JP2020098740A - Fuel cell module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池モジュールに関し、特に、供給された燃料ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電する燃料電池モジュールに関する。 The present invention relates to a fuel cell module, and more particularly to a fuel cell module that generates electricity by reacting a supplied fuel gas with an oxidant gas.
従来より、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電する燃料電池モジュールが広く知られている。このような燃料電池モジュールとして、特許文献1には、モジュールケースと、モジュールケースに設けられた燃料電池セルスタックと、モジュールケース内に配置され、原燃料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質部と、燃料電池セルスタックの上方で発電に使用されずに残った残余燃料ガスを燃焼させて改質部を加熱する燃焼室と、を備えた燃料電池モジュールが開示されている。特許文献1に記載された発明では、燃料電池セルから排出された残余燃料ガスを直接燃料電池セルの上方で燃焼させるセルバーナー方式が採用されている。
BACKGROUND ART Conventionally, a fuel cell module that generates power by reacting a fuel gas with an oxidant gas is widely known. As such a fuel cell module,
ここで、特許文献1に記載された燃料電池モジュールではセルバーナー方式を採用しているが、他の方式として、燃料電池セルの上部に残余燃料ガス回収用の筐体を配置し、この筐体の上部で回収した残余燃料ガスを燃焼させる方法が知られている。しかしながら、このような筐体を特許文献1に記載された発明において、燃料電池セルの上部に配置すると、筐体がモジュールケース内の空気の進路を妨げてしまい、各燃料電池セルへの均等な空気供給が困難になる。
Here, the fuel cell module described in
本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、各燃料電池セルへの均等な空気供給が可能な燃料電池モジュールを提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a fuel cell module capable of uniformly supplying air to each fuel cell.
本発明は、供給された燃料ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電する燃料電池モジュールであって、長手方向が横方向に延びるように配置された複数の燃料電池セルを備えた燃料電池セルスタックと、燃料電池セルスタックを内部空間に収容するハウジングと、燃料ガスが供給され、供給された燃料ガスを燃料電池セルに供給する燃料ガス供給部と、燃料電池セルから発電に使用されなかった残余燃料ガスが排出される燃料ガス排出部と、燃料ガス排出部に排出された残余燃料ガスが供給され、残余燃料ガスを燃焼させる燃焼部と、を備え、燃料ガス供給部及び燃料ガス排出部は、燃料電池セルスタックの側部に配置されており、燃焼部は、燃料電池セルスタックの上方に設けられている、ことを特徴とする。 The present invention is a fuel cell module for generating power by reacting a supplied fuel gas with an oxidant gas, the fuel cell having a plurality of fuel cells arranged so that their longitudinal directions extend in the lateral direction. The stack, the housing for accommodating the fuel cell stack in the internal space, the fuel gas supply section, the fuel gas supply section for supplying the supplied fuel gas to the fuel cell section, and the fuel cell section not used for power generation The fuel gas supply unit and the fuel gas discharge unit include a fuel gas discharge unit that discharges the residual fuel gas and a combustion unit that is supplied with the residual fuel gas discharged to the fuel gas discharge unit and burns the residual fuel gas. Is disposed on a side portion of the fuel cell stack, and the combustion section is provided above the fuel cell stack.
上記構成の本発明によれば、燃料ガスを燃料電池セルに供給する燃料ガス供給部、及び、燃料電池セルにおける発電に使用されなかった残余燃料ガスを回収する燃料ガス排出部が燃料電池セルスタックの側部に設けられているため、燃料ガス供給部、及び、燃料ガス排出部によりハウジング内における空気の流れが妨げられることがない。これにより、各燃料電池セルへ均等な空気供給が可能になる。さらに、本発明では、燃料電池セルが、長手方向が横方向になるように配置されているため、各燃料電池セルの長手方向に均等な空気供給を実現できる。 According to the present invention having the above-described configuration, the fuel gas supply unit that supplies the fuel gas to the fuel cell unit and the fuel gas discharge unit that recovers the residual fuel gas that has not been used for power generation in the fuel cell unit are the fuel cell stack. Since it is provided on the side portion of the housing, the fuel gas supply portion and the fuel gas discharge portion do not obstruct the air flow in the housing. As a result, it becomes possible to supply air uniformly to each fuel cell. Further, in the present invention, since the fuel cells are arranged so that the longitudinal direction is the lateral direction, it is possible to realize uniform air supply in the longitudinal direction of each fuel cell.
本発明において、好ましくは、燃料ガス供給部を構成する第1の筐体と、燃料ガス排出部とを構成する第2の筐体とが別体で設けられている。
上記構成の本発明によれば、燃料ガス供給部及び燃料ガス排出部の配置の自由度が上がり、発電効率の向上や、コンパクト化を実現できる。
In the present invention, it is preferable that the first casing that constitutes the fuel gas supply unit and the second casing that constitutes the fuel gas discharge unit are provided separately.
According to the present invention having the above configuration, the degree of freedom in arranging the fuel gas supply unit and the fuel gas discharge unit is increased, and it is possible to improve power generation efficiency and realize compactness.
本発明において、好ましくは、燃料ガス排出部を構成する筐体は、燃焼部に直接接続されている。
上記構成の本発明によれば、構成部材を削減することにより、コストの削減及び組立作業の簡略化が可能になるとともに、モジュールのコンパクト化を実現できる。
In the present invention, preferably, the casing forming the fuel gas discharge portion is directly connected to the combustion portion.
