JP2017147220A - 高温動作型燃料電池モジュール - Google Patents
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Abstract
Description
本発明者らは、高温な排熱を有効に利用できる高温動作型燃料電池の一例として固体酸化物形燃料電池システム(以下、SOFCシステム)に関して鋭意検討を行った。その結果、以下の知見を得た。すなわち、SOFCシステムでは、例えば、600℃近傍以上の高温で動作しており、発電時に発生する排熱を有効利用することができる。さらに総合効率を向上させるために、アノードから排出されたアノードオフガスに着火し、カソードから排出されたカソードオフガスとともに燃焼させて排ガスを生成し、この排ガスが有する熱を有効利用することもできる。例えば、排ガスが有する熱を有効利用する構成として、SOFCスタック、改質部、酸化剤ガスおよび改質ガスと排ガスとの熱交換を行う熱交換部等を一体の構成として容器内に収める燃料電池システムが考えられる。この様な構成の場合、酸化剤ガス若しくはカソードオフガス、または改質ガス若しくはアノードオフガス等の流体を流通させるための経路が長く複雑になりやすく、それぞれの経路を流通している間に放熱ロスが発生する場合があることに気が付いた。
また、本発明の第10の態様に係る高温動作型燃料電池モジュールは、上記した第1から8の態様のいずれか1つの態様において、前記燃料電池スタック容器内を流通する前記カソードオフガスを流入させるための開口部を備え、前記開口部でのカソードオフガスが通過する開口面積が、前記開口部を通過するまでのカソードオフガスが流れる流路の流路断面積よりも小さくなるように構成されてもよい。
(高温動作型燃料電池モジュールの構成)
まず、図1を参照して、実施の形態1に係る高温動作型燃料電池モジュール100の構成について説明する。図1は、本発明の実施の形態1に係る高温動作型燃料電池モジュール100の概略構成の一例を示す側面図である。図1では、高温動作型燃料電池モジュール100を側面側から見たときの要部構成を示しており、高温動作型燃料電池モジュール100は、紙面における下方を底面、上方を上面とする中空の円筒体または柱体として構成することができる。
ここで、高温動作型燃料電池モジュール100における流体(酸化剤ガス、カソードオフガス、改質ガス、およびアノードオフガス)の流れについて説明する。
次に、実施の形態1に係る高温動作型燃料電池モジュール100が有する燃焼部7の構成について図2を参照して詳細に説明する。なお、上記したように、燃焼部7は、燃料電池スタック容器2の上面に設けられており、アノードオフガスとカソードオフガスとを混合させ、燃焼させる部分である。図2は、図1の高温動作型燃料電池モジュール100が備える燃焼部7の概略構成の一例を示す側面図である。
開口部26cでのカソードオフガスが通過する開口面積が、開口部26cを通過するまでのカソードオフガスが流れる流路の流路断面積よりも小さいことが望ましい。この構成により、開口部26cでカソードオフガスが集約されて一度整流されるので、カソードオフガス噴出孔91から噴出されるカソードオフガスの分散性を向上させることができる。
次に、上記した構成を有する実施の形態1に係る高温動作型燃料電池モジュール100の構成上の特徴について説明する。
次に、図1、2に示した実施の形態1に係る高温動作型燃料電池モジュール100の変形例1について図3を参照して説明する。図3は、図1に示す本発明の実施の形態1の変形例1に係る高温動作型燃料電池モジュール100が備える燃焼部7の概略構成の一例を示す側面図である。
次に、図4を参照して、本発明の実施の形態2に係る高温動作型燃料電池モジュール200の構成について説明する。図4は、本発明の実施の形態2に係る高温動作型燃料電池モジュール200の概略構成の一例を示す側面図である。図4では、高温動作型燃料電池モジュール200を側面側から見たときの要部構成を示しており、高温動作型燃料電池モジュール200は、紙面における下方を底面、上方を上面とする中空の円筒体または柱体として構成することができる。
図5は、本発明の実施の形態3における高温動作型燃料電池モジュール300の概略構成の一例を示す側面図である。実施の形態3に係る高温動作型燃料電池モジュール300は、実施の形態2に係る高温動作型燃料電池モジュール200と同様な構成を有するが、燃料電池スタック1に対するカソードオフガス集合部26、燃焼部7、および改質部5それぞれとの配置関係が異なっている。また、実施の形態2に係る高温動作型燃料電池モジュール200では容器外空気熱交換部14が改質部5の側部と上部とを覆うように配置されていたが、実施の形態3に係る高温動作型燃料電池モジュール300では、容器外空気熱交換部14が、改質部5および燃料電池スタック容器2の上方に位置するように配置されている点で異なる。
2 燃料電池スタック容器
5 改質部
7 燃焼部
8 噴出部
9 拡散板
10 燃焼室
11 アノードオフガス経路
13 改質ガス経路
14 容器外空気熱交換部
15 第1空気経路
16 排ガス排出口
20 内壁
21 外壁
22 流通路
23 容器内空気熱交換部
24 第2空気経路
26 カソードオフガス集合部
26a1 縦壁
26a2 縦壁
26b 水平壁
26c 開口部
27 整流板
81 アノードオフガス噴出孔
91 カソードオフガス噴出孔
