燃料電池セルスタック12の一対の長辺側の側面からそれぞれ等距離に規定される中間面(図示せず)に対して面対称の構造を有している。本実施形態では、中間面は、xy平面に平行に規定されるとともに、燃料電池セルスタック12の長手方向の中心位置を通る平面で規定される。
As shown in FIGS. 2 to 4, the
支持部材30a、30bは、燃料電池セルスタック12の側面に沿って広がる側板31と、側板31の上端から内向きに突き出てxz平面に平行に広がる上板32と、を備えている。一方の支持部材30aの側板31の外側に前述の被改質ガス供給管60及び水供給管62が配置され、他方の支持部材30bの側板31の外側に前述の燃料供給管66が配置されている。被改質ガス供給管60、水供給管62及び燃料供給管66は対応の側板31の外向き面にそれぞれ対向している。支持部材30a、30bは例えばステンレス鋼などの金属材料から形成されている。
The
1対の支持部材30a、30bの各上板32の上面には改質器20が固定されている。改質器20の一端すなわち上流端は、一対のスペーサ33a、33bによって支持部材30aの上板32に固定される一方で、改質器20の他端すなわち下流端は、同様に、一対のスペーサ33a、33bによって支持部材30bの上板32に固定される。スペーサ33a、33bは改質器20の底面に例えば溶接やねじ止めによって固定されてよい。また、スペーサ33a、33bは上板32に例えばねじ止めによって固定されてよい。スペーサの数は一対より大きな数に設定されてもよい。
The
図2及び図5から明らかなように、支持部材30a、30bの各上板32と改質器20の底面との間にはスペーサ33a、33bの働きで空気流路34が形成される。発電反応後の発電に寄与しなかった残余の燃料ガス及び酸化剤ガスや、これらの燃料ガス及び酸化剤ガスの燃焼部18での燃焼によって生成された燃焼ガスが、空気流路34を通って流通する。本実施形態では、スペーサ33a、33bは、支持部材30a上の空気流路34と支持部材30b上の空気流路34とが前述の中間面に対して面対称に形成されるように配置されている。言い替えれば、空気流路34は、燃料電池セルスタック12の長手方向に見通した場合に同じ位置に配置される。
As is apparent from FIGS. 2 and 5, an
図4及び図5から明らかなように、被改質ガス供給管60及び水供給管62にはその長手方向に沿ってそれぞれ伸縮領域35a、35bが形成されている。伸縮領域35a、35bは、被改質ガス供給管60及び水供給管62の他の部分に比べて薄肉化され、蛇腹形状をなしており、長手方向に沿って伸縮可能なように構成されている。伸縮領域35a、35bは、被改質ガス供給管60及び水供給管62と同様に金属材料から形成されており、被改質ガス供給管60及び水供給管62に一体化されている。また、伸縮領域35a、35bと燃料電池セルスタック12との間には支持部材30aが配置されており、伸縮領域35a、35bは側板31の外向き面に対向している。
As apparent from FIGS. 4 and 5, the reformed
こうした伸縮領域35a、35bは蛇腹形状の働きで例えば被改質ガス供給管60及び水供給管62の長手方向に伸展したり収縮したりすることができる。また、伸縮領域35a、35bより上側の被改質ガス供給管60や水供給管62の部分と、伸縮領域35a、35bより下側の被改質ガス供給管60や水供給管62の部分との相対変位を許容することができる。なお、燃料供給管66にも同様に伸縮領域を形成しても良い(図示せず)。
These expansion /
図6は、スペーサ33a、33b及び支持部材30aの構造を概略的に示す斜視図である。図6から明らかなように、すべてのスペーサ33a、33bは同一の形状及び同一の大きさを有している。本実施形態では、スペーサ33a、33bは、例えばz軸方向に長尺に延びてxz平面に平行に平たく広がる平板から形成されている。前述したように、一方の支持部材30a上のスペーサ33a、33bと、他方の支持部材30b上のスペーサ33a、33bとは、一対の空気流路34、34が前述の中間面に対して面対称に形成されるように配置されている。
FIG. 6 is a perspective view schematically showing the structure of the
また、一方の支持部材30a上のスペーサ33a、33b、及び、他方の支持部材30b上のスペーサ33a、33bは、燃料電池セルスタック12の一対の短辺側の側面から等距離に規定される第2の中間面に対して面対称の位置に配置されている。言い替えれば、燃料電池モジュール2の短手方向に見通した場合に、スペーサ33a、33a同士は相互に同じ位置に配置される。第2の中間面は、yz平面に沿って広がるとともに、燃料電池セルスタック12の短手方向の中心位置を通る平面で規定される。なお、スペーサ33a、33bの配置や形状、大きさは、燃料電池セルスタック12を流れる酸化剤ガスや燃料ガスの流量によって変更されてよい。
