JP2016139555A - 固体酸化物形燃料電池装置 - Google Patents
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Abstract
Description
このように構成された本発明においては、排気ガス排出流路の下流側の流路を屈曲部において燃料電池セル収容容器の中央方向に屈曲させて、この屈曲部の下流側の流路を酸化剤ガス供給流路から離隔させているので、つまり屈曲部の下流側の流路を真空断熱層のヒートブリッジ発生部から離隔させているので、ヒートブリッジ発生部が排気ガスから受ける熱を適切に低下させることができる。
このように構成された本発明においては、酸化剤ガスを燃料電池セル収容容器内に供給する酸化剤ガス供給部を、排気ガス排出流路の屈曲部よりも下方の位置に設けて、この酸化剤ガス供給部を排気ガス排出流路から離隔させるので、酸化剤ガス供給部に供給される酸化剤ガスが排気ガスによって昇温されることを抑制することができる。そのため、低温の酸化剤ガスを真空断熱層のヒートブリッジ発生部の周辺に流すことができ、この低温の酸化剤ガスによってヒートブリッジ発生部を適切に冷却することが可能となる。したがって、ヒートブリッジ発生部が外部へと伝熱する熱量を適切に低減することができる。加えて、酸化剤ガス供給部内を流れる低温の酸化剤ガスによって、酸化剤ガス供給部付近の側壁を上方から下方へと伝わる熱を奪うことができ、真空断熱層のヒートブリッジ発生部が受ける熱を適切に低下させることができる。
このように構成された本発明においては、酸化剤ガス供給部を形成する流路を、この酸化剤ガス供給部よりも下流側を形成する流路よりも広く構成し、つまり酸化剤ガス供給部を形成する流路を拡大し、真空断熱層を形成する内側壁の下端部分をそのような酸化剤ガス供給部に沿って形成しているので、酸化剤ガス供給部内の酸化剤ガスと真空断熱層の下端部分(ヒートブリッジ発生部)との熱交換時間を長くすることができる、つまり熱交換距離を長くすることができる。そのため、酸化剤ガス供給部内の酸化剤ガスと真空断熱層のヒートブリッジ発生部との効果的な熱交換を実現することができ(言い換えると酸化剤ガスによるヒートブリッジ発生部の冷却面積を大きくすることができ)、酸化剤ガス供給流路に供給される酸化剤ガスによってヒートブリッジ発生部を効果的に冷却することができる。
このように構成された本発明においては、真空断熱層や酸化剤ガス供給流路などを構成する部材の下端部をセラミック接着剤により接合するので、熱伝導性の低いセラミック接着剤の存在により、燃料電池セル収容容器の下端部を構成する部材から真空断熱層のヒートブリッジ発生部へ熱が伝わりにくくすることができる。
図1は、本発明の一実施形態による燃料電池モジュールを備えた固体酸化物形燃料電池装置(SOFC)を示す全体構成図である。この図1に示すように、固体酸化物形燃料電池装置(SOFC)1は、本発明の一実施形態による燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。
さらに、燃料電池モジュール2には、燃料電池モジュール2により発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54が接続されている。
さらに、固体酸化物形燃料電池装置1はコントローラ106を備え、コントローラ106は、マイクロプロセッサ、各種インターフェイス、メモリ、及びこれらを作動させるためのプログラム(以上図示せず)から構成されている。コントローラ106は、内蔵されたプログラムにより、補機ユニット4に内蔵された各装置(具体的には水流量調整ユニット28、燃料ブロア38及び空気流量調整ユニット45)を制御すると共に、インバータ54を制御して、燃料電池モジュール2からの電力の取り出しを制御するように構成されている。
なお、排気ガス排出流路21、排気ガス横断通路21b及び排気ガス室21cは、それぞれ、排気ガスを燃料電池セル収容容器8から排出するための排気ガス排出流路を構成し、当該排気ガス排出流路は、排気ガス排出流路21と排気ガス横断通路21bとの接続箇所である屈曲部22aにおいて流路が燃料電池セル収容容器8の中央方向に屈曲される。これにより、この屈曲部22aよりも下流側の排気ガスの流路が、酸化剤ガス供給流路22と離隔されることとなる。
燃焼触媒器60は、排気ガス横断通路21bよりも上方に、外側円筒部材66の外周面と内側円筒容器68の内周面の間の円環状の空間に充填された触媒である。排気ガス排出流路21を下降した排気ガスは、燃焼触媒器60を通過することにより一酸化炭素が除去され、排気ガス横断通路21bを通って排気ガス室21cに流入する。
シースヒーター61は、燃焼触媒器60の下方の、外側円筒部材66の外周面を取り囲むように取り付けられた電気ヒーターである。固体酸化物形燃料電池装置1の起動時において、シースヒーター61に通電することにより、その近傍に配置されている燃焼触媒器60が活性温度まで加熱される。
図4は排気集約室の部分を拡大して示す断面図であり、図5は、図2におけるV−V断面である。
