JP2018018699A - 固体酸化物形燃料電池装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う複数の燃料電池セルを備えた固体酸化物形燃料電池装置であって、水平方向に延在する蒸発面としての第1の底面143A1を有し、供給された水から改質器に供給するための水蒸気を生成する蒸発室を備え、蒸発室には、粒状の伝熱部材192Aが充填された充填部192が形成され、充填部192の下流側には、伝熱部材192Aが充填されておらず、伝熱部材192Aの間を通過した水を遮断することにより、蒸発室の外部への漏水を抑制する漏水抑制部191が形成されている。
【選択図】図7
Description
上記構成の本発明によれば、水蒸気の出口が漏水抑制部の側壁上方に設けられているため、漏水抑制部に到達した水が出口に向かうことを防止し、より確実に蒸発室の下流に水が漏水するのを防止できる。
上記構成の本発明によれば、充填部は、漏水抑制部よりも蒸発面の表面積が広く形成されており、さらに、充填部に伝熱部材をより多く充填することができるため、充填部での水の蒸発をより促進することができる。また、充填部が広くなるため、水の供給口から漏水抑制部までの距離が大きくなり、漏水抑制部まで到達するまでにより確実に水を蒸発させることができる。
上記構成の本発明によれば、毛細管現象により伝熱部材の間を通過した水は、水誘導手段により確実に漏水抑制部に誘導される。これにより、より確実に水の蒸発室の下流への漏水を防止できるとともに、伝熱部材の保持を実現できる。
上記構成の本発明によれば、水誘導手段に到達した水は、下方に延びる水誘導手段により蒸発面である漏水抑制部の底面に誘導されるため、より蒸発が促進される。また、漏水抑制部の入口が底部に形成され、出口が上方に設けられているため、より確実に水の蒸発室の下流への漏水を防止できる。
上記構成の本発明によれば、充填部に伝熱部材を保持しつつ、漏水抑制部に水を通過させることができる。
伝熱部材の粒径が1mm未満であると、充填部の圧力損失が過大になり、スムーズな原燃料ガスの流通が妨げられる。また、伝熱部材の粒径が5mmを超えると、伝熱部材の熱容量が大きくなりすぎてしまい、効率のよい蒸発が妨げられる。これに対して、上記構成の本発明によれば、充填部の圧力損失が過大になることなく、効率のよい蒸発を実現できる。
上記構成の本発明によれば、蒸発室内における水との接触面積が大きくなるため、より効率良く水を蒸発させることができ、水の蒸発室の下流への漏水を防止できる。
上記構成の本発明によれば、蒸発室容器で水誘導手段を構成することができるため、別途部材を用意する必要がなくなる。
図1は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置(SOFC)を示す全体構成図である。
図1に示すように、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置(SOFC)1は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。
燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備え、このハウジング6内部には、断熱材7を介して金属製のモジュール容器8(以下では適宜「モジュールケース」と呼ぶ。)が内蔵されている。この密閉空間であるモジュールケース8の下方部分である発電室10には、燃料ガスと酸化剤ガス(以下では適宜「発電用空気」又は「空気」と呼ぶ。)とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体12が配置されている。この燃料電池セル集合体12は、8個の燃料電池セルスタック14(詳細は図11で後述する)を備え、この燃料電池セルスタック14は、各々が燃料電池セルを含む、16本の燃料電池セルユニット16(詳細は図12で後述する)から構成されている。この例では、燃料電池セル集合体12は、128本の燃料電池セルユニット16を有する。なお、ハウジング6は必須ではなく、断熱材7を保持するようなフレームを用いてもよい。燃料電池セル集合体12は、複数の燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されている。
なお、本実施形態では、装置の起動時に改質器120内において、部分酸化改質反応(POX)のみが生じるPOX工程から、部分酸化改質反応(POX)と水蒸気改質反応(SR)が混在したオートサーマル改質反応(ATR)が生じるATR工程を経て、水蒸気改質反応のみが生じるSR工程が行われるように構成してもよいし、POX工程を省略してATR工程からSR工程に移行されるように構成してもよいし、POX工程及びATR工程を省略してSR工程のみが行われるように構成してもよい。なお、SR工程のみが行われる構成では、改質用空気流量調整ユニット44は不要である。
