JP2014146555A - Fuel cell device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell device.
近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス(水素含有ガス)と酸素含有ガス(空気)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配列してなるセルスタックが知られている。また、セルスタックを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや、燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている。 In recent years, as a next-generation energy, a cell stack in which a plurality of fuel cells that can obtain electric power using a fuel gas (hydrogen-containing gas) and an oxygen-containing gas (air) are arranged is known. Various fuel cell modules in which a cell stack is stored in a storage container and fuel cell devices in which a fuel cell module is stored in an outer case have been proposed.
このような燃料電池装置においては、燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給部とが、酸素含有ガス供給流路を介してそれぞれ接続されている。 In such a fuel cell device, a fuel cell module and an oxygen-containing gas supply unit for supplying an oxygen-containing gas to the fuel cell module are connected to each other via an oxygen-containing gas supply channel.
また特に固体高分子形の燃料電池装置においては、燃料電池に供給する燃料ガスを生成するための改質器に、改質用または燃焼用として、酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給部が接続されている。 In particular, in a polymer electrolyte fuel cell device, an oxygen-containing gas supply for supplying an oxygen-containing gas for reforming or combustion to a reformer for generating fuel gas to be supplied to the fuel cell. Are connected.
ここで、例えば、酸素含有ガス供給流路は、燃料電池モジュールに向かって上方に傾斜する傾斜部を有し、これにより、燃料電池モジュールに凝縮した水が逆流することを抑えた燃料電池装置が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 Here, for example, the oxygen-containing gas supply flow path has an inclined portion that is inclined upward toward the fuel cell module, whereby a fuel cell device that suppresses backflow of water condensed in the fuel cell module is provided. It has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、燃料電池装置を緊急停止させた場合等において、燃料電池モジュールや改質器に供給された空気が酸素含有ガス供給部に逆流し、この逆流過程で冷却されることにより生じた結露水によって、酸素含有ガス供給部が故障や破損等をおこす不具合が生じる場合がある。 However, in the case of an emergency stop of the fuel cell device, the air supplied to the fuel cell module or the reformer flows backward to the oxygen-containing gas supply unit, and is caused by the dew condensation water generated by cooling in this reverse flow process. In some cases, the oxygen-containing gas supply unit may fail or break.
それゆえ、本発明は、燃料電池モジュールや改質器内に供給された空気が酸素含有ガス供給部に逆流した場合であっても、酸素含有ガス供給部が故障や破損等をおこすことを抑制でき、長期信頼性の向上した燃料電池装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention prevents the oxygen-containing gas supply unit from being damaged or damaged even when the air supplied to the fuel cell module or the reformer flows backward to the oxygen-containing gas supply unit. An object of the present invention is to provide a fuel cell device capable of improving long-term reliability.
本発明の燃料電池装置は、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池セルを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給部と、一端が前記燃料電池モジュールと接続され、かつ他端が前記酸素含有ガス供給部と接続された、前記酸素含有ガス供給部から前記燃料電池モジュールに酸素含有ガスを供給するための流路形成部とを備え、該流路形成部は、内部に他の部位よりも熱容量の大きい熱容量増大部を有することを特徴とする。 A fuel cell device according to the present invention includes a fuel cell module in which a fuel cell that generates power using a fuel gas and an oxygen-containing gas is housed in a housing container, and an oxygen for supplying the fuel cell module with an oxygen-containing gas. To supply an oxygen-containing gas to the fuel cell module from the oxygen-containing gas supply unit, one end of which is connected to the fuel cell module and the other end is connected to the oxygen-containing gas supply unit The flow path forming part has a heat capacity increasing part having a larger heat capacity than other parts inside.
また、本発明の燃料電池装置は、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池セルを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールと、該燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成する改質器と、該改質器に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給部と
、一端が前記改質器と接続され、かつ他端が前記酸素含有ガス供給部と接続された、前記酸素含有ガス供給部から前記改質器に酸素含有ガスを供給するための流路形成部とを備え、該流路形成部は、内部に他の部位よりも熱容量の大きい熱容量増大部を有することを特徴とする。
Also, the fuel cell device of the present invention generates a fuel cell module in which a fuel cell that generates power with a fuel gas and an oxygen-containing gas is stored in a storage container, and a fuel gas to be supplied to the fuel cell. A reformer, an oxygen-containing gas supply unit for supplying an oxygen-containing gas to the reformer, one end connected to the reformer, and the other end connected to the oxygen-containing gas supply unit, A flow path forming section for supplying an oxygen-containing gas from the oxygen-containing gas supply section to the reformer, and the flow path forming section includes a heat capacity increasing section having a larger heat capacity than other portions inside. It is characterized by that.