Further, the
次に、図2〜図5に加えて図7及び図8を参照しながら、燃料電池モジュール2の内部に発電用空気を供給するための構造を説明する。図7は、図2に対応する模式図であって、酸化剤ガス及び燃焼ガスの流れを示す図である。図8は、図3に対応する模式図であって、同様に酸化剤ガス及び燃焼ガスの流れを示す図である。これらの図に示すように、改質器20の上方に熱交換器22が配置されている。熱交換器22内には、複数の燃焼ガス配管70と、この燃焼ガス配管70の周囲に形成された発電用空気流路72と、が設けられている。
Next, a structure for supplying power generation air into the
熱交換器22の上面における一端側(図3における右端)には上述の発電用空気導入管74が取り付けられている。この発電用空気導入管74により、発電用空気流量調整ユニット(図示しない)から熱交換器22内に酸化剤ガスが導入される。熱交換器22の上側の他端側(図3における左端)には、発電用空気流路72の一対の出口ポート76a、76aが形成されている。この出口ポート76aの各々はそれぞれ連絡流路76につながっている。さらに、図2に示すように、ケーシング56の幅方向の両側の外側には発電用空気供給路77が形成されている。
The aforementioned power generation
従って、発電用空気供給路77には、発電用空気流路72の出口ポート76a及び連絡流路76から酸化剤ガスが供給される。この発電用空気供給路77は、燃料電池セルスタック12の長手方向に沿って形成されている。さらに、その下方側であり且つ燃料電池セルスタック12の下方側に対応する位置に、発電室10内の燃料電池セルスタック12の各燃料電池セルユニット16に向けて酸化剤ガスを吹き出すための複数の吹出口78a、78bが形成されている。これらの吹出口78a、78bから吹き出された酸化剤ガスは、各燃料電池セルユニット16の外側に沿って燃料電池セルユニット16の下部から上部に向かって流れる。すなわち、燃料電池セルユニット16、16同士の間に酸化剤ガス流路79が形成される。
Therefore, the oxidant gas is supplied to the power generation
次に、燃料ガスと酸化剤ガスとが燃焼して生成される燃焼ガスを排出するための構造を説明する。燃料電池セルユニット16の上方で発生した燃焼ガスは、燃焼部18内を上昇し、整流板21に至る。整流板21には開口21aが設けられており、開口21a内に燃焼ガスが導かれる。同時に、燃焼ガスは、改質器20の両端に形成された空気流路34、34を通って上昇し、開口21a内に導かれる。この開口21aを通った燃焼ガスは熱交換器22の他端側に至る。熱交換器22内には、燃焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管70が設けられている。これらの燃焼ガス配管70の下流端側には、燃焼ガス排出管82が接続され、燃焼ガス排出管82によって燃焼ガスが外部に排出される。このとき、燃焼ガスや燃料に利用されなかった残余の酸化剤ガスは空気流路34、34を通って流れる。
Next, a structure for discharging combustion gas generated by combustion of fuel gas and oxidant gas will be described. The combustion gas generated above the
次に、図9を参照しながら燃料電池セルユニット16について説明する。図9は、燃料電池セルユニット16を示す部分断面図である。図9に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子86と、を備えている。燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の内側電極層90と、内側電極層90と同心円状に広がる円筒形の外側電極層92と、内側電極層90と外側電極層92との間に配置された電解質層94と、を備えている。内側電極層90は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極層92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。
Next, the