図2は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図3は、図2のIII−III線に沿った断面図であり、図4は、モジュールケース及び空気通路カバーの分解斜視図である。なお、図2、3ではハウジングは省略している。
蒸発器140は、上面視で略矩形の箱状の蒸発器ケース141(図2、図3)を有している。この蒸発器ケース141は、第1の容器143と、第1の容器の143の下方に重ね合わされた第2の容器144と、第1の容器143の上部を塞ぐ天板142とにより構成されている。
プレートフィン155は、一枚の金属製プレートを加工して製造されている。プレートフィン155は、板状の本体部155Aと、下方に突出する第1の突出部155Bと、上方に突出する第2の突出部155Cとを有する。
ガス排出部120Cでは、燃料ガスが燃料ガス供給管64、及び、水添脱硫器用水素取出管65へ排出される。
図10は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図10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の両端部にそれぞれ接続されたキャップである内側電極端子86とを備えている。
図11は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図11に示すように、燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16を備え、これらの燃料電池セルユニット16は、8本ずつ2列に並べて配置されている。
各燃料電池セルユニット16は、下端側がセラミック製の長方形の下支持板68(図2参照)により支持され、上端側は、両端部の燃料電池セルユニット16が4本ずつ、概ね正方形の2枚の上支持板100により支持されている。これらの下支持板68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。
図12は、図2と同様の、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図13は、図3と同様の、図2のIII−III線に沿った断面図である。なお、図12及び図13は、それぞれ、図2及び図3中にガスの流れを示す矢印を新たに付加した図である。図中、実線矢印は燃料ガスの流れ、破線矢印は発電用空気の流れ、一点鎖線矢印は排気ガスの流れを示す。
さらに、燃料ガスは、ガス排出部120Cから燃料ガス供給管64と水添脱硫器用水素取出管65とに分岐する。そして、燃料ガス供給管64に流入した燃料ガスは、燃料ガス供給管64の水平部64aに設けられた燃料供給孔64bからマニホールド66内に供給され、マニホールド66から各燃料電池セルユニット16内に供給される。
上記の実施形態によれば、供給された水が毛細管現象により伝熱部材192Aが充填された充填部192を蒸発することなく通過したとしても、漏水抑制部191には伝熱部材が充填されていないため、漏水抑制部191では毛細管現象による水の移動が起こらない。このため、漏水抑制部191により蒸発室150外への漏水が抑制されるため、水を確実に蒸発室150内で蒸発させ、突沸の発生を抑制することができる。
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
6 ハウジング
7 断熱材
8 モジュールケース
8a 天板
8b 側板
8c 底板
8d 閉鎖側板
8e 閉鎖側板
8f 吹出口
10 発電室
12 燃料電池セル集合体
14 燃料電池セルスタック
16 燃料電池セルユニット
18 燃焼室
24 水供給源
26 純水タンク
28 水流量調整ユニット
30 燃料供給源
32 ガス遮断弁
36 脱硫器
38 燃料流量調整ユニット
39 バルブ
40 空気供給源
42 電磁弁
44 改質用空気流量調整ユニット
45 発電用空気流量調整ユニット
50 温水製造装置
52 制御ボックス
54 インバータ
62 水供給配管
63 原料供給配管
64 燃料ガス供給管
64a 水平部
64b 燃料供給孔
65 水添脱硫器用水素取出管
66 マニホールド
68 下支持板
74 発電用空気導入管
82 排気ガス排出管
83 点火装置
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 燃料ガス流路細管
100 上支持板
102 集電体
102a 燃料極用接続部
102b 空気極用接続部
104 外部端子
111 排気口
112 混合ガス供給管
120 改質器
120A 混合ガス受入部
120B 改質部
120C ガス排出部
120a 混合ガス供給口
120b 貫通孔
121 上側ケース
122 下側ケース
123a 仕切り板
123b 仕切り板
130 排気ガス誘導部材
131 下部誘導板
131a 凸状段部
132 上部誘導板
132a 凹部
133 連結板
135 ガス溜