本発明の燃料電池装置は、燃料電池モジュールや改質器に酸素含有ガスを供給するための流路である流路形成部が、内部に他の部位よりも熱容量の大きい熱容量増大部を有することにより、燃料電池モジュールや改質器に供給された空気が、酸素含有ガス供給部に向けて逆流したとしても、逆流した空気に含まれる水分が熱容量増大部において効率よく凝縮させることができる。それにより、逆流した空気に含まれる水分量を低減することができ、燃料電池モジュールや改質器に供給された空気が、酸素含有ガス供給部に逆流したとしても、酸素含有ガス供給部が故障や破損等をおこすことを抑制でき、長期信頼性の向上した燃料電池装置とすることができる。 In the fuel cell device of the present invention, the flow path forming portion that is a flow path for supplying oxygen-containing gas to the fuel cell module and the reformer has a heat capacity increasing portion having a larger heat capacity than other portions inside. Thus, even if the air supplied to the fuel cell module or the reformer flows backward toward the oxygen-containing gas supply unit, the moisture contained in the back-flowed air can be efficiently condensed in the heat capacity increasing unit. As a result, the amount of water contained in the backflowed air can be reduced, and even if the air supplied to the fuel cell module or the reformer flows back to the oxygen-containing gas supply unit, the oxygen-containing gas supply unit fails. It is possible to suppress the occurrence of damage and damage, and to provide a fuel cell device with improved long-term reliability.
図1は、本実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成の一例を示す構成図である。図1に示す燃料電池システムは、本実施形態の燃料電池装置の一例である発電ユニットと、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニットと、これらのユニット間を水が循環するための循環配管とから構成されている。なお、以降の図において同一の構成については同一の符号を用いて説明する。 FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an example of a configuration of a fuel cell system including the fuel cell device of the present embodiment. The fuel cell system shown in FIG. 1 includes a power generation unit that is an example of the fuel cell device of the present embodiment, a hot water storage unit that stores hot water after heat exchange, and a circulation pipe that circulates water between these units. It is composed of In the following drawings, the same components are described using the same reference numerals.
図1に示す発電ユニットは、燃料極層、固体電解質層、空気極層を有する燃料電池セルを複数個組み合わせてなるセルスタック5、都市ガス等の原燃料を供給する原燃料供給部1、セルスタック5を構成する燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給部2、原燃料と水蒸気により原燃料を水蒸気改質する改質器3を備えている。なお、図1に示す発電ユニットでは、セルスタック5と改質器3とを収納容器に収納することで燃料電池モジュール4(以下、モジュールという場合がある。)が構成され、図1においては、二点鎖線により囲って示している。なお、図1には示していないが、セルスタック5から排出される発電に使用されなかった排ガスを浄化するための浄化装置や、発電で使用されなかった燃料ガスを燃焼させるための着火装置を設けることができる。
A power generation unit shown in FIG. 1 includes a
また、図1に示す発電ユニットにおいては、セルスタック5を構成する燃料電池セルの発電により生じた排ガス(排熱)と水とで熱交換を行なう熱交換器8に水を循環させる循環配管15、熱交換器8で生成された凝縮水を純水に処理するための凝縮水処理装置9、凝縮水処理装置9にて処理された水(純水)を貯水するための水タンク11とが設けられており、水タンク11と熱交換器8との間が凝縮水供給管10により接続されている。なお、熱交換器8での熱交換により生成される凝縮水の水質によっては、凝縮水処理装置9
を設けない構成とすることもできる。また、凝縮水処理装置9が水を貯水する機能を有する場合には、水タンク11を設けない構成とすることもできる。
Further, in the power generation unit shown in FIG. 1, a circulation pipe 15 that circulates water to a heat exchanger 8 that performs heat exchange between exhaust gas (exhaust heat) generated by power generation of fuel cells constituting the
It can also be set as the structure which does not provide. Moreover, when the condensed water processing apparatus 9 has the function to store water, it can also be set as the structure which does not provide the water tank 11. FIG.
水タンク11に貯水された水は、水タンク11と改質器3とを接続する水供給管13に備えられた水ポンプ12により改質器3に供給される。
The water stored in the water tank 11 is supplied to the
さらに図1に示す発電ユニットは、モジュール4にて発電された直流電力を交流電力に変換し、変換された電気の外部負荷への供給量を調整するための供給電力調整部(パワーコンディショナ)6、熱交換器8の出口に設けられ熱交換器8の出口を流れる水(循環水流)の水温を測定するための出口水温センサ14のほか、各種機器の動作を制御する制御装置7が設けられており、循環配管15内で水を循環させる循環ポンプ17とあわせて発電ユニットが構成されている。そして、これら発電ユニットを構成する各装置を、外装ケース内に収納することで、設置や持ち運び等が容易な燃料電池装置とすることができる。なお、貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク16を具備して構成されている。
Further, the power generation unit shown in FIG. 1 converts the DC power generated by the
ここで、図1に示した燃料電池システムの運転方法について説明する。 Here, an operation method of the fuel cell system shown in FIG. 1 will be described.
