JP2019164895A - 燃料電池用装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は本発明の実施形態による燃料電池用装置の概略構成を示す図である。本実施形態による燃料電池用装置は、発電反応を行う燃料電池セルスタックに接続されており、燃料電池セルスタックに、原燃料ガスを改質した燃料ガス、及び加熱した酸化剤ガスである酸化剤ガスを供給する。
図2は、本実施例による燃料電池用装置を備えた燃料電池装置を示す斜視図である。図3は、図2の燃料電池装置の燃料電池用装置を示す幅方向の鉛直断面図である。図4は、図3に示す燃料電池用装置の奥行き方向断面図である。図5は、図3におけるV−V断面図である。図6は、図3におけるVI−VI断面図である。図7は、本実施例による燃料電池用装置の内部を示す断面斜視図である。
図2に示すように、本実施例による燃料電池装置20は、燃料電池用装置1と、蒸発器22と、燃料電池セルスタック24とを備える。
即ち、各燃料電池セル24aは、酸化物イオン導電体で構成された平板状の電解質の両面に、燃料極及び空気極(酸化剤ガス極)の電極を夫々設けることにより構成され、各燃料電池セル24aの間にはセパレータが配置されている(以上、図示せず)。また、積層された複数の燃料電池セル24aの上端にはトップエンドプレート26aが配置され、下端にはボトムエンドプレート26bが配置されている。このように複数の燃料電池セル24aを積層して得られた燃料電池セルスタック24の内部には、各燃料電池セル24aに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給通路(図示せず)と、酸化剤ガスである酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給通路(図示せず)が形成されている。また、燃料電池セルスタック24の上部及び底部からは、発電された電力を取り出すための2本のバスバー24bが夫々延びている。
図2に示すように、燃料電池用装置1は、金属製のハウジング2によって囲まれた直方体状の箱形に形成されており、その上面には発電用の酸化剤ガスである酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給パイプ42が接続されている。また、上述したように、ハウジング2の上面には排気ガス配管34と混合ガス導管36の二重管(図3)、底面には、外部燃料供給配管8a、外部燃料排出配管12b、外部酸化剤ガス供給配管10b、及び外部酸化剤ガス排出配管14bが接続されている。また、ハウジング2の一方の側面には、ハウジング2の壁面を貫通するように、点火用のセラミックヒータ44が取り付けられている。
図3に示すように、燃料電池用装置1を形成するハウジング2の内部には、改質器4と、燃焼器6を収容する密閉空間が形成されている。
改質器4は、上面視で長方形の断面を有し、中央に幅方向に延びる貫通孔(開口部)4aが設けられた金属製の環状容器であり、その一端部には混合ガスを導入するための混合ガス導管36が接続され、他端部には改質された燃料ガスを流出させる内部燃料供給配管8b(図3)が接続されている。内部燃料供給配管8bの先端は、外部燃料供給配管8aに接続されている。蒸発器22からハウジング2内に延びる混合ガス導管36は、ハウジング2内で90度屈曲され、水平方向に延びた後、鉛直下方に向けて90度屈曲して、改質器4の天井面に接続されている。改質器4内部の混合ガス導管36が接続される側の端部には、入口側仕切板46aが設けられている。入口側仕切板46aは鉛直断面形状がV字型で奥行き方向に延びる部材であり、一方の面が改質器4の底面に当接し、他方の面が改質器4内を斜めに延びて改質器4の天面まで到達している。これにより、改質器4内の混合ガス導管36が接続された部分の空間が仕切られている。入口側仕切板46aの他方の面には複数のスリットが形成されており、上流側の空間と下流側の空間とが流体が流通可能に接続されている。
