JP2017183251A - 燃料電池放熱回収用筐体、及びこれを備えた燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
特に、燃料電池が固体酸化物形燃料電池の場合、作動時の温度が700℃〜1000℃と非常に高温であり、放熱エネルギーも大きい。
以上から、この放熱エネルギーを回収して有効に利用することができる構造体(燃料電池放熱回収用筐体)の開発が従来から望まれていた。
一方で、前記発明によれば、熱膨張した場合、燃料電池スタックは、燃料電池スタックの下部を基準に燃料電池スタックの頂部側に、言い換えると、第1隙間の方に延びる。また、周辺機器ユニットは、周辺機器ユニットの上部を基準に周辺機器ユニットの底部側に、言い換えると第、第2隙間の方へ延びる。
以上から、前記発明によれば、熱膨張の量の違いを吸収でき、歪みの発生を回避できる。
燃料電池システム1は、さらに原燃料供給装置(燃料ガスポンプを含む)2、酸化剤ガス供給装置(空気ポンプを含む)3、水供給装置(水ポンプを含む)4、脱硫器5及び制御装置6を備える。
そのほか、原燃料ガスの供給流路上及び酸化剤ガスの供給流路上には、流量調整弁7,8が設けられており、供給量が適宜調整される。
積層される固体酸化物形の燃料電池スタック12を備える。なお、本実施形態では、燃料電池モジュール10を鉛直方向に積層しているが、特に限られることなく、水平方向に積層してよい。
燃料電池のアノード電極では、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が電解質の前記アノード電極側に供給される。
燃料電池スタック12には、さらに各燃料ガス流路の入口側に一体に連通する燃料ガス入口連通孔12b、及び燃料ガス流路の出口側に一体に連通する燃料排ガス出口連通孔12dが設けられる。
また、蒸発器21、改質器22、第1熱交換器23、排ガス燃焼器24、起動用燃焼器25及び第2熱交換器は、一体化(ユニット化)されている(図2参照)。
そのほか、蒸発器21、改質器22、第1熱交換器23、排ガス燃焼器24、起動用燃焼器25及び第2熱交換器を総称してBOP20と称する。
改質器22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12に供給される燃料ガスを生成する。
そして、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔12bに接続する燃料ガス供給管13bを介して燃料電池スタック12の各燃料ガス流路に供給される。
なお、燃料排ガスと酸化剤排ガスは、燃料排ガス出口連通孔12dに接続する燃料排ガス排出管13dと、酸化剤排ガス出口連通孔12cに接続する酸化剤排ガス排出管13cとを介して排ガス燃焼器24に供給される。
そして、昇温した酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔12aに接続する酸化剤ガス供給管13aを介して燃料電池スタック12の各酸化剤ガス流路に供給される。
第2熱交換器は、燃焼ガスとの熱交換により酸化剤ガスを昇温させる。そして、昇温した酸化剤ガスは、第1熱交換器23及び酸化剤ガス供給管13aを介して燃料電池スタック12の各酸化剤ガス流路に供給されて、燃料電池スタック12を暖機する。
なお、放熱回収用筐体30内において、燃料電池スタック12の下方にBOP20が位置するように、燃料電池モジュール10が配置されている。
放熱回収用筐体30は、底壁部31、前壁部32、後壁部33、左壁部34、右壁部35及び上壁部36を備える(図3、図4参照)。
このため、燃料電池スタック12の作動時、底壁部31、前壁部32、後壁部33、左壁部34、右壁部35及び上壁部36は、燃料電池モジュール10(特に燃料電池スタック12)の放熱エネルギーにより昇温する。
ガス流入口52には、ガス流路50内に酸化剤ガスを流入させるための開口である。なお、本実施形態のガス流入口52は、流入ポート51が形成されている
ガス流出口54は、ガス流路50を通流した酸化剤ガスを流出させるための開口である。なお、本実施形態のガス流出口54には、接続管53が接続し、この接続管53を介して酸化剤ガスがBOP20に供給される。
なお、放熱回収用筐体30の具体的な構造については後述する。
また、第1結合ブラケット41に対し、図示しない締結具により第2結合ブラケット42及び第3結合ブラケット43が結合し、燃料電池モジュール10が放熱回収用筐体30内に固定される。
このため、燃料電池スタック12の頂部と上壁部36との間には、第1隙間S1が形成されている。
同様に、BOP20の底部と底壁部31との間には、第2隙間S2が形成されている。
以上から、燃料電池スタック12の作動時、燃料電池スタック12は、支持される第2結合ブラケット42を基準に上方に熱膨張し(図2の矢印A1参照)、第1隙間S1が狭くなる。
一方で、BOP20は第3結合ブラケット43を基準に下側に熱膨張し(図2の矢印A2参照)、第2隙間S2が狭くなる。
図3、図4に示すように、放熱回収用筐体30は、上方に向って開口する有底矩形筒状の本体部60と、本体部60の開口を覆う平面視矩形状の蓋部80と、本体部60内及び蓋部80内に設けられてガス流路50を設定する仕切り部90とを備える。
本体部60は、有底矩形筒状の内壁部61と、内壁部61と離間した状態で内壁部61の外側を囲む有底矩形筒状の外壁部62と、を備える2重構造になっている。