セルスタック5の発電に必要な燃料ガスを生成するにあたり、制御装置7は原燃料供給部1、水ポンプ12を作動させる。それにより、改質器3に原燃料(天然ガス、灯油等)と水とが供給され、改質器3で水蒸気改質を行なうことにより、水素を含む燃料ガスが生成されて燃料電池セルの燃料極側に供給される。
In generating fuel gas necessary for power generation of the
一方、制御装置7は酸素含有ガス供給部2を動作させることにより、燃料電池セルの空気極側に酸素含有ガス(空気)を供給する。
On the other hand, the
なお、制御装置7はモジュール4において着火装置(図示せず)を作動させることにより、セルスタック5の発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させる。それにより、モジュール内の温度(セルスタック5や改質器3の温度)が上昇し、効率よい発電を行なうことができる。
The
セルスタック5の発電に伴って生じた排ガスは、浄化装置にて浄化された後、熱交換器8に供給され、循環配管15を流れる水とで熱交換される。熱交換器8での熱交換により生じたお湯は、循環配管15を流れて貯湯タンク16に貯水される。一方、熱交換器8での熱交換によりセルスタック5より排出される排ガスに含まれる水が凝縮水となり、凝縮水供給管10を通じて、凝縮水処理装置9に供給される。凝縮水は、凝縮水処理装置9にて純水とされて、水タンク11に供給される。水タンク11に貯水された水は、水ポンプ12により水供給管13を介して改質器3に供給される。このように、凝縮水を有効利用することにより、水自立運転を行なうことができる。
The exhaust gas generated with the power generation of the
続いて、図1に示すモジュール4の一例について説明する。図2、図3は、本実施形態の燃料電池装置を構成するモジュール4の一例を示し、図2はモジュール4を示す外観斜視図であり、図3は図2に示すモジュール4の断面図である。
Next, an example of the
図2に示すモジュール4においては、収納容器18の内部に、内部を燃料ガスが流通するガス流路(図示せず)を有する柱状の燃料電池セル19を立設させた状態で一列に配列し、隣接する燃料電池セル19間が集電部材(図示せず)を介して電気的に直列に接続されているとともに、燃料電池セル19の下端をガラスシール材等の絶縁性接合材(図示せず)でマニホールド20に固定してなるセルスタック5を2つ備えるセルスタック装置21を収納して構成されている。なお、セルスタック5の両端部には、セルスタック5(燃
料電池セル19)の発電により生じた電気を集電して外部に引き出すための、電気引き出し部を有する導電部材が配置されている(図示せず)。なお、図2においては、セルスタック装置21が2つのセルスタック5を備えている場合を示しているが、適宜その個数は変更することができ、例えばセルスタック5を1つだけ備えていてもよい。また、収納容器18には、燃料電池セル19を通過した燃料ガスを燃焼させるための着火装置27、モジュール4の温度を測定するための温度センサである熱電対28が設けられている。
In the
また、図2においては、燃料電池セル19として、内部を燃料ガスが長手方向に流通するガス流路を有する中空平板型で、ガス流路を有する支持体の表面に、燃料極層、固体電解質層および酸素極層を順に積層してなる固体酸化物形の燃料電池セル19を例示している。なお、燃料電池セル19においては、内部を酸素含有ガスが長手方向に流通するガス流路を有する形状とすることもでき、この場合、内側より酸素極層、固体電解質層、燃料極層を順に設け、モジュール4の構成は適宜変更すればよい。さらには、燃料電池セルは中空平板型に限られるものではなく、例えば平板型や円筒型とすることもでき、あわせて収納容器18の形状を適宜変更することが好ましい。
In FIG. 2, the
また、図2に示すモジュール4においては、燃料電池セル19の発電で使用する燃料ガスを得るために、原燃料供給管25を介して供給される都市ガス等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器3をセルスタック5の上方に配置している。また、改質器3は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行なうことができる構造とすることができ、水を気化させるための気化部23と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒(図示せず)が配置された改質部22とを備えている。なお、改質器3においては、水蒸気改質のほか部分酸化改質を行なってもよく、改質触媒としては、水蒸気改質のほか、部分酸化改質も可能な燃焼触媒を用いることができる。なお、改質器3で部分酸化改質を行なう場合には、図1に示した酸素含有ガス供給部2より改質器3に酸素含有ガスを供給する構成とすることができる。
Further, in the
そして、改質器3で生成された燃料ガス(水素含有ガス)は、燃料ガス流通管24を介してマニホールド20に供給され、マニホールド20より燃料電池セル19の内部に設けられたガス流路に供給される。なお、セルスタック装置21の構成は、燃料電池セル19の種類や形状により、適宜変更することができ、例えばセルスタック装置21に改質器3を含むこともできる。
The fuel gas (hydrogen-containing gas) generated by the
また図2においては、収納容器18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21を後方に取り出した状態を示している。ここで、図2に示したモジュール4においては、セルスタック装置21を、収納容器18内にスライドして収納することが可能である。
FIG. 2 shows a state in which a part (front and rear surfaces) of the
なお、収納容器18の内部には、マニホールド20に並置されたセルスタック5の間に配置され、酸素含有ガスが燃料電池セル19の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、反応ガス導入部材26が配置されている。
The