According to the present invention having the above-mentioned configuration, the cost can be reduced and the assembling work can be simplified by reducing the number of constituent members, and the module can be made compact.
本発明において、好ましくは、ハウジングは、長手方向の底面から、内部空間に収容された燃料電池セルスタックに空気を供給するための空気供給口を有する。
上記構成の本発明によれば、燃料電池セルに対して長手方向に均等に空気を供給することができる。
In the present invention, preferably, the housing has an air supply port for supplying air to the fuel cell stack stacked in the internal space from the bottom surface in the longitudinal direction.
According to the present invention having the above-described structure, it is possible to uniformly supply air to the fuel cells in the longitudinal direction.
本発明において、好ましくは、さらに、燃焼部が残余燃料ガスを燃焼させることにより加熱され、原燃料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成し、燃料ガスを燃料電池セルスタックに供給する改質部を備え、燃焼部の一部が、改質部の一部に接触している。
上記構成の本発明によれば、改質部が、燃焼部の炎や排ガスの熱伝達や輻射による伝熱のみならず、燃焼部で生じた熱が部材を介して伝熱されることにより、加熱される。これにより、改質部への燃焼熱の伝熱を改善することができる。また、部材を介した伝熱を利用することにより、排ガスの流れの乱れによる加熱に対する影響を受けにくくなる。また、上述したセルバーナー方式では、燃料電池セルの配置に応じて燃焼口の配置が決定されるが、本発明によれば燃焼部に燃焼口を自由に配列することができる。
In the present invention, preferably, the combustor is further heated by burning the residual fuel gas, reforming the raw fuel gas to generate a fuel gas containing hydrogen, and supplying the fuel gas to the fuel cell stack. The reforming section is provided, and a part of the combustion section is in contact with a part of the reforming section.
According to the present invention having the above-described configuration, the reforming section heats not only by heat transfer and radiation of the flame and exhaust gas of the combustion section, but also by the heat generated in the combustion section being transferred through the member. To be done. Thereby, the heat transfer of the combustion heat to the reforming section can be improved. Further, by utilizing the heat transfer via the member, it is less likely to be affected by heating due to the turbulence of the flow of the exhaust gas. Further, in the above-described cell burner system, the arrangement of the combustion ports is determined according to the arrangement of the fuel cells, but according to the present invention, the combustion ports can be freely arranged in the combustion section.
本発明において、好ましくは、さらに、燃焼部において残余燃料ガスを燃焼させて生じた燃焼熱により、改質部で水蒸気改質に用いられる水蒸気を生成する蒸発部を備え、改質部と蒸発部とは一体に構成されている。
上記構成の本発明によれば、改質部及び蒸発部への燃焼熱の伝熱を改善することができるとともに、構成部材を削減することにより、コストの削減及び組立作業の簡略化が可能になる。
In the present invention, preferably, the reforming part and the evaporating part further include an evaporating part for generating steam used for steam reforming in the reforming part by combustion heat generated by burning the residual fuel gas in the combusting part. And are configured integrally.
According to the present invention having the above-described configuration, it is possible to improve the heat transfer of the combustion heat to the reforming section and the evaporation section, and also to reduce the cost and simplify the assembly work by reducing the number of constituent members. Become.
本発明によれば、各燃料電池セルへの均等な空気供給が可能な燃料電池モジュールが提供される。 According to the present invention, there is provided a fuel cell module capable of supplying air uniformly to each fuel cell.
<第1実施形態>
以下、本発明の第1実施形態による燃料電池モジュールを図面を参照しながら説明する。図1は本発明の第1実施形態による燃料電池モジュール全体を示す斜視図である。図2は、図1に示す燃料電池モジュールの正面図である。図3は、図1に示す燃料電池モジュールの側面図である。図4は、図3におけるIV−IV断面図である。図5は、図2におけるV−V断面図である。図6は、図2におけるVI−VI断面図である。
<First Embodiment>
Hereinafter, the fuel cell module according to the first exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing the entire fuel cell module according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a front view of the fuel cell module shown in FIG. FIG. 3 is a side view of the fuel cell module shown in FIG. FIG. 4 is a sectional view taken along line IV-IV in FIG. FIG. 5 is a sectional view taken along line VV in FIG. FIG. 6 is a sectional view taken along line VI-VI in FIG.