図4に示すように、排気集約室18は、各燃料電池セル16の上端部に取り付けられたドーナツ型断面のチャンバーであり、この排気集約室18の中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ74が貫通して延びている。
集約室下部材18bは、上方が開放された円形皿状の部材であり、その中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ74を貫通させるための円筒部が設けられている。
集約室上部材18aは、下方が開放された段付き円形カップ状の部材であり、その中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ74を貫通させるための開口部が設けられている。集約室上部材18aの下部は、集約室下部材18bの上方に開口したドーナツ型断面の領域に嵌め込まれる形状に構成されている。
CmHn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (1)
図2に示すように、燃料ガス集約室76には、水素取出管92が接続されている。この水素取出管92は、燃料ガス集約室76の内部と連通し、断熱材板状部73aを貫通し、さらに排気ガス室21cを貫通して燃料電池モジュール2の外部まで延びている。図1に示すように、水素取出管92は、補機ユニット4に内蔵された凝縮器33に接続されている。燃料ガス集約室76内の燃料ガスは、水素ガスと共に多くの水蒸気を含んでいる。凝縮器33においては、燃料ガスに含まれている水蒸気が凝縮され、水素ガスと分離される。水蒸気を分離された水素ガスは、オリフィス34及び電磁弁35を介して、燃料供給源30から供給された原燃料ガスに、燃料ブロア38の上流側で混合される。水素ガスが添加された原燃料ガスは、燃料ブロア38により脱硫器36に送り込まれる。
本発明の実施形態による燃料電池モジュール2においては、燃料電池セル16として、固体酸化物を用いた円筒横縞型セルが採用されている。各燃料電池セル16上には、複数の単セル16aが横縞状に形成されており、これらが電気的に直列に接続されることにより1本の燃料電池セル16が構成されている。各燃料電池セル16は、その一端がアノード(陽極)、他端がカソード(陰極)となるように構成され、複数の燃料電池セル16のうちの半数は上端がアノード、下端がカソードとなるように配置され、残りの半数は上端がカソード、下端がアノードとなるように配置されている。
多孔質支持体97は、本実施形態においては、フォルステライト粉末、及びバインダーの混合物を押し出し成形し、焼結することにより形成されている。
燃料極層98は、本実施形態においては、NiO粉末及び10YSZ(10mol%Y2O3−90mol%ZrO2)粉末の混合物により構成された導電性の薄膜である。
固体電解質層100は、本実施形態においては、La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3の組成のLSGM粉末により構成された薄膜である。この固体電解質層100を介して酸化物イオンと水素又は一酸化炭素が反応することにより電気エネルギーが生成される。
インターコネクタ層102は、本実施形態においては、SLT(ランタンドープストロンチウムチタネート)により構成された導電性の薄膜である。燃料電池セル16上の隣接する単セル16aはインターコネクタ層102を介して接続される。
電極層103a、103bは、本実施形態においては、燃料極層98と同一の材料で形成されている。
リード膜層104a、104bは、本実施形態においては、固体電解質層100と同一の材料で形成されている。
また、連通通路121を用いて配線することに限定はされず、他の例では、図8に示すように配線124を設けてもよい。具体的には、燃料電池セル収容容器8の外壁面(詳しくは上面及び側面)と真空断熱層7との間に、配線124を配置するための空間を設けて、この空間に配線124を配置してもよい。この場合、配線124は、燃料電池セル収容容器8の外側円筒容器70の側面及び上面に沿って延びて、外側円筒容器70に設けられた開口を通過して燃料電池セル収容容器8の内部にまで延びる。
まず、固体酸化物形燃料電池装置1の起動工程において、燃料ブロア38が起動され、燃料の供給が開始されると共に、シースヒーター61への通電が開始される。シースヒーター61への通電が開始されることにより、その上方に配置された燃焼触媒器60が加熱されると共に、内側に配置された蒸発部86も加熱される。燃料ブロア38により供給された燃料は、脱硫器36を介して、燃料ガス供給パイプ90から燃料ガス供給流路20に流入する。流入した燃料は、燃料ガス供給流路20内を上昇して改質部94に至り、次いで、中間円筒部材65と内側円筒部材64の間の燃料ガス供給流路20を下降し、内側円筒部材64の下部に設けられた多数の小穴64bを通って燃料ガス集約室76に流入する。なお、固体酸化物形燃料電池装置1の起動直後においては、改質部94内の改質触媒96の温度が十分に上昇していないため、燃料の改質は行われない。