このため、本実施形態の底壁部31、前壁部32、後壁部33、左壁部34及び右壁部35のそれぞれには、酸化剤ガスが流入可能なガス空間が形成されている。
そのほか、説明の都合上、底壁部31内のガス空間を底壁ガス空間71と称する。
前壁部32内のガス空間を前壁ガス空間72と称する。
後壁部33内のガス空間を後壁ガス空間73と称する。
左壁部34内のガス空間を左壁ガス空間74と称する。
右壁部35内のガス空間を右壁ガス空間75と称する。
蓋部80は、本体部60の開口を閉塞する平板状の底板81と、底板81の周端に沿って延びる環状の側壁82と、側壁82の上方を閉塞する図示しない上板を備える。これにより、上壁部36内には、上壁ガス空間76が形成されている。
そのほか、蓋部80は、本体部60のガス空間の上方(内壁部61と外壁部62との間の上方)を閉塞している。
そして、水平部93aには、第1仕切り部材91の前端部91a及び第2仕切り部材92の前端部92aが当接している。
このため、流出部ガス空間71Bと前壁ガス空間72とは、水平部93aに仕切られ、連続していない。同様に、流入部ガス空間71Aと前壁ガス空間72とは、水平部93aにより仕切られ、連続していない。
一方で、水平部94aは、第1仕切り部材91と第2仕切り部材92との間を延在していないため、流出部ガス空間71Bと後壁ガス空間73とは連続している。
第5仕切り部材95の上端95aは、内壁部61の右鍔部61aに当接している。
また、第5仕切り部材95の下部側が切り欠かれている。このため、前壁ガス空間72と右壁ガス空間75とを連通させる第2連通口102が形成されている。
また、蓋部80において、底板81の右縁部の後側には、第3連通口103が形成されている。このため、右壁ガス空間75と上壁ガス空間76とは、第3連通口103を介して連続している。
第6仕切り部材96の上端96aは、内壁部61の後鍔部61bに当接している。
第6仕切り部材96の下端96bは、第2仕切り部材92の後端92bに当接している。このため、後壁ガス空間73と右壁ガス空間75とは、第6仕切り部材96により仕切られ、連続していない。
また、蓋部80において、底板81の後縁側には、第4連通口104が形成されている。このため、上壁ガス空間76と後壁ガス空間73とは、第4連通口104を介して連続している。
第7仕切り部材97の前端は、側壁82に当接していない。
第7仕切り部材97の後端は、側壁82に当接している。
このため、上壁ガス空間76は、第3連通路から103から第4連通口104に向って略U字状の径路になっている。
図4に示すように、まず、酸化剤ガスは、流入ポート51を介して流入部ガス空間71A内に入り込み、左壁ガス空間74の下部側に流れる(矢印B1参照)。
つぎに酸化剤ガスは、左壁ガス空間74の下部から上方へ向って流れ(矢印B2参照)、第1連通口101を通過して前壁ガス空間72内に入る(矢印B3参照)。
以上から、BOP20には、高温に昇温した酸化剤ガスが供給されるようになる。
例えば、放熱回収用筐体30内に断熱材を充填してもよい。
また、本実施形態では、排ガス燃焼器24のガスバーナー24aのみが放熱回収用筐体30に支持されるようになっているが、起動用燃焼器25のガスバーナー(不図示)も放熱回収用筐体30に支持されるように構成してもよい。
さらに、放熱回収用筐体30に収容されたBOP20は、水蒸気改質型であったが、部分酸化型や、水蒸気改質型と部分酸化型との両方を備えたものであってもよく、特に限定されない。
10 燃料電池モジュール
12 燃料電池スタック
20 BOP(Balance of plant)
24 排ガス燃焼器
24a ガスバーナー
24b フランジ
30 放熱回収用筐体(燃料電池放熱回収用筐体)
40 結合ブラケット(結合部品)
50 ガス流路
52 ガス流入口
54 ガス流出口
60 本体部
80 蓋部
90 仕切り部
S1 第1隙間
S2 第2隙間
Claims (2)
- 複数の壁部で構成され、内部に燃料電池モジュールを収容し前記燃料電池モジュールから放出される熱エネルギーを回収する燃料電池放熱回収用筐体であって、
前記壁部内に設けられたガス流路と、
前記ガス流路に酸化剤ガスを流入させるガス流入口と、
前記ガス流路を通流した前記酸化剤ガスを流出させるガス流出口と、
を備え、
前記ガス流入口、前記ガス流路及び前記ガス流出口を通流し前記酸化剤ガスが前記燃料電池モジュールに供給されることを特徴とする燃料電池放熱回収用筐体。 - 請求項1に記載の燃料電池放熱回収用筐体と、
燃料電池スタックと周辺機器ユニットとを有し、前記燃料電池放熱回収用筐体内に収容される燃料電池モジュールと、
前記燃料電池放熱回収用筐体と前記燃料電池モジュールとを結合する結合部品と、
を備え、
前記燃料電池スタックの下方に前記周辺機器ユニットが配置され、
前記結合部品は、前記燃料電池放熱回収用筐体と前記燃料電池スタックの下部とを結合するとともに、前記燃料電池放熱回収用筐体と前記周辺機器ユニットの上部とを結合し、
前記燃料電池放熱回収用筐体と前記燃料電池スタックの頂部との間には、第1隙間が形成され、
前記燃料電池放熱回収用筐体と前記周辺機器ユニットの底部との間には、第2隙間が形成されていることを特徴とする燃料電池システム。
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