JP2020087678A - セルスタック装置および燃料電池モジュール、燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した発電出力を得ることができるセルスタック装置および燃料電池モジュール、燃料電池装置を提供する。【解決手段】本開示のセルスタック装置１０は、燃料電池セルを複数配列してなるセルスタック１１Ａ，１１Ｂと、水蒸気により原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器１２と、改質器に原燃料と水とを供給する原燃料・水供給管５とを備える。改質器は、水蒸気を発生させる気化部と、水蒸気を原燃料と反応させて燃料ガスを生成する改質部とを含む。原燃料・水供給管５は、外管５Ａと、外管との間に隙間を設けて配置された内管５Ｂとからなり、気化部側の端部より改質器に挿入され、内管内側には水が、内管と外管の間には原燃料が流過する。そして、原燃料・水供給管５における前記内管５Ｂの水流過方向の先端部は、水導入側の後端部よりも下方に位置している。【選択図】図２

Description

本開示は、セルスタック装置とそれを備える燃料電池モジュールおよび燃料電池装置に関する。

燃料電池装置は、燃料電池モジュールの中のセルスタックの上方に改質器が配設されたセルスタック装置を備える。この改質器で、原燃料である天然ガス等の原料ガスを水蒸気改質して、水素リッチな燃料ガス（改質ガスともいう）を、セルスタックに供給している。

改質器に対する、原燃料と水の供給方法としては、原燃料と水とが分離した状態で、これらの流量を個別に制御しながら、並行して改質器の気化部に導入して混合する内部混合方式が知られている。

内部混合方式で原燃料と水とを供給する場合、外部の供給源から、原燃料供給管および水供給管により、別々の経路（流路）で原燃料と水が輸送・送給される。原燃料と水は、改質器の直前に、二重管構造（芯鞘構造）の内管と外管とを有する１本の多重管である導入管にまとめられ、収納容器や断熱材等の壁を貫通させて、改質器の気化部に導入される（特許文献１を参照）。

特開２００８−００７３４９号公報

ところで、改質器からセルスタックに供給される、改質後の燃料ガスの量と圧力（すなわち供給量）が変動してしまうと、セルスタックの発電出力の不安定化を招くおそれがある。

本開示の目的は、安定した発電出力を得ることのできるセルスタック装置および燃料電池モジュール、燃料電池装置を提供することである。

本開示のセルスタック装置は、酸素含有ガスと燃料ガスとを用いて発電を行なう燃料電池セルを複数配列してなるセルスタックと、水を蒸発させた水蒸気により原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器に原燃料と水とを供給する原燃料・水供給管と、を備え、
前記改質器は、水を蒸発させて水蒸気を発生させる気化部と、該気化部で発生させた水蒸気を原燃料と反応させて燃料ガスを生成する改質部と、を含み、
前記気化部側の端部より、前記原燃料・水供給管が挿入されており、前記原燃料・水供給管は、外管と、該外管との間に軸線方向に延びる空間を設けて配置された内管と、からなる二重管構造を有し、 前記内管に前記水が導入され、前記空間に前記原燃料が導入されるとともに、前記内管の先端部が後端部よりも下方に位置している。

また、本開示の燃料電池モジュールは、前述のセルスタック装置と、該セルスタック装置を収容する収納容器と、を備える。

また、本開示の燃料電池装置は、前述の燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを作動させるための補機と、前記燃料電池モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースと、を備える。

本開示のセルスタック装置および燃料電池モジュール、燃料電池装置によれば、改質器に対する原燃料と改質水の供給量が一定になるため、設計通りの安定した発電出力を得ることができる。

実施形態のセルスタック装置の構成を説明する斜視図である。 （ａ）は実施形態のセルスタック装置における原燃料・水供給管の内部構造を示す断面図であり、（ｂ）は継ぎ手部材に設けられた原燃料・水供給管の内管挿通用の孔を矢印Ｅ方向から見た端面図である。 実施形態のセルスタック装置における原燃料・水供給管の他の内部構造を示す断面図である。 実施形態の燃料電池モジュールおよび燃料電池の外観斜視図である。