図1に示すように、本発明の第1実施形態による燃料電池モジュール1は、燃料電池セル装置2、及び、燃料電池セル装置2の上方に配置された蒸発部(蒸発器)4を有する。これらの燃料電池セル装置2、及び蒸発部4は断熱材(図示せず)によって夫々包囲されており、燃料電池セル装置2は、蒸発部4から熱的に隔離されている。
As shown in FIG. 1, the
図4〜図6に示すように、燃料電池セル装置2は、ハウジング50と、ハウジング50に収容された燃料電池セルスタック60と、を備える。燃料電池セル装置2には、複数の燃料電池セルを備えた燃料電池セルスタック60と、燃料電池セルスタック60の上方に配置された燃焼部(燃焼器)38と、燃焼部の上方に配置された改質部(改質器)36とが収容されている。
As shown in FIGS. 4 to 6, the
燃料電池セルスタック60は、複数の燃料電池セルにキャップが取り付けられた燃料電池セルユニット70が、長手方向が水平かつ平行に延びるように、幅方向に複数列、高さ方向に複数段に配置されて構成されている。燃料電池セルスタック60を構成する燃料電池セルユニット70は、幅方向中央に位置する上流側燃料電池セルスタック60Aと、幅方向側方に位置する下流側燃料電池セルスタック60Bとに分けられている。
In the
図7は、図1に示す燃料電池モジュールに用いられる燃料電池セルユニットを示す長手方向断面図である。図7に示すように、燃料電池セルユニット70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。燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の内側電極層90と、円筒形の外側電極層92と、内側電極層90と外側電極層92との間にある電解質層94とを備えている。この内側電極層90は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極層92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。
FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing a fuel cell unit used in the fuel cell module shown in FIG. As shown in FIG. 7, the
燃料電池セル84の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子86は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子86について具体的に説明する。内側電極層90の上部90aは、電解質層94と外側電極層92に対して露出された外周面90bと上端面90cとを備えている。内側電極端子86は、導電性のシール材96を介して内側電極層90の外周面90bと接続され、さらに、内側電極層90の上端面90cとは直接接触することにより、内側電極層90と電気的に接続されている。内側電極端子86の中心部には、内側電極層90の燃料ガス流路88と連通する燃料ガス流路細管98が形成されている。
Since the
内側電極層90は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体、の少なくとも一種から形成される。 The inner electrode layer 90 includes, for example, a mixture of Ni and zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y, and Sc, Ni, and ceria doped with at least one selected from rare earth elements. It is formed of at least one of a mixture, Ni, and a mixture of lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe, and Cu.
電解質層94は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。 The electrolyte layer 94 includes, for example, zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Y and Sc, ceria doped with at least one selected from rare earth elements, and lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr and Mg, Of at least one of
外側電極層92は、例えば、Sr、Caから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
The
燃料電池セルスタック60は、各燃料電池セルユニット70の燃料極である内側電極層90に取り付けられた内側電極端子86が、他の燃料電池セルユニット70の空気極である外側電極層92の外周面に電気的に接続されることにより、複数の燃料電池セルユニット70の全てが直列接続されて構成される。なお、本実施形態では、燃料電池セルユニット70を直列接続するものとしたが、並列接続としてもよいし、並列及び直列接続を併用してもよい。
In the
図1〜図6に示すように、ハウジング50は、ハウジング本体52と、ハウジング本体52を覆うように設けられた空気通路カバー54と、備える。ハウジング50の上面には排気ガス配管26と混合ガス導管28の二重管と、空気供給パイプ32が接続されている。また、ハウジング50の一方の側面には、点火用のセラミックヒータ34が取り付けられている。
As shown in FIGS. 1 to 6, the
ハウジング本体52は、略矩形の天板52a、底板52c、これらの長手方向に延びる辺同士を連結する対向する一対の側板52bからなる筒状体と、この筒状体の長手方向の両端部の2つの対向する開口部を塞ぎ、天板52a及び底板52cの幅方向に延びる辺同士を連結する閉鎖側板52d、52eと、からなる。ハウジング本体52内には、発電室としての内部空間53が形成され、内部空間53内に燃料電池セルスタック60が収容されている。天板52aには排出口が形成されており、この排出口には蒸発部4へ排気ガスを供給する排気ガス配管26が接続されている。
The housing
また、ハウジング50は、空気通路カバー54によって天板52a、側板52b、及び底板52cが覆われている。空気通路カバー54は、天板54aと、天板54aの両側から下方に延びる、対向する一対の側板54bと、一対の側板54bの下縁の間を結ぶ底板54cと、を有する。天板54aの幅方向中心には、排気ガス配管26を貫通させるための排出口が設けられている。また、天板54aには、空気供給パイプ32が接続されている。