なお、蒸発部86は、シースヒーター61に隣接して配置されているため、起動後早期に温度が上昇し、水蒸気を生成できる状態となる。また、蒸発部86は、シースヒーター61と断熱材板状部73aの間に配置されているため、シースヒーター61の熱が逃げにくく、早期に温度上昇する。さらに、蒸発部86の下方、近傍には排気ガス横断通路21bが設けられているため、蒸発部86は排気ガス横断通路21b内を流れる排気ガスの熱によっても加熱される。
特に、本実施形態では、蒸発部86が、真空断熱層7側の燃料ガス供給流路20を構成する側壁(つまり外側円筒部材66の内側壁)に、蒸発させる水を溜める水溜め部86cを備えているので(図6参照)、水溜め部86cに溜まった水によって、外側円筒部材66を上方から下方へと伝わる熱を常時奪い続けることができ、真空断熱層7のヒートブリッジ発生部が受ける熱を効果的に低下させることができる。加えて、本実施形態では、リング状の蒸発部86を外側円筒部材66の内側壁の全周に渡って設けているので、つまり蒸発部86の水溜め部86cを外側円筒部材66の内側壁の全周に渡って設けているので、外側円筒部材66を上方から下方へと伝わる熱をより効果的に奪うことができる。
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
6、6’ 真空断熱容器
6a 真空断熱容器の下端部(ヒートブリッジ発生部)
6c 反射板
7 真空断熱層
8 燃料電池セル収容容器
10 発電室(発電部)
10a 燃焼部
16 燃料電池セル
20 燃料ガス供給流路
21 排気ガス排出流路
21a、21e 屈曲部
21f 湾曲管
21b 排気ガス横断通路
21c 排気ガス室
22 酸化剤ガス供給流路
22a 酸化剤ガス供給部
28 水流量調整ユニット(水供給装置)
36 脱硫器
38 燃料ブロア(燃料供給装置)
45 空気流量調整ユニット(酸化剤ガス供給装置)
60 燃焼触媒器
76 燃料ガス集約室(燃料ガス集約部)
86 蒸発部
86a 傾斜板
86c 水溜め部
94 改質部
96 改質触媒
106 コントローラ
115 蓄熱材
117、118 セラミック接着剤
121 連通通路
122、124 配線
Claims (5)
- 燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する複数の燃料電池セルを有する固体酸化形燃料電池装置において、
上記複数の燃料電池セルを収容する燃料電池セル収容容器と、
上記燃料電池セル収容容器の外表面を覆うように設けられ、この燃料電池セル収容容器内の熱が外部に放熱されることを抑制する真空断熱層であって、上記燃料電池セル収容容器内の熱を伝熱するヒートブリッジが発生するヒートブリッジ発生部を下端部にのみ有する上記真空断熱層と、
を有し、
更に、上記燃料電池セル収容容器の内部に、
上下方向に延びる上記複数の燃料電池セルが並設され、供給された上記燃料ガスと上記酸化剤ガスとの反応により発電を行う発電部と、
上記発電部において発電に利用されずに残った燃料ガスを、上記発電部の上方において燃焼させる燃焼部と、
上記燃料ガスを上記発電部に供給するための燃料ガス供給流路と、
上記燃料電池セル収容容器の外周壁に沿って上下方向に延び、上記酸化剤ガスを上記発電部に供給するための酸化剤ガス供給流路と、
上記酸化剤ガス供給流路の内周壁に沿って上下方向に延び、上記燃焼部において発生した排気ガスを上記燃料電池セル収容容器から排出するための排気ガス排出流路と、
を有し、
上記酸化剤ガス供給流路への上記酸化剤ガスの供給と、上記燃料ガス供給流路への上記燃料ガス又は上記燃料ガスの元となる原燃料ガスの供給と、上記排気ガス排出流路からの上記排気ガスの排出とが、上記燃料電池セル収容容器の下端部において行われると共に、上記酸化剤ガス供給流路内を下方から上方へと通過する酸化剤ガスと、上記排気ガス排出流路内を上方から下方へと通過する排気ガスとの間で熱交換が行われる、ことを特徴とする固体酸化形燃料電池装置。 - 上記排気ガス排出流路は、その下流側の箇所に、流路が上記燃料電池セル収容容器の中央方向に屈曲される屈曲部を備え、この屈曲部よりも下流側の流路が、上記酸化剤ガス供給流路と離隔されている、請求項1に記載の固体酸化形燃料電池装置。
- 上記酸化剤ガス供給流路は、上記排気ガス排出流路の上記屈曲部よりも下方の位置に、上記酸化剤ガスを上記燃料電池セル収容容器内に供給する酸化剤ガス供給部を備える、請求項2に記載の固体酸化形燃料電池装置。
- 上記酸化剤ガス供給流路は、上記酸化剤ガス供給部を形成する流路が、この酸化剤ガス供給部の下流側を形成する流路よりも広く構成され、上記真空断熱層を形成する内側壁の下端部分は、上記酸化剤ガス供給部に沿って形成されている、請求項3に記載の固体酸化形燃料電池装置。
- 上記真空断熱層、上記酸化剤ガス供給流路、上記燃料ガス供給流路、及び上記排気ガス排出流路のそれぞれを構成する部材の下端部がセラミック接着剤により接合されている、請求項2に記載の固体酸化形燃料電池装置。
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