図１に示す、実施形態のセルスタック装置１０は、燃料電池セルを複数配列してなる２個のセルスタック１１Ａ，１１Ｂと、原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器１２と、改質器１２に、原燃料である天然ガス等の水素含有ガスと原燃料改質用の水とを供給する原燃料・水供給管５と、を備える。

なお、セルスタック装置１０は、装置の主体であるセルスタック１１Ａ，１１Ｂと、燃料ガス（改質ガス）供給管１３およびマニホールド１４とともに、二点鎖線で示す収納容器１５に収容され、燃料電池モジュール（２０）を構成する。モジュールにおいて、収納容器１５内に配設される断熱材や、それにより構成される各ガスおよび気体の流路等は、図示を省略している。

原燃料・水供給管５における、改質器１２とは図示反対側の収納容器１５外側の一端には、上方から垂下する原燃料配管３と下方から立ち上がる改質水配管４とを接続して、流過方向を９０度曲げるための継ぎ手部材２が配設される。一体となった原燃料・水供給管５と継ぎ手部材２とを総称して、原燃料・水導入部材１と呼ぶ場合がある。継ぎ手部材２を使用せず、改質水配管４を原燃料配管３に直接挿入して、二重管としてもよい。

改質器１２は、水を蒸発させて水蒸気を発生させる気化部１２ａと、気化部１２ａで発生させた水蒸気を原燃料ガスと反応させて燃料ガス（改質ガス）を生成する改質部１２ｂと、を含む。先に述べた原燃料・水供給管５（原燃料・水導入部材１）は、図示右側の気化部１２ａ側の端部より、改質器１２に挿入される。

なお、図１を含む以降の図において、原燃料ガス（黒塗り矢印で表示）は図示上方から流下して導入部材１に導入され、改質水（白抜き矢印で表示）は図示下方から流過して導入部材１に導入されるものとし、原燃料・水供給管５における、図示右側の原燃料および水の導入側の一端を「後端」と呼び、図示左側の、改質器１２内に挿入されて原燃料および水が導出（吐出）される他端を「先端」と呼ぶ。

図２（ａ）および図２（ｂ）は、原燃料・水供給管５における二重管構造を説明する図であり、図３は、その変形例の構造を説明する図である。

図２（ａ）に示す、原燃料・水供給部材１は、先にも述べたように、異なる方向から供給される２つの流体、すなわち、気体である原燃料ガスと、液体である改質水とを、１つの流過方向に揃えて流過させ、図示左側に位置する改質器１２（図示省略）に供給するものである。

原燃料・水供給管５は、外管５Ａと、外管５Ａとの間に軸線方向に延びる空間を設けて配置された内管５Ｂと、からなる二重管構造を有し、内管５Ｂの内側に設けられた水流路Ｗに、改質水が導入され、内管５Ｂと外管５Ａとの間に形成されたガス流路Ｇに、原燃料ガスが導入される。

そして、図２（ａ）および図３の断面図に示すように、本実施形態のセルスタック装置１において、原燃料・水供給管５は、その内管５Ｂの図示左側の先端部（改質器１２への挿入側）が、後端部（ガス・水の導入側）よりも下方に位置する。

これは、図示左側に位置する内管５Ｂの先端から吐出された水（改質水）が、原燃料・水供給管５内を図示右側方向に逆流して、外管５Ａの後端部側の原燃料・水供給部材１内（ガス流路Ｇ内）に溜まるもしくは滞留するのを抑制するためである。この構成により、二重管構造を備える原燃料・水供給管５でも、水や改質水を、改質器１２の気化部１２ａに向かってスムーズに流過させることができる。