Further, in the
天板52aと天板54aとの間、側板52bと側板54bとの間、及び底板52cと底板54cとの間は、所定の距離だけ離間した状態となっている。これにより、ハウジング本体52の天板52a、側板52b、及び底板52cと、空気通路カバー54の天板54a、側板54b、及び底板54cとの間には、ハウジング本体52の天板52a、側板52b、及び底板52cの外面に沿って、酸化剤ガス供給通路としての空気通路57a、57b、57cが形成されている。また、天板52aと天板54aとの間の空気通路57a、及び、側板52bと側板54bとの間の空気通路57bにはフィン57dが設けられている。
The
ハウジング本体52の底板52cには、複数の貫通孔である空気供給口58が設けられている(図4参照)。空気供給口58は、幅方向(図5の左右方向)において、燃料電池セルユニット70の間に配置されるのが好ましく、長手方向(図4の左右方向)において等間隔に配置されるのが好ましい。
発電用空気は、空気通路カバーの天板54aの開口部に接続された空気供給パイプ32から空気通路57a内に供給され、空気通路57aを長手方向に広がりながら流れる。そして、発電用空気は、空気通路57a、57b、57cを通って、底板52cの空気供給口58から燃料電池セルスタック60に向けて内部空間53内に噴射される。
The
The power generation air is supplied into the
なお、本実施形態では、空気供給口58をハウジング本体52の底板52cのみに設けているが、これに限らず、側板52bに設けてもよいし、天板52aに設けてもよく、要するに燃料電池セルユニット70(燃料電池セル)の長手方向の側方から空気を供給するように構成されていればよい。ただし、排気ガス配管26が接続される排出口が設けられた天板52a以外の面に設けることが好ましい。さらに、本実施形態のように、排気ガス配管26が接続される排出口が設けられた面と対向する底板52cに設けることがより好ましい。
In the present embodiment, the
ハウジング50内の燃料電池セルスタック60の両側部には、それぞれ第1及び第2のマニホールド(筐体)80、82が設けられている。第1のマニホールド80は、直方体状の筐体からなり、内部に一対の仕切板80Aが上下方向に延びるように設けられている。これら仕切板80Aにより、第1のマニホールド80の内部空間は、幅方向中央に位置する上流側燃料ガス流路(燃料ガス供給部)62Aと、幅方向両側に位置する下流側燃料ガス流路(燃料ガス排出部)62Bと、に分けられている。第1のマニホールド80の第2のマニホールド82に対向する側の面には、開口が形成されており、これら開口には、燃料電池セルユニット70を構成する燃料電池セルユニット70の一端側の内側電極端子86の端部が嵌め込まれている。なお、上流側燃料ガス流路62Aに当たる部分の開口には、上流側燃料電池セルスタック60Aを構成する燃料電池セルユニット70が嵌め込まれており、下流側燃料ガス流路62Bに当たる部分の開口には、下流側燃料電池セルスタック60Bを構成する燃料電池セルユニット70が嵌め込まれている。
First and second manifolds (housings) 80 and 82 are provided on both sides of the
第1のマニホールド80の天板の幅方向中央には開口が設けられており、この開口には燃料供給通路12が接続されている。これにより、燃料供給通路12と上流側燃料ガス流路62Aとが連通しており、さらに、上流側燃料ガス流路62Aと上流側燃料電池セルスタック60Aを構成する燃料電池セルユニット70の燃料ガス流路88の一端(上流側端部)と連通している。また、第1のマニホールド80の天板の幅方向両側には、第1のマニホールド80の天板及び燃焼部38の底板を貫通する開口38Bが設けられており、この開口38Bを通じて下流側燃料ガス流路62Bと、燃焼部38の内部空間38Aとが連通している。さらに、下流側燃料ガス流路62Bは、下流側燃料電池セルスタック60Bを構成する燃料電池セルユニット70の燃料ガス流路88の一端(下流側端部)と連通している。
An opening is provided in the widthwise center of the top plate of the
第2のマニホールド82は、直方体状の筐体からなり、内部に中流側燃料ガス流路64が形成されている。第2のマニホールド82の第1のマニホールド80と対向する側の面には、開口が形成されており、これら開口には燃料電池セルユニット70を構成する燃料電池セルユニット70の他端側の内側電極端子86の端部が嵌め込まれている。中流側燃料ガス流路64は、上流側燃料電池セルスタック60Aを構成する燃料電池セルユニット70の燃料ガス流路88の他端(下流側端部)と連通し、さらに、下流側燃料電池セルスタック60Bを構成する燃料電池セルユニット70の燃料ガス流路88の他端(上流側端部)と連通している。
The
このような構成により、燃料電池セル装置2に燃料供給通路12から供給された燃料ガスは、上流側燃料ガス流路62Aを介して上流側燃料電池セルスタック60Aを構成する燃料電池セルユニット70に供給される。そして、上流側燃料電池セルスタック60Aを構成する燃料電池セルユニット70から排出された燃料ガスは、中流側燃料ガス流路64で回収され、下流側燃料電池セルスタック60Bを構成する燃料電池セルユニット70に供給される。そして、下流側燃料電池セルスタック60Bを構成する燃料電池セルユニット70から排出された燃料ガスは、下流側燃料ガス流路62Bで回収され、燃焼部38の内部空間38Aに送出される。
With such a configuration, the fuel gas supplied to the
燃焼部38は、燃料電池セルスタック60の上方に設けられており、燃料電池セルスタック60において発電に使用されなかった残余燃料ガスを、発電に使用されなかった残余空気により燃焼させるように構成されている。
The
図4〜図6に示すように、燃焼部38は平坦な筐体からなり、第1及び第2のマニホールド80、82と略等しい幅を有する。燃焼部38は、長手方向の一端部(図4の左側の端部)が第1のマニホールド80の上方に直接接続されており、長手方向の他端部(図4の右側の端部)が第2のマニホールド82により支持されている。燃焼部38の幅方向の両側面と、ハウジング50の側板50bとの間には隙間が設けられている。
As shown in FIGS. 4 to 6, the
上述の通り、燃焼部38の底面及び第1のマニホールド80の幅方向の両側には開口38Bが形成されており、この開口38Bを通じて、燃焼部38の内部空間38Aは第1のマニホールド80の下流側燃料ガス流路62Bと連通している。また、燃焼部38の上面には、改質部36の下方に当たる領域に所定の間隔をあけて燃焼口38cが形成されている。