燃料電池セルユニット16の上端及び下端に取り付けられた内側電極端子86は同一構造であるため、ここでは、上端に取り付けられた内側電極端子86について具体的に説明する。内側電極層90の上部90aは、電解質層94及び外側電極層92に対して露出された外周面90bと上端面90cとを備えている。内側電極端子86は、導電性のシール材96を介して内側電極層90の外周面90bに接続され、さらに、内側電極層90の上端面90cに直接接触することにより、内側電極層90に電気的に接続されている。内側電極端子86の中心部には、内側電極層90の燃料ガス流路88と連通する燃料ガス流路98が形成されている。
Since the
内側電極層90は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。
The
電解質層94は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
The
外側電極層92は、例えば、Sr、Caから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
The
次に、図10を参照しながら燃料電池セルスタック12について説明する。図10は、燃料電池セルスタック12を示す斜視図である。図10に示すように、燃料電池セルスタック12は、16本の燃料電池セルユニット16の集合体ごとにその下端及び上端が、それぞれ、セラミック製の燃料ガスタンク上板68a及び上支持板100により支持されている。これらの燃料ガスタンク上板68a及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。
Next, the
さらに、燃料電池セルユニット16には集電体102及び外部端子104が取り付けられている。この集電体102は、燃料極である内側電極層90に取り付けられた内側電極端子86と、隣接する燃料電池セルユニット16の集合体の空気極である外側電極層92の外周面と、を電気的に接続する。さらに、燃料電池セルスタック12の端に位置する2個の燃料電池セルユニット16の集合体の上側端及び下側端の内側電極端子86にはそれぞれ外部端子104が接続されている。これらの外部端子104は、隣接する燃料電池セルユニット16の集合体の端にある燃料電池セルユニット16の集合体の外部端子104に接続され、160本の燃料電池セルユニット16の全てが直列接続される。
Further, a
次に図11を参照しながら支持部材30a、30bが熱膨張した場合について説明する。図11に示すように、燃料ガス及び酸化剤ガスの燃焼熱によって改質器20が加熱され、改質器20を支持する支持部材30a、30bが熱の影響を受けて熱膨張し、改質器の位置が変動する。被改質ガス供給管60及び水供給管62には常温の流体が流れているので、支持部材30aと被改質ガス供給管60及び水供給管62との間に、熱膨張差が生じる。その結果、改質器20と被改質ガス供給管60及び水供給管62との接続部分に応力が生じ、破損するおそれがある。しかしながら、本実施形態では、被改質ガス供給管60及び水供給管62に、伸縮領域35a、35bが形成されているので、伸縮領域35a、35bの伸展又は収縮により、熱膨張の差分による相対変位を許容することができる。
Next, a case where the
このように構成することにより、改質器20に接続された配管や改質器20と配管との接続部分の劣化を抑制し、長期間にわたって使用することができる。
By comprising in this way, deterioration of the connection part of piping connected to the
また、改質器20の支持部材30bの近傍には、改質反応が起こった高温の燃料ガスが通るため、支持部材30bは熱の影響を受けて高温になる。一方、改質器20の支持部材30aは、被改質ガス供給管60及び水供給管62に比較的低温の流体が流れているため、支持部材30bより低温になる。このため、支持部材30a、30b同士でも熱膨張差が生じる。その結果、改質器20が傾くことで配管にしなりが生じ、配管と改質器20との接続部分に応力が生じて破損するおそれがある。しかし、本実施形態では、伸縮領域35a、35bは、図11に示すように、水平方向(図1におけるA方向、横方向)における相対変位を許容することができるように形成されているので、接続部分にかかる応力を抑制することができる。なお、伸縮領域35a、35bの伸縮方向は、水平方向(図1におけるB方向、横方向)における相対変異を許容するように構成しても良い。
Further, since the high-temperature fuel gas in which the reforming reaction has occurred passes near the
このように伸縮領域35a、35bを構成することにより、支持部材30a、30bの熱膨張による改質器20の傾きによって生じる配管のしなりを吸収することができる。その結果、改質器20と被改質ガス供給管60及び水供給管62との接続部分にかかる応力を抑制することができ、接続部分における劣化をさらに抑制することができる。