図3に示すように、モジュール4を構成する収納容器18は、内壁29と外壁30とを有する二重構造で、外壁30により収納容器18の外枠が形成されるとともに、内壁29によりセルスタック装置21を収納する発電室31が形成されている。さらに収納容器18においては、内壁29と外壁30との間を、モジュール4の底部より供給され、燃料電池セル19に導入する酸素含有ガスが流通する反応ガス流路36としている。なお酸素含有ガスはモジュール4の底部に設けられた酸素含有ガス供給口(図示せず)より供給されて、反応ガス流路36を流れる。
As shown in FIG. 3, the
ここで、収納容器18内には、収納容器18の上部より、上端側に酸素含有ガスが流入するための酸素含有ガス流入口(図示せず)とフランジ部39とを備え、下端部に燃料電池セル19の下端部に酸素含有ガスを導入するための反応ガス流出口32が設けられてなる反応ガス導入部材26が、内壁29を貫通して挿入されて固定されている。なお、フランジ部39と内壁29との間には断熱部材33が配置されている。
Here, the
なお、図3においては、反応ガス導入部材26が、収納容器18の内部に並置された2つのセルスタック5間に位置するように配置されているが、セルスタック5の数により、適宜配置することができる。例えば、収納容器18内にセルスタック5を1つだけ収納する場合には、反応ガス導入部材26を2つ設け、セルスタック5を両側面側から挟み込むように配置することができる。
In FIG. 3, the reaction
また発電室31内には、モジュール4内の熱が極端に放散され、燃料電池セル19(セルスタック5)の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール4内の温度を高温に維持するための断熱部材33が適宜設けられている。
Further, in the
断熱部材33は、セルスタック5の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル19の配列方向に沿ってセルスタック5の側面側に配置するとともに、セルスタック5の側面における燃料電池セル19の配列方向に沿った幅と同等またはそれ以上の幅を有する断熱部材33を配置することが好ましい。なお、セルスタック5の両側面側に断熱部材33を配置することが好ましい。それにより、セルスタック5の温度が低下することを効果的に抑制できる。さらには、反応ガス導入部材26より導入される酸素含有ガスが、セルスタック5の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック5を構成する燃料電池セル19間の酸素含有ガスの流れを促進することができる。なお、セルスタック5の両側面側に配置された断熱部材33においては、燃料電池セル19に供給される酸素含有ガスの流れを調整し、セルスタック5の長手方向および燃料電池セル19の積層方向における温度分布を低減するための開口部34が設けられている。なお、複数の断熱部材33を組み合わせて開口部34を形成するようにしてもよい。
The
また、燃料電池セル19の配列方向に沿った内壁29の内側には、排ガス用内壁35が設けられており、内壁29と排ガス用内壁35との間が、発電室31内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流路37とされている。なお、排ガス流路37は、収納容器18の底部に設けられた排気孔40と通じている。また、排ガス用内壁35のセルスタック5側にも断熱部材33が設けられている。
Further, an exhaust gas
それにより、モジュール4の運転に伴って生じる排ガスは、排ガス流路37を流れた後、排気孔40より排気される構成となっている。なお、排気孔40は収納容器18の底部の一部を切り欠くようにして形成してもよく、また管状の部材を設けることにより形成してもよい。また、排気孔40内に、モジュール4より排出される排ガスを浄化するための浄化装置(例えば、ハニカム状の燃焼触媒等)を設けることもできる。
Thereby, the exhaust gas generated by the operation of the
なお、モジュール4においては、燃料電池セル19を通過した燃料ガスを着火させるための着火装置27が、燃料電池セル19と改質器3との間に位置するように、収納容器2の側面より挿入されている。なお、着火装置27により燃料電池セル19を通過した燃料ガスを着火させることにより、モジュール4内の温度を高温とすることができるほか、燃料電池セル19、改質器3の温度を高温に維持することができる。
In the
図4は、本実施形態の燃料電池装置の構成の他の一例を示す構成図である。なお、図4においては、固体高分子形の燃料電池セルを有する燃料電池装置の例を簡略化して示している。 FIG. 4 is a configuration diagram showing another example of the configuration of the fuel cell device according to the present embodiment. In FIG. 4, an example of a fuel cell device having a solid polymer fuel cell is shown in a simplified manner.
図4に示す燃料電池装置は、燃料極層、電解質層、空気極層を有する固体高分子形の燃料電池セルを複数個組み合わせてなるセルスタック43、都市ガス等の原燃料を供給する原燃料供給部41、セルスタック43を構成する燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給部42、原燃料と水蒸気により原燃料を水蒸気改質する改質器44を備えている。 The fuel cell device shown in FIG. 4 includes a cell stack 43 formed by combining a plurality of polymer electrolyte fuel cells having a fuel electrode layer, an electrolyte layer, and an air electrode layer, and a raw fuel for supplying raw fuel such as city gas. A supply unit 41, an oxygen-containing gas supply unit 42 for supplying an oxygen-containing gas to the fuel cells constituting the cell stack 43, and a reformer 44 for steam-reforming the raw fuel with the raw fuel and steam are provided.