92 下部噴出孔
100 高温動作型燃料電池モジュール
200 高温動作型燃料電池モジュール
300 高温動作型燃料電池モジュール
Claims (13)
- カソードに供給される酸化剤ガスとアノードに供給される改質ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックを収容するとともに、その収容空間内を該燃料電池スタックのカソードから排出されたカソードオフガスが流通する燃料電池スタック容器と、
前記燃料電池スタック容器内に設けられ、前記カソードオフガスを集合させる空間であるカソードオフガス集合部と、
前記燃料電池スタックのアノードから排出されたアノードオフガスを流通させるアノードオフガス経路と、
前記カソードオフガス集合部に集合した前記カソードオフガスと前記アノードオフガス経路を流通する前記アノードオフガスとを燃焼させる燃焼部と、を備え、
前記燃焼部は、
前記アノードオフガスと前記カソードオフガスとを混合させ、燃焼させる空間である燃焼室と、
前記アノードオフガス経路に接続されており、前記アノードオフガスを前記燃焼室に噴出させる噴出部と、
前記噴出部を中心として該噴出部を囲うように配置されており、前記カソードオフガス集合部に集合した前記カソードオフガスを前記燃焼室に噴出させる拡散板と、を有する、高温動作型燃料電池モジュール。 - 前記燃料電池スタック容器は、前記燃料電池スタックのカソードに供給する前の酸化剤ガスと、燃料電池スタック容器内を流通する前記カソードオフガスとの間で熱交換させる空気熱交換部を備える請求項1に記載の高温動作型燃料電池モジュール。
- 前記燃料電池スタック容器の側壁は、内壁と外壁とを備えており、
前記空気熱交換部は、前記内壁と、前記外壁と、該内壁と該外壁との間に形成された空間であって前記酸化剤ガスを流通させる流通路とから構成され、該内壁を介して該酸化剤ガスと前記カソードオフガスとの熱交換を行う請求項2に記載の高温動作型燃料電池モジュール。 - 前記噴出部は、前記アノードオフガスを前記燃焼室に噴出させる、複数のアノードオフガス噴出孔を備え、
前記拡散板は、前記カソードオフガス集合部に集合させた前記カソードオフガスを、前記アノードオフガス噴出孔から噴出した前記アノードオフガスの噴流方向と略対向するように噴出させる、複数のカソードオフガス噴出孔を備える請求項1から3のいずれか1項に記載の高温動作型燃料電池モジュール。 - 供給された燃料を改質反応により改質させて改質ガスを生成する改質部を備え、
前記燃焼室において前記アノードオフガスと前記カソードオフガスとを混合させ、燃焼させて生成した排ガスの有する熱により前記改質部を加熱する請求項1から4のいずれか1項に記載の高温動作型燃料電池モジュール。 - 前記改質部と、前記燃料電池スタックとの間に、前記燃焼部が設けられる請求項5に記載の高温動作型燃料電池モジュール。
- 前記燃料電池スタック容器は、前記拡散板を囲むように設けられた燃焼部外周壁を備え、該燃焼部外周壁と前記拡散板とによって囲まれた空間に前記カソードオフガス集合部が設けられており、
前記燃料電池スタックは、前記燃料電池スタック容器内であって、かつ、前記燃焼室における燃焼により形成された火炎の放出方向とは反対側となる位置に設置されている請求項1から6のいずれか1項に記載の高温動作型燃料電池モジュール。 - 前記燃焼室における燃焼により形成された火炎の放出方向が鉛直方向上向きとなるように該燃焼室の開口が設けられており、前記燃料電池スタックは、該燃焼室の下側に設けられる請求項1から6のいずれか1項に記載の高温動作型燃料電池モジュール。
- 前記カソードオフガス集合部は、前記燃料電池スタック容器内を流通する前記カソードオフガスを流入させるための開口部を備え、該開口部の投影面積が前記燃料電池スタックの投影面積よりも小さくなるように構成される請求項1から8のいずれか1項に記載の高温動作型燃料電池モジュール。
- 前記カソードオフガス集合部は、前記燃料電池スタック容器内を流通する前記カソードオフガスを流入させるための開口部を備え、前記開口部でのカソードオフガスが通過する開口面積が、前記開口部を通過するまでのカソードオフガスが流れる流路の流路断面積よりも小さくなるように構成される、請求項1から8のいずれか1項に記載の高温動作型燃料電池モジュール。
- 前記カソードオフガス集合部の前記開口部は狭隘になっており、
前記燃料電池スタック容器内を流通する前記カソードオフガスは、狭隘な前記開口部を通じて前記カソードオフガス集合部内に流入する請求項9または10に記載の高温動作型燃料電池モジュール。 - 前記カソードオフガス集合部の前記開口部に設けられ、該開口部を通じて前記カソードオフガス集合部に流入する前記カソードオフガスの流れを整流させる整流板を備える、請求項9から11のいずれか1項に記載の高温動作型燃料電池モジュール。
- 前記噴出部は円筒形をしており、前記噴出部の中心軸を中心にして該噴出部を囲むように前記拡散板が配置されており、
前記燃料電池スタックおよび前記燃料電池スタック容器それぞれの幅方向における中点を通る中心線と前記噴出部の中心軸とが一致するように該燃料電池スタックおよび該燃料電池スタック容器が配置されている請求項1から11のいずれか1項に記載の高温動作型燃料電池モジュール。
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