By configuring the expansion /
また、水が水供給管62を通る際に奪う熱量は、被改質ガスが被改質ガス供給管60を通る際に奪う熱量よりも多いので、水供給管62と被改質ガス供給管60との間でも熱膨張差が生じる。したがって、本実施形態では、被改質ガス供給管に設けられた伸縮領域35a及び水供給管に設けられた伸縮領域35bにおいて、水供給管に設けられた伸縮領域35bの伸び量を、被改質ガス供給管に設けられた伸縮領域35aの伸び量よりも大きくなるように形成し、熱膨張差を吸収する。この結果、水供給管62と被改質ガス供給管60との間の熱膨張差により生じる応力を抑制することができる。
Further, since the amount of heat taken when water passes through the
また、改質器20に隣接して配置され、水供給管62から供給された水を改質器20に供給する前に水蒸気へ気化させる蒸発混合器は、支持部材30a、30bに支持されている。そして、蒸発混合器は、改質器20よりも伸縮領域35a、35bの近傍に配置するように構成する。
Further, an evaporative mixer that is disposed adjacent to the
このように構成することにより、支持部材30aと支持部材30bとの熱膨張差によって被改質ガス供給管60及び水供給管62へ応力が生じる場合でも、伸縮領域35a、35bによって吸収することができる。これにより、被改質ガス供給管60及び水供給管62と改質器との接続部分における劣化をさらに抑制することができる。
With this configuration, even when stress is generated in the reformed
また、図11及び図12に示すように、伸縮領域35a、35bは、燃焼部18よりも下方に配置されている。言い換えれば、燃料電池セル84の配置されている高さに配置する。これにより、燃焼熱は燃料電池セル84よりも上部へ向かうため、燃焼部18で発生した熱が伸縮領域35a、35bに与える影響を小さくするができ、伸縮領域35a、35bの伸縮性能の低下を防ぐことができる。よって、改質器20と配管との接続部分における劣化をさらに抑制することができる。
Further, as shown in FIGS. 11 and 12, the
また、支持部材30aは、被改質ガス供給管60又は水供給管62に設けられた伸縮領域35a、35bと燃料電池セル84との間に介在するように形成する。
The
このように構成することにより、支持部材30a、30bによって、燃焼部18で生じた燃焼ガスが伸縮領域35a、35bに与える熱影響や、燃料電池セルユニット16側から伝搬する熱影響を小さくすることができるので、伸縮領域35a、35bの伸縮性能の低下を防ぐことができる。この結果、改質器20と配管との接続部分にかかる応力を抑制でき、接続部分の劣化を防ぐことができる。
By configuring in this way, the
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかしながら、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. In other words, those specific examples that have been appropriately modified by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention as long as they have the characteristics of the present invention. For example, the elements included in each of the specific examples described above and their arrangement, materials, conditions, shapes, sizes, and the like are not limited to those illustrated, and can be changed as appropriate. Moreover, each element with which each embodiment mentioned above is provided can be combined as long as technically possible, and the combination of these is also included in the scope of the present invention as long as it includes the features of the present invention.