As described above,
このような構成により、燃焼部38の内部空間38Aには、第1のマニホールド80の下流側燃料ガス流路62Bから残余燃料ガスが供給され、供給された残余燃料ガスは燃焼口38cを介してハウジング50の内部空間に噴出される。また、燃焼部38とハウジング50の側板50bとの間の空間を通じて、発電に使用されなかった空気が上昇する。燃料電池モジュール1の起動時において、燃焼部38の各燃焼口38cから残余燃料ガスが噴出している状態でセラミックヒータ34に通電することにより、噴出している残余燃料ガスに点火することができる。これにより、ハウジング50内で燃焼部38の上方に配置された改質部36を加熱することができる。(なお、燃料電池モジュール1の起動時においては、改質部36が昇温されていないため、改質部36内で改質反応は発生せず、燃料電池セル装置2による発電も行われていない。)
With such a configuration, the residual fuel gas is supplied to the
改質部36は、上面視で長方形の断面を有し、中央に長方形の開口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28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燃料供給通路12が接続(図4)されている。蒸発部4からハウジング50内に延びる混合ガス導管28は、ハウジング50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、改質部36の天井面に接続されている。燃料供給通路12は、混合ガス導管28とは反対側の端部の、改質部36の底面に接続(図4)され、鉛直下方に延び、第1のマニホールド80の天板の中央に接続されている。
The reforming
改質部36の内部には改質触媒が充填されている。混合ガス導管28から流入した原燃料ガスと水蒸気の混合ガスは、改質触媒と接触することにより水蒸気改質され、水素ガスを豊富に含む燃料ガスが生成される。改質部36内で水蒸気改質された燃料ガスは燃料供給通路12に流入し、第1のマニホールド80の上流側燃料ガス流路62Aに供給される。
The inside of the reforming
次に、蒸発部4の構造を説明する。図1〜図5に示すように蒸発部4には、水を供給するための水供給用配管20と、原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給配管22と、排気ガスを排出するための排気ガス排出管24が接続されている。また、蒸発部4と、燃料電池セル装置2とは配管により接続されており、この配管は燃料電池セル装置2から蒸発部4へ排気ガスを供給する排気ガス配管26と、この内側に配置された混合ガス導管28の二重管構造となっている(図4)。混合ガス導管28は、蒸発部4内で生成された水蒸気と、蒸発部4に供給された原燃料ガスを混合した混合ガスを改質・加熱器4b内に導入するように構成されている。また、蒸発部4の側面周囲三辺には、蒸発部4を補助的に加熱するための電気ヒータ29が巻回されている。
Next, the structure of the
図4に示すように、蒸発部4は、金属板により直方体状の箱形に形成されており、内部には、蒸発室30aと、混合室30bと、排気ガス室30cが形成されている。蒸発室30aは、蒸発部4の天井面の直下に形成された薄型の空間であり、蒸発部4の天井面に接続された水供給用配管20及び原燃料ガス供給配管22から夫々供給された水及び原燃料ガスが蒸発室30a内に流入するように構成されている。
As shown in FIG. 4, the
混合室30bは、細い通路30dを介して蒸発室30aの下流側に連通した空間として形成されている。蒸発室30a内で生成された水蒸気と、蒸発室30a内に供給された原燃料ガスは、細い通路30dを通って混合室30b内に流入することにより混合される。
混合室30bの底面には、混合ガス導管28が接続されており、混合室30b内で混合された水蒸気及び原燃料ガスは混合ガス導管28を通って改質部36内に導入される。
The mixing
A
排気ガス室30cは、蒸発部4の下部に設けられた空間であり、蒸発部4の底面に接続された排気ガス配管26を介して排気ガスが流入するように構成されている。排気ガス室30cに流入した排気ガスは、排気ガス室30cの上側に設けられた蒸発室30aの床面を加熱して、蒸発部4の側面端部に接続された排気ガス排出管24から排出される。蒸発室30aに供給された水は、排気ガス室30c内を流れる排気ガスによって蒸発室30aの床面が加熱されることにより蒸発される。
The
排気ガス室30cの下流側は、流入した排気ガスが蒸発室30aの床面(排気ガス室30cの天井面)に沿って流れるように、薄型にされている。この薄型にされた空間には、排気ガス室30cを流れる排気ガスの熱が蒸発室30aの床面に効率良く伝わるように、伝熱用のフィン30eが配置されている。このように、排気ガス室30cの一端に接続された排気ガス配管26から流入した排気ガスは、他端に接続された排気ガス排出管24に向かって(図4の左から右へ)流れる。一方、蒸発室30aの、排気ガス排出管24側の端部に接続された水供給用配管20から供給された水は、蒸発室30a内で蒸発されながら、他端部に向かって(図4の右から左へ)流れる。このように、蒸発部4内を流れる水蒸気と排気ガスは反対方向に流れるので、それらの間でカウンターフロー型の熱交換が行われ、効率良く熱交換がなされる。
The downstream side of the
次に、本実施形態による燃料電池モジュール1の作用を説明する。
まず、燃料電池モジュール1の起動時においては、原燃料ガス供給配管22を介して蒸発部4に原燃料ガスが供給されると共に、空気供給パイプ32を介して発電用の空気が燃料電池セル装置2に供給される。図4に示すように、供給された原燃料ガス(実線で示す)は、蒸発部4の蒸発室30a、混合室30bを通って混合ガス導管28に流入し、さらに、燃料電池セル装置2の改質部36の中に流入する。なお、燃料電池モジュール1の起動初期においては、改質部36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。改質部36に流入した原燃料ガスは、燃料供給通路12(図4)を通り、第1のマニホールド80内の上流側燃料ガス流路62Aを介して、上流側燃料電池セルスタック60Aを構成する燃料電池セルユニット70に流入する。上流側燃料電池セルスタック60Aを構成する燃料電池セルユニット70から排出された原燃料ガスは、中流側燃料ガス流路64で回収され、下流側燃料電池セルスタック60Bを構成する燃料電池セルユニット70に供給される。そして、下流側燃料電池セルスタック60Bを構成する燃料電池セルユニット70から排出された原燃料ガスは、下流側燃料ガス流路62Bで回収され、燃焼部38に送られる。