また、図4に示す燃料電池装置においては、セルスタック43を構成する燃料電池セルの発電により生じた排ガスと水や空気等とで熱交換を行なう熱交換器47、熱交換器47で生成された凝縮水を純水に処理するための凝縮水処理装置50、凝縮水処理装置50にて処理された水(純水)を貯水するための水タンク52とが設けられており、水タンク52と熱交換器47との間が凝縮水供給管51により接続されている。なお、熱交換器47での熱交換により生成される凝縮水の水質によっては、凝縮水処理装置50を設けない構成とすることもできる。また、凝縮水処理装置50が水を貯水する機能を有する場合には、水タンク52を設けない構成とすることもできる。 Further, in the fuel cell device shown in FIG. 4, it is generated by the heat exchanger 47 and the heat exchanger 47 that perform heat exchange between the exhaust gas generated by the power generation of the fuel cells constituting the cell stack 43 and water or air. A condensed water treatment device 50 for treating the condensed water into pure water, and a water tank 52 for storing water (pure water) treated by the condensed water treatment device 50 are provided. And the heat exchanger 47 are connected by a condensed water supply pipe 51. In addition, depending on the quality of the condensed water produced | generated by the heat exchange in the heat exchanger 47, it can also be set as the structure which does not provide the condensed water processing apparatus 50. FIG. Moreover, when the condensed water processing apparatus 50 has the function to store water, it can also be set as the structure which does not provide the water tank 52. FIG.
水タンク52に貯水された水は、水タンク52と改質器44とを接続する水供給管54に備えられた水ポンプ53により改質器44に供給される。 The water stored in the water tank 52 is supplied to the reformer 44 by a water pump 53 provided in a water supply pipe 54 that connects the water tank 52 and the reformer 44.
さらに図4に示す発電ユニットは、セルスタック43にて発電された直流電力を交流電力に変換し、変換された電気の外部負荷への供給量を調整するための供給電力調整部(パワーコンディショナ)48のほか、各種機器の動作を制御する制御装置49が設けられている。 Furthermore, the power generation unit shown in FIG. 4 converts the DC power generated by the cell stack 43 into AC power, and adjusts the supply amount of the converted electricity to the external load (power conditioner). ) 48, a control device 49 for controlling the operation of various devices is provided.
ここで、図4に示す燃料電池装置においては、改質器44は、原燃料供給部41から供給される原燃料を改質するための改質部46と、改質部46の温度を上昇させるための燃焼部45とを備えている。燃焼部45は、原燃料供給部41より供給される原燃料と、酸素含有ガス供給部42より供給される酸素含有ガスとで燃焼を行ない、その燃焼熱により改質部46の温度を上昇させる。温度の上昇した改質部46では、原燃料供給部41より供給される原燃料と、水ポンプ53より供給される水とで水蒸気改質を行ない、原燃料より生成された燃料ガスが、セルスタック43に供給される。なお、改質部46には、改質部のほか、改質ガスのCO変性を行なう変性部、改質ガス中に残存するCOの選択的酸化を行なう選択酸化部、水ポンプ53より供給される水を気化する水蒸気発生部を備えることができる。
Here, in the fuel cell device shown in FIG. 4, the reformer 44 raises the temperature of the reforming
また、図4に示す燃料電池装置においては、改質器44が、燃焼部45と改質部46の両方を備える構成としたが、燃焼部45と改質部46とを別々に設けることもでき、この場合、本発明の構成は、燃焼部45と酸素含有ガス供給部42とを接続する流路形成部を含むものである。
In the fuel cell device shown in FIG. 4, the reformer 44 includes both the combustion unit 45 and the reforming
以下、図5を用いて本実施形態の流路形成部55について説明する。なお以下の説明において、図1〜図3に示した燃料電池モジュール4を例として説明するが、図4に示す燃料電池装置における改質器44と酸素含有ガス供給部42との場合も同様である。
Hereinafter, the flow
図5に示すように、流路形成部55は、一端部が酸素含有ガス供給口60を介してモジュール4と接続され、他端部が酸素含有ガス供給口59を介して酸素含有ガス供給部2と接続されている。それにより、酸素含有ガス供給部2とモジュール4とが連通することとなり、モジュール4内に酸素含有ガスを供給することができる。
As shown in FIG. 5, the flow
図5に示す流路形成部55は、酸素含有ガス供給部2より上方に延びる酸素含有ガス流
路部58と、該酸素含有ガス流路部58と接続され側方に向かって延びる側方流路部57と、該側方流路部58と接続され、上方に向けて延びるとともにモジュール4と接続されるモジュール流路部56とを有している。なお、図5に示す側方流路部57は、水平方向に延びる形状とされている。
5 includes an oxygen-containing