2 燃料電池モジュール
10 発電室
12 燃料電池セルスタック
16 燃料電池セルユニット
18 燃焼部
20 改質器
21 整流板
21a 開口
22 熱交換器
30a 支持部材
30b 支持部材
31 側板
32 上板
33a スペーサ
34 空気流路
35a 伸縮領域
35b 伸縮領域
56 ケーシング
60 被改質ガス供給管
62 水供給管
66 燃料供給管
66a 下端側
68 燃料ガスタンク
68a 燃料ガスタンク上板
70 燃焼ガス配管
72 発電用空気流路
74 発電用空気導入管
76 連絡流路
76a 出口ポート
77 発電用空気供給路
78a 吹出口
79 酸化剤ガス流路
82 燃焼ガス排出管
84 燃料電池セル
86 内側電極端子
88 燃料ガス流路
90 内側電極層
90a 上部
90b 外周面
90c 上端面
92 外側電極層
94 電解質層
96 シール材
98 燃料ガス流路
100 上支持板
102 集電体
104 外部端子
2
Claims (6)
内部に燃料ガスを通すための燃料ガス通路が形成された複数の燃料電池セルを有する燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルスタックの上方に配置され、一端から他端へと被改質ガス及び水を通すことでその被改質ガスを燃料ガスへと改質する改質器と、
前記改質器の一端に接続され、前記改質器に被改質ガスを供給する第1供給管と、
前記改質器の一端に接続され、前記改質器に水を供給する第2供給管と、
前記改質器の他端に接続され、前記改質器から前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する第3供給管と、を備え、
前記燃料電池セルスタックが全体として直方体形状を成すように、前記複数の燃料電池セルが互いに沿うように立設され、
前記燃料電池セルの立設方向に沿った前記燃料電池セルスタックの一側面と、その一側面とは反対側の他側面とのそれぞれに対向するように配置される第1支持部材及び第2支持部材が設けられており、
前記第1支持部材は前記改質器の前記一端側を支持し、前記第2支持部材は前記改質器の前記他端側を支持するものであって、
前記第1供給管及び前記第2供給管の少なくとも一方には、前記第1支持部材及び前記第2支持部材の熱膨張量と前記第1供給管及び前記第2供給管の少なくとも一方の熱膨張量との差分に基づく相対的な変位を許容するため、前記第1供給管及び前記第2供給管の少なくとも一方の延伸方向に沿って伸縮可能な伸縮領域が形成されていることを特徴とする燃料電池装置。 In a fuel cell device that generates power using fuel gas and oxidant gas,
A fuel cell stack having a plurality of fuel cells in which fuel gas passages for passing fuel gas are formed;
A reformer disposed above the fuel cell stack and reforming the reformed gas into fuel gas by passing the reformed gas and water from one end to the other; and
A first supply pipe connected to one end of the reformer and supplying a gas to be reformed to the reformer;
A second supply pipe connected to one end of the reformer and supplying water to the reformer;
A third supply pipe connected to the other end of the reformer and supplying fuel gas from the reformer to the fuel gas flow path,
The plurality of fuel cells are erected along each other so that the fuel cell stack has a rectangular parallelepiped shape as a whole,
A first support member and a second support disposed to face one side surface of the fuel cell stack along the standing direction of the fuel cell and the other side surface opposite to the one side surface Members are provided,
The first support member supports the one end side of the reformer, and the second support member supports the other end side of the reformer,
At least one of the first supply pipe and the second supply pipe includes a thermal expansion amount of the first support member and the second support member and a thermal expansion of at least one of the first supply pipe and the second supply pipe. In order to allow relative displacement based on a difference from the amount, an extendable region that is extendable along at least one extending direction of the first supply pipe and the second supply pipe is formed. Fuel cell device.
前記第1伸縮領域及び前記第2伸縮領域は、前記第1供給管の熱膨張量と前記第2供給管の熱膨張量との差分を吸収するため、前記延伸方向に沿った互いの伸縮量が異なるように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池装置。 The stretchable region has a first stretchable region provided in the first supply pipe and a second stretchable region provided in the second supply pipe,
The first stretchable region and the second stretchable region absorb the difference between the thermal expansion amount of the first supply pipe and the thermal expansion amount of the second supply pipe, and hence the mutual stretch amount along the stretching direction. The fuel cell device according to claim 1, wherein the fuel cell devices are configured to be different from each other.
前記蒸発室及び前記改質器は前記第1支持部材及び前記第2支持部材によって支持され、前記蒸発室は前記改質器よりも前記伸縮領域側に配置されることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池装置。 An evaporation chamber disposed adjacent to the reformer and evaporating water supplied from the second supply pipe into water vapor before being supplied to the reformer;
4. The evaporation chamber and the reformer are supported by the first support member and the second support member, and the evaporation chamber is disposed closer to the expansion / contraction region than the reformer. The fuel cell device described in 1.
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