したがって、以上の構成を備えるセルスタック装置１は、原燃料・水供給管５内に溜まった改質水が、塊となって改質器１２に導入されて突沸し、一度に多くの水蒸気が供給されたり、またその突沸と突沸の間に水蒸気の供給が滞ってしまう等、水蒸気の脈動現象の発生を、抑制することができる。その結果、実施形態のセルスタック装置１およびそれを備える燃料電池モジュール、燃料電池装置は、改質器１２に対する原燃料と改質水の供給量が一定になるため、設計通りの安定した発電出力を得ることが可能になる。

なお、前述の、二重管構造の原燃料・水供給管５において、その内管５Ｂの先端部（水吐出側）を後端部（水の導入側）よりも下方に配置する構成は、他の内管５Ｂ形状によっても実現できる。

たとえば、図３に示すように、内管５Ｂをその途中で下方に折れ曲がるまたは湾曲する形状として、改質器１２側の先端部（水吐出側）を、後端部よりも下側に配置してもよい。

また、改質器１２側の先端部を、後端部よりも下側に配置する場合、内管５Ｂ全体を、その一部が内管５Ｂ内周面の天面（上面でかつ内径上側）に一旦当接してから、改質器１２側の先端部（水吐出側）が底面（内径下側）に接触する、湾曲または折れ曲がり形状としてもよい。

前述の図３に記載の内管５Ｂの形状によっても、図２（ａ）に記載の原燃料・水供給管５と同様、改質水が、供給管５（導入部材１またはガス流路Ｇ）内に滞留するのを抑制することができる。したがって、これらの構成によっても、改質器１２に対する原燃料と改質水の供給量（時間あたり供給量）が安定するため、結果、安定した発電出力を得ることができるようになる。

つぎに、図２（ａ）における、外管５Ａに対する内管５Ｂの挿入接続部分（後端部）に着目して、原燃料・水導入部材１（継ぎ手部材２）の構造を説明する。継ぎ手部材２側の接続部分には、図２（ｂ）に示すような凹部２ｂが形成され、この凹部２ｂの中央に形成された軸線方向の貫通孔（内管挿通孔２ａ）に、前述の内管５Ｂが挿通されている。

また、前述の継ぎ手部材２の凹部２ｂと、内管５Ｂの部材外部構造との間には、ろう材または銀ろう材等の溶接材Ｒが、加熱溶融を用いて充填されている。それにより、これら凹部２ｂと内管５Ｂの間、および、内管５Ｂと内管挿通孔２ａとの間が、密封されている。なお、上述の密封部位は、本開示における密封部の一例である。

なお、前述の凹部２ｂを、図２（ａ）における矢印Ｅ側、すなわち、内管５Ｂ挿入方向に沿って、原燃料および水の導入側の後端側から見た場合、図２（ｂ）のように、先端側に位置する、内管挿通孔２ａが設けられた凹部２ｂ底面の開孔径である内径は、後端側に位置する、凹部２ｂの外縁開口径である外径（外側縁部の直径）より小さい。

すなわち、前述の凹部２ｂは、図２（ａ）の断面で見た場合、開口縁部から凹部２ｂ底面に向かって開口径の徐々に小さくなる、いわゆる、すり鉢形状に形成されているため、この部位（凹部内）に対するロウ付け作業を、容易にかつ強固に行なうことができるようになっている。

なお、上述のロウ付けを延設して、図２（ａ）に示す溶接材Ｒ２のように、継ぎ手部材２の外で折れ曲がる内管５Ｂ（外側では改質水配管４と呼んでいる）と、継ぎ手部材２との間を、ロウ付けしてもよい。これにより、内管５Ｂを外管５Ａ（継ぎ手部材２）に挿入する際の作業や仕上がり具合に関わらず、内管５Ｂ（改質水配管４）を強固に固定することができる。

したがって、以上の内管固定方法と相俟って、改質器１２からセルスタック１１Ａ，１１Ｂに供給される燃料ガス（改質ガス）の量が安定するため、この構成を有する実施形態のセルスタック装置１およびそれを備える燃料電池モジュール、燃料電池装置は、安定した発電出力を得ることができる。