Next, the operation of the
First, when the
一方、空気供給パイプ32を介して燃料電池セル装置2に供給された空気(破線で示す)は、空気通路57a、57b、57cを通り、ハウジング本体52の底板52cの空気供給口58から燃料電池セルスタック60に向けて内部空間53内に噴射される。
On the other hand, the air (indicated by the broken line) supplied to the
燃焼部38に送られた原燃料ガスは、燃焼部38の内部空間38Aに流入し、その天板に形成された燃焼口38cから噴出する。一方、内部空間53内に噴射された空気は上昇し、ハウジング50と燃焼部38との間から燃焼部38に供給される。また、燃料電池モジュール1の起動時においては、セラミックヒータ34に通電され、セラミックヒータ34の熱により燃焼部38の天板の燃焼口38cから噴出した原燃料ガスに点火される。これにより燃焼部38が燃焼熱を生成するようになる。
The raw fuel gas sent to the
燃焼部38が点火されると、その上方に配置された改質部36が加熱され、内部の改質触媒の温度が上昇する。また、燃焼により生成される燃焼ガスにより、ハウジング50の空気通路57a、57b、57cを流れる空気が加熱される。加熱された空気はハウジング50の内部空間53に流入するので、この熱により燃料電池セル装置2の燃料電池セルユニット70が加熱される。
When the
また、ハウジング50内で生成された燃焼ガスは、排気ガス配管26を通って排気ガスとして蒸発部4に流入する。蒸発部4内に流入した排気ガスは、排気ガス室30cを通って排気ガス排出管24から排出される。この際、排気ガス室30cの上側に設けられた蒸発室30aが加熱される。このように、蒸発部4に供給された水は、燃焼部38によって生成され、排気ガス配管26によって供給された燃焼ガスにより加熱される。蒸発室30aの温度が上昇した後、水供給用配管20からの水の供給が開始され、蒸発室30a内で水蒸気が生成されるようになる。なお、燃料電池モジュール1の起動時において、蒸発室30aの加熱を補助するために電気ヒータ29に通電を行っても良い。
Further, the combustion gas generated in the
蒸発室30aにおいて水蒸気が生成されるようになると、原燃料ガスと水蒸気の混合ガスが、改質部36に供給されるようになる。また、改質部36の温度が十分に上昇すると、改質触媒により水蒸気改質反応が誘発されて、原燃料ガスから水素ガスを豊富に含む燃料ガスが生成される。生成された燃料ガスは、上流側燃料ガス流路62Aを介して上流側燃料電池セルスタック60Aを構成する燃料電池セルユニット70に供給される。そして、上流側燃料電池セルスタック60Aを構成する燃料電池セルユニット70から排出された燃料ガスは、中流側燃料ガス流路64で回収され、下流側燃料電池セルスタック60Bを構成する燃料電池セルユニット70に供給される。そして、下流側燃料電池セルスタック60Bを構成する燃料電池セルユニット70から排出された燃料ガス(残余燃料ガス)は、下流側燃料ガス流路62Bで回収され、燃焼部38に送られる。
When steam is generated in the
燃料電池セル装置2の温度が十分に上昇すると、各燃料電池セルユニット70を通る燃料ガスと、空気供給口58から燃料電池セルスタック60に向けて内部空間53に噴出された空気により発電反応が発生するようになる。燃料電池セル装置2の温度が発電可能な温度まで上昇した状態において、燃料電池セル装置2から電力が取り出され、発電が開始される。
When the temperature of the
本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、燃料ガスを燃料電池セルユニット70に供給する上流側燃料ガス流路(燃料ガス供給部)62A、及び、燃料電池セルユニット70における発電に使用されなかった残余燃料ガスを回収する下流側燃料ガス流路(燃料ガス排出部)62Bが燃料電池セルスタック60の側部に設けられているため、上流側燃料ガス流路62A及び下流側燃料ガス流路62Bによりハウジング50内における空気の流れが妨げられることがない。これにより、各燃料電池セルユニット70へ均等な空気供給が可能になる。さらに、本実施形態では、燃料電池セルユニット70が、長手方向が横方向になるように配置されているため、各燃料電池セルユニット70の長手方向に均等な空気供給を実現できる。
According to this embodiment, the following effects are exhibited.
In the present embodiment, the upstream side fuel gas flow path (fuel gas supply unit) 62A for supplying the fuel gas to the
また、本実施形態では、下流側燃料ガス流路62Bを形成する第1のマニホールド80は、燃焼部38に直接接続されている。これにより、構成部材を削減することにより、コストの削減及び組立作業の簡略化が可能になるとともに、燃料電池モジュール1のコンパクト化を実現できる。
Further, in the present embodiment, the
また、本実施形態では、ハウジング50は、長手方向の側方から、内部空間53に収容された燃料電池セルスタック60に空気を供給するための空気供給口58を有する。これにより、燃料電池セルユニット70に対して長手方向に均等に空気を供給することができる。
Further, in the present embodiment, the
<第2実施形態>
以下、本発明の第2実施形態による燃料電池モジュールを説明する。なお、以下の説明において、第1実施形態と同様の構成については、第1実施形態と同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
<Second Embodiment>
Hereinafter, the fuel cell module according to the second embodiment of the present invention will be described. In the following description, the same components as those in the first embodiment will be designated by the same reference numerals and detailed description thereof will be omitted.