それにより、酸素含有ガス供給部2から送出された酸素含有ガスは、酸素含有ガス供給口59を通過した後、酸素含有ガス流路部58を上方へ向けて流れた後、側方流路部57を側方に向けて流れ、続いてモジュール流路部56を上方へ向けて流れて、モジュール4に供給される。
Thereby, after the oxygen-containing gas delivered from the oxygen-containing
酸素含有ガス供給部2は、酸素含有ガスをモジュール4に供給するための装置を意味し、例えば酸素含有ガスを送出するためのポンプ(酸素含有ガスポンプ等)を例示することができる。
The oxygen-containing
ここで、燃料電池装置の運転中に、地震や火事などの災害により燃料電池装置が緊急停止し、燃料電池装置を作動させるための酸素含有ガスポンプを含む補機等が停止した場合に、モジュール4の内部の水蒸気を含む高温な空気が、流路形成部55を逆流する場合がある。
Here, when the fuel cell device is urgently stopped due to a disaster such as an earthquake or a fire during operation of the fuel cell device, and an auxiliary machine including an oxygen-containing gas pump for operating the fuel cell device is stopped, the
ここで、流路形成部55へ水蒸気を含む高温な空気が供給されると、流路形成部55を内や酸素含有ガス供給部2内にて、高温な空気が冷やされ、逆流した空気中の水蒸気に結露が生じ、生じた結露水により酸素含有ガス供給部2を構成する酸素含有ガスポンプ等が故障や破損する場合がある。
Here, when high-temperature air containing water vapor is supplied to the flow
ここで、本実施形態の燃料電池装置は、流路形成部55が他の部位よりも熱容量の大きい熱容量増大部62を有している。それにより、流路形成部55を逆流する空気は、熱容量増大部62によって効率よく冷却され、この部位にて逆流した空気中の水蒸気が結露水として生じることとなる。
Here, in the fuel cell device of the present embodiment, the flow
それゆえ、例えば流路形成部55内を逆流した空気が、そのまま酸素含有ガス供給部2に供給されたとしても、水分量が少ない空気が供給されることとなるため、酸素含有ガス供給部2を構成する酸素含有ガスポンプ等の故障や破損を抑制することができる。
Therefore, for example, even if the air that has flowed backward in the flow
なお、熱容量増大部62を設ける場所は特に制限はないが、流路形成部55内を逆流した空気が熱容量増大部62を流れることで生成された結露水が、流路形成部58を通じて酸素含有ガス供給部2に供給されることを効率よく抑制すべく、酸素含有ガス供給部2よりも遠い位置に設けることが好ましい。具体的には、例えば図5に示す燃料電池装置においては、流路形成部55のうち、側方流路部57またはモジュール流路部56に設けることが好ましく、図5においてはモジュール流路部56に熱容量増大部62を設けた例を示している。
The place where the heat
熱容量増大部62としては、例えば耐熱性を有し、かつ酸素含有ガス供給部2より要求される酸素含有ガスの流れの阻害を極力抑えることができる熱容量増大部材63を流路形成部55内に設けることで、熱容量増大部62とすることができる。
As the heat
このような熱容量増大部材63としては、例えば、金属やセラミックス等を用いることができ、例えばメッシュ構造やハニカム構造等の部材とすることができる。それにより、酸素含有ガス供給部2より供給される酸素含有ガスの流れの阻害を極力抑えつつ、流路形成部55内を逆流した空気に含まれる水蒸気を、効率よく結露水として凝縮することができる。
As such a heat
なお、熱容量増大部材63の大きさとしては、流路形成部55に配置される場所の内径と同じサイズの外形を有するものとすることが好ましく、厚みは流路形成部55を流れる酸素含有ガスの流れを阻害しない程度の厚みとすることが好ましい。
The heat
さらに、流路形成部55内を逆流した空気が熱容量増大部62を流れることで生成された結露水が、流路形成部55を通じて酸素含有ガス供給部2に供給されることを効率よく抑制すべく、流路形成部55に結露水を貯留する貯留部61を設けることが好ましい。それにより、熱容量増大部62にて生成された結露水が貯留部61に貯留されることで、結露水が酸素含有ガス供給部2に供給されることを効率よく抑制することができ、酸素含有ガス供給部2を構成する酸素含有ガスポンプ等の故障や破損をより抑制することができる。
Further, it is possible to efficiently suppress the dew condensation water generated by the air flowing back in the flow
なお、図5に示す燃料電池装置においては、貯留部61をモジュール流路部56の下方側に設けた例を示している。すなわち、モジュール流路部56と側方流路部57との接続部を、モジュール流路部56の下端よりも上方側に設けることで、モジュール流路部61のうち、側方流路部57の接続部より下方側が貯留部61となり、熱容量増大部62にて生成された結露水を貯留する貯留部61を容易に形成することができる。
In the fuel cell device shown in FIG. 5, an example in which the
ちなみに、貯留部61に貯水された結露水は、燃料電池装置が停止している場合に、時間の経過とともに気化することとなるほか、燃料電池装置が稼働している場合に貯留部61に結露水が貯留された場合であっても、酸素含有ガス供給部2から供給される酸素含有ガスに曝されることにより、気化されて減少していく。それにより、貯留部61に長期間にわたって結露水が溜められないこととなり、貯留部61の劣化を抑えることができる。
By the way, the dew condensation water stored in the
ここで、流路形成部55は、金属や樹脂等により作製された管により形成することができる。一本の管により形成する場合は、適宜折り曲げて作製すればよい。結露水が流路形成部55内に生成するのを抑える点と製造コストの点から、熱硬化性樹脂、熱軟化性樹脂または光硬化性樹脂等の樹脂により作製することが好ましい。
Here, the flow
なお、上述したように貯留部61は結露水に曝されることとなるため、貯留部61は、耐水性を有することが好ましく、金属製の管を用いる場合には、耐水性に優れた材料とし、加えて耐水性を有するコーティングを施すことが好ましい。また、モジュール流路部56を樹脂により作製することで貯留部61の耐水性を向上させることができる。
In addition, since the