図4に示すように、ハウジング2はその壁面の一部が二重壁構造に構成されており、この二重壁の内側に酸化剤ガスが流通する内部酸化剤ガス流路52が形成されている。内部酸化剤ガス流路52に発電用の酸化剤ガスを流すことにより、燃焼器6が生成した燃焼ガスで内部を流れる酸化剤ガスを加熱している。内部酸化剤ガス流路52及び外部酸化剤ガス供給配管10bにより、酸化剤ガスを燃料電池セル24aに供給するための酸化剤ガス流路10が構成される。内部酸化剤ガス流路52は、ハウジング2の上面の一部に沿う上面部10dと、長手方向の側壁面の一部に沿う側面部10cと、底壁面の一部に沿う延在部10aとにより構成される。内部酸化剤ガス流路52の延在部10aは燃焼器6の下方に水平方向に延在しており、側面部10cの下端部に接続されている。側面部10cは側壁面に沿って上下方向に延びており、上端部が上面部10dに接続されている。上面部10dは上面に沿って水平方向に延びている。これら内壁板2aと外壁板2bの間の内部酸化剤ガス流路52には、伝熱用のフィン50が配置されており、内壁板2aの熱が内壁板2aと外壁板2bの間の空間に効率良く伝わるようになっている。従って、内壁板2a、外壁板2b、及び伝熱用のフィン50は、供給された酸化剤ガスである酸化剤ガスを、燃焼器6によって生成された燃焼ガスにより加熱して燃料電池セルスタック24に供給する酸化剤ガス熱交換器として機能する。
まず、燃料電池装置20の起動時においては、原燃料ガス供給配管30を介して燃料電池用装置1の蒸発器22に原燃料ガスが供給されると共に、水供給用配管28を介して蒸発器22に水が供給される。また、酸化剤ガス供給パイプ42を介して発電用の酸化剤ガスが燃料電池用装置1のハウジング6の上壁面を構成する内壁板2aと外壁板2bの間の内部酸化剤ガス流路52に供給される。蒸発器22に供給された水は蒸発器22の蒸発室40aで加熱されて水蒸気となる。また、蒸発器22に供給された原燃料ガスは混合室40bにおいて水蒸気と混合されて混合ガス導管36に流入し、さらに、改質器4の中に流入する。改質器4に流入した原燃料ガスは、水蒸気を用いて改質触媒により燃料ガスに改質され、内部及び外部燃料供給配管8b、8aを通って燃料電池セルスタック24の内部に流入する。なお、燃料電池装置20の起動初期においては、改質器4の温度が低いため、原燃料ガスを改質する反応は発生しない。
残余酸化剤ガス供給流路に、残余酸化剤ガスを複数の燃焼口16に導く残余酸化剤ガス誘導手段としての残余酸化剤ガス噴出口48bが設けられているため、各燃焼口16に安定して残余酸化剤ガスが供給される。これにより、燃焼器6の燃焼安定性を向上することができ、さらに、燃焼器6による発熱の熱利用効率を向上し、改質触媒の加熱ムラによる劣化を抑制できる。
図8は、本発明の第2実施例の燃料電池用装置を有する燃料電池装置を示す鉛直断面図である。また、図9は、本発明の第2実施例の燃料電池用装置を有する燃料電池装置を示す水平断面図である。第2実施例では、残余酸化剤ガス誘導手段として、燃焼器106を鉛直方向に貫通するように残余酸化剤ガス補助噴出口154が設けられている。
本実施例によれば、燃焼器106を鉛直方向に貫通する残余酸化剤ガス補助噴出口154を有することにより、燃焼器106の内側に位置する燃焼口16に対しても、残余酸化剤ガス補助噴出口154を通じて、十分に残余酸化剤ガスを供給することができる。
2 ハウジング
2a 内壁板
2b 外壁板
4 改質器
4a 貫通孔
6 燃焼器
6a 燃焼器天面
6b 燃焼領域
6c 貫通孔
8 燃料ガス供給流路
8a 外部燃料供給配管
8b 内部燃料供給配管
10 酸化剤ガス流路
10a 延在部
10b 外部酸化剤ガス供給配管
10c 側面部
10d 上面部
12 残余燃料ガス供給流路
12b 外部燃料排出配管
14 残余酸化剤ガス供給流路
14a 延在部
14b 外部酸化剤ガス排出配管
16 燃焼口
18 筐体
18a 内部空間
20 燃料電池装置
22 蒸発器
24 燃料電池セルスタック
24a 燃料電池セル
24a 平板型燃料電池セル
24b バスバー
26a トップエンドプレート
26b ボトムエンドプレート
28 水供給用配管
30 原燃料ガス供給配管
32 排気ガス排出管