図8は本発明の第2実施形態による燃料電池モジュール全体を示す断面図である。図9は図8におけるIX−IX断面図である。図10は、図8におけるX−X断面図である。第1実施形態では、燃焼部38と、改質部36とを別体として構成したが、第2実施形態では、燃焼部と改質部とが一体に構成されている。
FIG. 8 is a sectional view showing the entire fuel cell module according to the second embodiment of the present invention. 9 is a sectional view taken along line IX-IX in FIG. 10 is a sectional view taken along line XX in FIG. In the first embodiment, the
図8〜図10に示すように、本発明の第2実施形態による燃料電池モジュール1は、燃料電池セル装置102、及び、燃料電池セル装置102の上方に配置された蒸発部4を有する。これらの燃料電池セル装置102、及び蒸発部4は断熱材(図示せず)によって夫々包囲されており、燃料電池セル装置102は、蒸発部4から熱的に隔離されている。
As shown in FIGS. 8 to 10, the
図8〜図10に示すように、燃料電池セル装置2は、ハウジング50と、ハウジング50に収容された燃料電池セルスタック60と、を備える。燃料電池セル装置102には、複数の燃料電池セルを備えた燃料電池セルスタック60と、燃料電池セルスタック60の上方に配置された燃焼部138と、燃焼部138と一体になった改質部136とが収容されている。燃料電池セルスタック60及びハウジング50の構成は第1実施形態と同様である。
As shown in FIGS. 8 to 10, the
ハウジング50内の燃料電池セルスタック60の両側部には、それぞれ第1及び第2のマニホールド180、182が設けられている。第1のマニホールド180は、直方体状の筐体からなり、内部に一対の仕切板180Aが上下方向に延びるように設けられている。これら仕切板180Aにより、第1のマニホールド180の内部空間は、幅方向中央に位置する上流側燃料ガス流路(燃料ガス供給部)162Aと、幅方向両側に位置する下流側燃料ガス流路(燃料ガス排出部)162Bと、に分けられている。第1のマニホールド180の第2のマニホールド182に対向する側の面には、開口が形成されており、これら開口には、燃料電池セルユニット70を構成する燃料電池セルユニット70の一端側の内側電極端子86の端部が嵌め込まれている。なお、上流側燃料ガス流路62Aに当たる部分の開口には、上流側燃料電池セルスタック60Aを構成する燃料電池セルユニット70が嵌め込まれており、下流側燃料ガス流路62Bに当たる部分の開口には、下流側燃料電池セルスタック60Bを構成する燃料電池セルユニット70が嵌め込まれている。
First and
第1のマニホールド180の天板及び燃焼部138の底面の幅方向中央には開口180Bが設けられており、上流側燃料ガス流路162Aは、開口180Bを通じて燃料供給空間112と連通している。さらに、上流側燃料ガス流路162Aは、上流側燃料電池セルスタック60Aを構成する燃料電池セルユニット70の燃料ガス流路88の一端(上流側端部)と連通している。
An
第1のマニホールド180の天板及び燃焼部138の底面の幅方向両側には、開口138Bが設けられており、この開口138Bを通じて下流側燃料ガス流路162Bと、燃焼部138の残余燃料ガス分散空間143とが連通している。また、下流側燃料ガス流路162Bは下流側燃料電池セルスタック60Bを構成する燃料電池セルユニット70の燃料ガス流路88の一端(下流側端部)と連通している。
An opening 138B is provided on both sides of the top plate of the
第2のマニホールド182は、直方体状の筐体からなり、内部に中流側燃料ガス流路164が形成されている。第2のマニホールド182の第1のマニホールド180と対向する側の面には、開口が形成されており、これら開口には、各開口には燃料電池セルユニット70を構成する燃料電池セルユニット70の他端側の内側電極端子86の端部が嵌め込まれている。中流側燃料ガス流路164は、上流側燃料電池セルスタック60Aを構成する燃料電池セルユニット70の燃料ガス流路88の他端(下流側端部)と連通し、さらに、下流側燃料電池セルスタック60Bを構成する燃料電池セルユニット70の燃料ガス流路88の他端(上流側端部)と連通している。
The
このような構成により、改質部136から燃料供給空間112を介して第1のマニホールド180に供給された燃料ガスは、上流側燃料ガス流路162Aを介して上流側燃料電池セルスタック60Aを構成する燃料電池セルユニット70に供給される。そして、上流側燃料電池セルスタック60Aを構成する燃料電池セルユニット70から排出された燃料ガスは、中流側燃料ガス流路164で回収され、下流側燃料電池セルスタック60Bを構成する燃料電池セルユニット70に供給される。そして、下流側燃料電池セルスタック60Bを構成する燃料電池セルユニット70から排出された燃料ガスは、下流側燃料ガス流路162Bで回収され、燃焼部138の残余燃料ガス分散空間143に送出される。
With such a configuration, the fuel gas supplied from the reforming
燃焼部138は発電に使用されずに残った残余燃料ガスが供給される残余燃料ガス分散空間143を有し、残余燃料ガス分散空間143から燃焼口144Aを通じて残余燃料ガスを噴出することにより、残余燃料ガスを燃焼させる部位である。