また、図5に示す例においては、流路形成部55を構成する酸素含有ガス流路部58と、側方流路部57と、モジュール流路部56とを一体化した例を示しているが、それぞれ別部材により形成してもよい。モジュール流路部56、側方流路部57および酸素含有ガス流路部58のそれぞれの接合部は、溶接やパッキンによるシール構造とし内部を流れる酸素含有ガスが流出しないように、それぞれの接合部を封止することが好ましい。
Further, in the example shown in FIG. 5, an example is shown in which the oxygen-containing gas
なお、熱容量増大部62にて生成された結露水が酸素含有ガス供給部2側に流れることをさらに抑制するにあたり、例えば側方流路部57のモジュール流路部56側の一端と、酸素含有ガス供給部2側の一端とを比較した場合に、モジュール流路部56側の一端が下方となるように傾斜した構成とすることもできる。
In order to further suppress the dew condensation water generated in the heat
また、上述の例においては、酸素含有ガス供給部2として、酸素含有ガスポンプを用いる例を示したが、例えば、酸素含有ガス供給部2を流量計とする場合にも同様に、流量計の内部に結露水が存在すると、燃料電池装置の再起動時やその後の運転中に、流量計が流量を測定できず流量異常のエラーを生じ、燃料電池装置が再び緊急停止する場合があるが
、本実施形態の燃料電池装置によれば、流量計に結露水が流入することを抑えることができ、燃料電池装置の故障や破損を抑制することができる。
In the above-described example, an example in which an oxygen-containing gas pump is used as the oxygen-containing
図6(a),(b)を用いて、本実施形態の他の一例について説明する。 Another example of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 6 (a) and 6 (b).
図6(a)に示す燃料電池装置は、酸素含有ガス供給部2より上方に延びる酸素含有ガス流路部58と、該酸素含有ガス流路部58と接続され側方に向かって延びる側方流路部66と、該側方流路部66と接続され、上方に向けて延びるとともにモジュール4と接続されるモジュール流路部65とを有してなる流路形成部64のうち、側方流路部66の下方側に窪み部を有し、該窪み部が貯留部68とされており、窪み部に熱容量増大部67が設けられている。その他の点は、図5の形態と同様である。
The fuel cell device shown in FIG. 6 (a) includes an oxygen-containing
このように、流路形成部64のうち、側方流路部66に熱容量増大部67を設けることで、流路形成部64を逆流する空気は、熱容量増大部67によって効率よく冷却され、この部位にて逆流した空気中の水蒸気が結露水として生じることとなる。
In this way, by providing the heat
それゆえ、例えば流路形成部64内を逆流した空気が、そのまま酸素含有ガス供給部2に供給されたとしても、水分量が少ない空気が供給されることとなるため、酸素含有ガス供給部2を構成する酸素含有ガスポンプ等の故障や破損を抑制することができる。
Therefore, for example, even if the air that has flowed backward in the flow
ここで、図6(a)に示す燃料電池装置においては、側方流路部66の下部に設けられた窪み部を貯留部68とし、該貯留部68に熱容量増大部67を設けている。それにより、流路形成部64内を逆流した空気が熱容量増大部67を流れることで生成された結露水は、熱容量増大部67が設けられた貯留部68に貯留されることとなる。それゆえ、結露水が酸素含有ガス供給部2に供給されることを効率よく抑制することができ、酸素含有ガス供給部2を構成する酸素含有ガスポンプ等の故障や破損をより抑制することができる。
Here, in the fuel cell device shown in FIG. 6A, the recessed portion provided in the lower portion of the side
なお、流路形成部64のうち、側方流路部66(貯留部68)は結露水に曝されることとなるため、耐水性を有することが好ましく、例えば熱硬化性樹脂、熱軟化性樹脂または光硬化性樹脂等の樹脂や金属製の管を用いることができ、金属製の管を用いる場合には、耐水性に優れた材料とし、加えて耐水性を有するコーティングを施すことが好ましい。
In addition, since the side flow path part 66 (storage part 68) will be exposed to dew condensation water among the flow
図6(b)に示す燃料電池装置は、流路形成部64のうち貯留部68に排水管69が接続されている点以外は、図6(a)に示す燃料電池装置と同様である。
The fuel cell device shown in FIG. 6B is the same as the fuel cell device shown in FIG. 6A except that the
流路形成部64を逆流する空気は、熱容量増大部67によって効率よく冷却され、この部位にて逆流した空気中の水蒸気が結露水として生じることとなるが、この結露水が貯留部68の容量を超える場合に、酸素含有ガス供給部2に向けて流れだし、酸素含有ガス供給部2を構成する酸素含有ガスポンプ等が故障や破損するおそれがある。
The air flowing back through the flow
そこで、図6(b)に示す燃料電池装置においては、流路形成部64のうち貯留部68に排水管69を接続することにより、貯留部68に貯留された結露水を排水管69により排水することができる。それにより、熱容量増大部67によって生成された結露水が、酸素含有ガス供給部2に向けて流れだすことを抑制でき、酸素含有ガス供給部2を構成する酸素含有ガスポンプ等が故障や破損することを抑制できる。
Therefore, in the fuel cell device shown in FIG. 6B, the
なお、排水管69はバルブ等を設けて、適宜バルブ等を開閉するようにすることで、排水管69を介して空気等が流路形成部64内をモジュール4に向けて流れることを防止することができる。なお、上記バルブが電磁式の場合には、別途電源(例えば乾電池等)を設けておき、燃料電池装置が緊急停止した場合には、別途設けた電源を用いてバルブを作
動させればよい。
The
以上、本発明の実施の形態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 embodiments of the present invention have 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. It is.