34 排気ガス配管
36 混合ガス導管
38 電気ヒータ
40a 蒸発室
40b 混合室
40c 排気ガス室
40d 通路
40e フィン
42 酸化剤ガス供給パイプ
44 セラミックヒータ
46a 入口側仕切板
46b 出口側仕切板
48 残余酸化剤ガス分配板
48a 上流側残余酸化剤ガス供給流路
48b 残余酸化剤ガス噴出口
50 フィン
52 内部酸化剤ガス流路
101 燃料電池用装置
106 燃焼器
106a 燃焼器天面
118 筐体
118a 内部空間
148 残余酸化剤ガス分配板
148a 上流側残余酸化剤ガス供給流路
148b 残余酸化剤ガス噴出口
154 残余酸化剤ガス補助噴出口
Claims (10)
- 燃料電池セルに発電用の燃料ガスと酸化剤ガスとを供給するための燃料電池用装置であって、
容器と、
前記容器内に収容された少なくとも、
改質触媒が充填された充填領域を有し、前記改質触媒を用いて前記充填領域を流動する原燃料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成し、生成した前記燃料ガスを前記燃料電池セルに供給する改質器、
前記燃料電池セルの発電に使用されずに残った残余酸化剤ガスを燃焼器に供給する残余酸化剤ガス供給流路、及び
前記改質器の下方に設けられ、前記燃料電池セルの発電に使用されずに残った残余燃料ガスが供給され、前記残余酸化剤ガス供給流路を介して供給された残余酸化剤ガスを用いて、前記残余燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱する前記燃焼器と、を備え、
前記燃焼器は、供給された前記残余燃料ガスが流路する内部空間と、前記残余燃料ガスを前記内部空間から外部へ噴出させるための前記改質器と対向する複数の燃焼口が配列された燃焼器天面とを有し、
さらに、前記残余酸化剤ガス供給流路に、前記残余酸化剤ガスを前記複数の燃焼口に導く残余酸化剤ガス誘導手段を備える、ことを特徴とする、燃料電池用装置。 - 前記残余酸化剤ガス誘導手段は、前記残余酸化剤ガス供給流路を仕切り、前記複数の燃焼口に前記残余酸化剤ガスを導くための複数の残余酸化剤ガス噴出口を有する仕切り板を有する、請求項1に記載の燃料電池用装置。
- 前記複数の残余酸化剤ガス噴出口は、前記複数の燃焼口よりも下方に位置する、請求項2に記載の燃料電池用装置。
- 前記複数の残余酸化剤ガス噴出口は、上面視において前記複数の燃焼口が設けられた燃焼領域の近傍に設けられている、請求項3に記載の燃料電池用装置。
- 前記燃焼器は、鉛直方向に貫通する開口部又は切り欠き部を有する、請求項4に記載の燃料電池用装置。
- 前記残余酸化剤ガス誘導手段は、前記燃焼器を鉛直方向に貫通する残余酸化剤ガス補助噴出口を有する、請求項2から5の何れか1項に記載の燃料電池用装置。
- 前記複数の燃焼口及び前記複数の残余酸化剤ガス噴出口は、それぞれ、円形であり、
前記燃焼口の直径は、前記残余酸化剤ガス噴出口の直径よりも小さい、請求項2から5の何れか1項に記載の燃料電池用装置。 - さらに、前記容器の壁面を貫通するように設けられ、前記燃焼器に着火する着火源を備え、
前記複数の残余酸化剤ガス噴出口は、前記着火源の下方以外の領域に設けられている、請求項2から5の何れか1項に記載の燃料電池用装置。 - 前記燃料電池セルは、前記容器の外部に設けられ、
前記容器の前記残余酸化剤ガス供給流路には、前記燃料電池セルから前記残余酸化剤ガスを供給するための残余酸化剤ガス供給配管が接続され、
前記残余酸化剤ガス供給配管は、上面視において前記複数の燃焼口が設けられた燃焼領域の中心軸上で、前記残余燃料ガス供給路に接続されている、請求項2から8の何れか1項に記載の燃料電池用装置。 - 前記燃焼器には、前記燃料電池セルから前記残余燃料ガスを供給するための残余燃料ガス供給配管が接続され、
前記残余燃料ガス供給配管は、上面視において前記燃焼領域の中心軸上で、前記燃焼器に接続されている、請求項9に記載の燃料電池用装置。
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