以上、実施形態のセルスタック装置について詳細に説明したが、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

たとえば、セルスタックの形状は、列状のものに限られるものではなく、他の配列のセルスタックを有するセルスタック装置に適用してもよい。また、燃料電池モジュールの収納容器１５も、収容するセルスタック装置の形状（外形）に合う、他の形状であってもよい。

つぎに、図４は、本実施形態の燃料電池装置３０の構成の一例を示す透過斜視図である。図４に示す燃料電池装置３０は、支柱２２と外装板２３とから構成される外装ケース２１内を、仕切板２４により上下に区画したものである。仕切板２４より上側が、燃料電池モジュール２０の収納容器１５を収容するモジュール収納室２５、下側が燃料電池モジュール２０を動作させるための補機類を収容する補機収納室２６である。なお、補機類の図示は省略している。

このような燃料電池装置では、上述したような燃料電池モジュール２０を外装ケース２１内に収容することにより、発電効率の向上した燃料電池装置３０とすることができる。

また、本実施形態の燃料電池装置３０は、前述のセルスタック装置１０を包含する燃料電池モジュール２０を備えるため、設計通りの安定した発電出力を得ることができる、信頼性の高い燃料電池装置とすることができる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

たとえば、上記実施形態では、２個（２列）のセルスタックの上方に１個の改質器を配置したセルスタック装置を備える形態について説明したが、１個または３，４個、あるいはそれ以上の個数のセルスタック（列）の上方に改質器を配置したセルスタック装置でもよい。

改質器は、実施形態のようなＵ字形の他、Ｗ字形のミアンダ型、ストレート状（棒状）のＩ字形等としてもよい。改質器内の水蒸気・ガス流路の断面形状や、気化部および改質部の配置は、セルスタック列の個数や配置等に合わせて、適宜変更できる。

さらに、１個のマニホールドに２個のセルスタックを配置した形態について説明したが、１個のマニホールドに１個のセルスタックを配置してもよく、また、１個のマニホールドに３個以上のセルスタックを配置してもよい。

１ 導入部材
２ 継手部材
５ 原燃料・水供給管
５Ａ 外管
５Ｂ 内管
１０ セルスタック装置
１２ 改質器
２０ 燃料電池モジュール
３０ 燃料電池装置

Claims (6)

1. 酸素含有ガスと燃料ガスとを用いて発電を行なう燃料電池セルを複数配列してなるセルスタックと、水を蒸発させた水蒸気により原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器に原燃料と水とを供給する原燃料・水供給管と、を備え、
   前記改質器は、水を蒸発させて水蒸気を発生させる気化部と、該気化部で発生させた水蒸気を原燃料と反応させて燃料ガスを生成する改質部と、を含み、
   前記気化部側の端部より、前記原燃料・水供給管が挿入されており、
   前記原燃料・水供給管は、外管と、該外管との間に軸線方向に延びる空間を設けて配置された内管と、からなる二重管構造を有し、
   前記内管に前記水が導入され、前記空間に前記原燃料が導入されるとともに、前記内管の先端部が後端部よりも下方に位置している、セルスタック装置。
2. 前記内管の先端部が、該外管の内周面の下部に接する、請求項１に記載のセルスタック装置。
3. 前記外管は、原燃料導入側の後端部に、開口を密封する密封部を備え、
   該密封部は、前記内管挿通用の内管挿通孔と、該内管挿通孔の周囲に位置する、軸線方向先端側に向かって凹部とを有し、
   前記内管挿通孔に挿通された内管と前記密封部の凹部との間に、密封用の溶接材を有する、請求項１または２に記載のセルスタック装置。
4. 前記凹部が、先端側の径が後端側の径よりも小さい、請求項３に記載のセルスタック装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載のセルスタック装置と、該セルスタック装置を収容する収納容器と、を備える燃料電池モジュール。
6. 請求項５に記載の燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを作動させるための補機と、前記燃料電池モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースと、を備える燃料電池装置。

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