例えば、図6(b)の構成において、排水管69より排水される結露水を、図1に示す熱交換器8と凝縮水処理装置9とを接続する凝縮水供給管10に流すようにしてもよい。それにより、効率よく水自立運転を行なうことができる燃料電池装置とすることができる。
For example, in the configuration of FIG. 6B, the dew condensation water drained from the
また、例えば、上記図4の構成の固体高分子形の燃料電池装置において、燃焼部45と酸素含有ガス供給部42とを接続する管のほか、改質部46と酸素含有ガス供給部42とを接続する管にも熱容量増量部を設けることもできる。
Further, for example, in the polymer electrolyte fuel cell device having the configuration shown in FIG. 4, in addition to the pipe connecting the combustion unit 45 and the oxygen-containing gas supply unit 42, the reforming
それにより、燃料電池装置の運転中に、地震や火事などの災害により燃料電池装置が緊急停止し、燃料電池装置を作動させるための酸素含有ガスポンプを含む補機等が停止した場合に、燃焼部45や改質部46の内部の水蒸気を含む高温な空気や燃料ガスが、改質器3と酸素含有ガス供給部2とを接続する管を逆流した場合であっても、酸素含有ガス供給部42を構成する酸素含有ガスポンプ等が故障や破損することを抑制できる。
As a result, when the fuel cell device is urgently stopped due to a disaster such as an earthquake or fire during operation of the fuel cell device, and the auxiliary equipment including the oxygen-containing gas pump for operating the fuel cell device is stopped, the combustion section Even when high-temperature air or fuel gas containing water vapor in the interior of the reforming unit 45 or the reforming
2、42:酸素含有ガス供給部
3、44:改質器
4:燃料電池モジュール
55、63、68:流路形成部
61、66:貯留部
62、67:熱容量増大部
69:排水管
2, 42: oxygen-containing
Claims (5)
該燃料電池モジュールに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給部と、
一端が前記燃料電池モジュールと接続され、かつ他端が前記酸素含有ガス供給部と接続された、前記酸素含有ガス供給部から前記燃料電池モジュールに酸素含有ガスを供給するための流路形成部とを備え、
該流路形成部は、内部に他の部位よりも熱容量の大きい熱容量増大部を有することを特徴とする燃料電池装置。 A fuel cell module including a fuel cell that generates power using a fuel gas and an oxygen-containing gas;
An oxygen-containing gas supply unit for supplying an oxygen-containing gas to the fuel cell module;
A flow path forming part for supplying oxygen-containing gas from the oxygen-containing gas supply part to the fuel cell module, one end connected to the fuel cell module and the other end connected to the oxygen-containing gas supply part; With
The flow path forming part has a heat capacity increasing part having a larger heat capacity than other parts inside.
該燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成する改質器と、
該改質器に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給部と、
一端が前記改質器と接続され、かつ他端が前記酸素含有ガス供給部と接続された、前記酸素含有ガス供給部から前記改質器に酸素含有ガスを供給するための流路形成部とを備え、
該流路形成部は、内部に他の部位よりも熱容量の大きい熱容量増大部を有することを特徴とする燃料電池装置。 A fuel cell module in which a fuel cell that generates power with a fuel gas and an oxygen-containing gas is stored in a storage container;
A reformer that generates fuel gas to be supplied to the fuel cell;
An oxygen-containing gas supply unit for supplying an oxygen-containing gas to the reformer;
A flow path forming unit for supplying oxygen-containing gas from the oxygen-containing gas supply unit to the reformer, one end of which is connected to the reformer and the other end is connected to the oxygen-containing gas supply unit; With
The flow path forming part has a heat capacity increasing part having a larger heat capacity than other parts inside.
The fuel cell device according to claim 4, wherein a drain pipe for draining water stored in the storage unit is connected to the storage unit.
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