140 蒸発器
141 蒸発器ケース
142 天板
143 容器
143A1 底面
143A2 底面
143B 側壁
143C 鍔部
144 容器
144A 底面
144B 側壁
144C 鍔部
147 隔壁
147A 凹部
147B 側壁
147C 上面
147D 空間
150 蒸発室
151 混合室
152 仕切り部材
152A 上面
152B 側壁部
152C 基部
152D 開口部
153A 第1の空間
153B 第2の空間
153C 第3の空間
154 排気室
155 プレートフィン
155A 本体部
155B 突出部
155B1 傾斜部
155B2 連結部
155B3 通過穴
155B4 突起部
155C 突出部
155C1 傾斜部
155C2 連結部
155C3 通過穴
156 連続溝
157 ヒータ
158A 第1の重なり部
158B 第2の重なり部
160 空気通路カバー
160a 天板
160b 側板
161a 空気通路
161b 空気通路
162 プレートフィン
163 プレートフィン
167 開口部
168 開口部
170 伝熱部材
171 排気管
172 排気通路
172a 排気ガス導入口
173 排気通路
174 排気通路
175 プレートフィン
180 熱交換促進部材
180A 基部
180B 保持部
180B1 スリット
180C 傾斜部
180D 水平部
180E 立設部
181 空気層
182 第一の排気ガス流路
182A 燃焼触媒
183 第二の排気ガス流路
183A 上部空間
183B 下部空間
190 漏水抑制部材
191 漏水抑制部
191A 入口
192 充填部
192A 伝熱部材
200 燃焼触媒器
202 排気ガス放出管
206 燃焼触媒
206A 貫通孔
242 天板
247 隔壁
247A 凹部
250 蒸発室
280 熱交換促進部材
280A 基部
280C 鉛直面
280D 水平部
290 漏水抑制部材
300 筐体
383 排気ガス流路
Claims (10)
- 燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う複数の燃料電池セルを備えた固体酸化物形燃料電池装置であって、
前記複数の燃料電池セルが内部に設けられたモジュール容器と、
前記複数の燃料電池セルの上方において、前記燃料電池セルからのオフガスを燃焼して排気ガスを生成する燃焼部と、
前記モジュール容器内で、水蒸気と原燃料ガスとによる改質反応で燃料ガスを生成する改質器と、
水平方向に延在する蒸発面を有し、供給された水から前記改質器に供給するための前記水蒸気を生成する蒸発室と、を備え、
前記蒸発室には、粒状の伝熱部材が充填された充填部が形成され、
前記充填部の下流側には、前記伝熱部材が充填されておらず、前記伝熱部材の間を通過した水を遮断することにより、前記蒸発室の外部への漏水を抑制する漏水抑制部が形成されている、固体酸化物形燃料電池装置。 - 前記漏水抑制部の側壁上方に前記水蒸気の出口が設けられている、
請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池装置。 - 前記蒸発室を構成する蒸発室容器は前記モジュール容器の外側、かつ、断熱材の内側に配置され、
前記蒸発面では、前記モジュール容器から排出された排気ガスが流通する排気ガス流路と、前記供給された水との間で熱交換が行われる、
請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池装置。 - 前記充填部は、前記漏水抑制部よりも前記蒸発面の表面積が広くなるように構成されている、
請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池装置。 - 前記蒸発室内には、前記伝熱部材を保持し、かつ、前記水を前記漏水抑制部に誘導する水誘導手段が設けられている、
請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池装置。 - 前記水誘導手段は前記蒸発室の天面から下方に延びており、
前記漏水抑制部の入口は、前記漏水抑制部の底面と、前記水誘導手段との間に形成されている、
請求項5に記載の固体酸化物形燃料電池装置。 - 前記漏水抑制部の入口の高さは、前記伝熱部材の粒径よりも小さい、
請求項6に記載の固体酸化物形燃料電池装置。 - 前記伝熱部材の粒径は、1mm以上、かつ、5mm以下である、
請求項7に記載の固体酸化物形燃料電池装置。 - 前記蒸発室内における少なくとも漏水抑制部の内壁面には、粗面処理が施されている、
請求項6に記載の固体酸化物形燃料電池装置。 - 前記水誘導手段は、前記蒸発室容器の天面と同一部材で一体形成されている、
請求項6に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
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