The
残余燃料ガス分散空間143は、燃焼部筐体142、仕切部材144及び、区画部材112Aにより形成されている。燃焼部筐体142は、上部が開口する平坦な容器状の部材であり、第1のマニホールド180から第2のマニホールド182の間にわたって設けられている。燃焼部138を構成する燃焼部筐体142は、長手方向の一端部(図8の左側の端部)が第1のマニホールド180の上方に直接接続されており、長手方向の他端部(図8の右側の端部)が第2のマニホールド182により支持されている。燃焼部筐体142の幅方向の両側面と、ハウジング50の側板50bとの間には隙間が設けられている。
The residual fuel
仕切部材144は、平面視で燃焼部筐体142と同形状の矩形状の部材である。仕切部材144には、平面視において後述する上部ケーシング146に対応するようなT字状の下方に突出する凹部144Bが形成されている。
The
区画部材112Aは、平面視コの字形の部材であり、下縁が燃焼部筐体142に接続され、上縁が仕切部材144に接続されている。また、区画部材112Aの側方の縁部は燃焼部筐体142の側壁に接続されている。燃焼部筐体142と仕切部材144との間に形成された空間を、上流側燃料ガス流路(燃料ガス供給部)162Aの上方の燃料供給空間112と、燃焼部138の残余燃料ガス分散空間143とに区画している。
The
仕切部材144の上面のハウジング50の内部空間53に露出する部分(後述するように、上部ケーシング146により覆われていない部分)には、多数の燃焼口(細孔)144Aが形成されており、この燃焼口144Aを通じて燃焼部138の残余燃料ガス分散空間143内に供給された残余燃料ガスがハウジング50の内部空間53に噴出される。なお、側板52bと側板54bとの間の空気通路57bに沿う領域に設けられた燃焼口144Aは、残余燃料ガスを空気通路57bの側面部に向けて噴出するように傾斜して設けられている。
A large number of combustion ports (pores) 144A are formed in a portion of the upper surface of the
本実施形態では、燃焼口144Aは均等に分布するように配置されているが、好ましくは、の空気通路57bの側面部の近傍において密になるように配置するのがよい。また、好ましくは、燃焼口144Aは、改質部136を流動する原燃料ガスの上流側(混合ガス導管28側)よりも下流側(燃料供給空間112側)が密になるように配置されているのがよい。
In the present embodiment, the
このような構成により、燃焼部138の残余燃料ガス分散空間143には、第1のマニホールド180の下流側燃料ガス流路162Bから残余燃料ガスが供給され、供給された残余燃料ガスは燃焼口144Aを介してハウジング50の内部空間53に噴出される。また、燃焼部138とハウジング50の側板50bとの間の空間を通じて、発電に使用されなかった空気が上昇する。燃料電池モジュール101の起動時において、燃焼部138の各燃焼口144Aから残余燃料ガスが噴出している状態でセラミックヒータ34に通電することにより、噴出している残余燃料ガスに点火することができる。これにより、ハウジング50内で燃焼部138と一体に構成された改質部136を加熱することができる。(なお、燃料電池モジュール101の起動時においては、改質部136が昇温されていないため、改質部136内で改質反応は発生せず、燃料電池セル装置102による発電も行われていない。)
With such a configuration, the residual fuel gas is supplied from the downstream fuel
改質部136は、内部に改質触媒が充填された改質空間145を有する。改質空間145は、仕切部材144及び上部ケーシング146により形成されている。上部ケーシング146は上面視においてT字形に形成された下部が開口する容器状の部材であり、長手方向一端側(図10の左側)の幅広部146Aと、幅広部146Aの幅方向中央部から長手方向他端側(図10の右側)に延びる本体部146Bとを有する。上部ケーシング146の幅広部146Aは、幅方向(図10の上下方向)に、仕切部材144と略等しい幅を有する。本体部146Bは、幅方向に仕切部材144よりも狭い幅を有し、長手方向のセラミックヒータ34側の端部は、仕切部材144のセラミックヒータ34側の端部よりも手前で終端している。これにより、仕切部材144の本体部146Bの幅広部146A側以外の周囲に当たる部分は、上部ケーシング146によって覆われておらず、ハウジング50の内部空間53に露出している。改質部136の改質空間145のセラミックヒータ34側の一端部には混合ガスを導入するための混合ガス導管28が接続され、他端部の底部には開口144Cが形成されており、この開口144Cを通じて改質空間145が燃料供給空間112に連通している。蒸発部4からハウジング50内に延びる混合ガス導管28は、ハウジング50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、改質部136を形成する上部ケーシング146に接続されている。混合ガス導管28から流入した原燃料ガスと水蒸気の混合ガスは、改質触媒と接触することにより水蒸気改質され、水素ガスを豊富に含む燃料ガスが生成される。改質部136内で水蒸気改質された燃料ガスは燃料供給空間112に流入し、第1のマニホールド180の上流側燃料ガス流路162Aに供給される。
The reforming
上記のように、本実施形態では、燃焼部138が残余燃料ガス分散空間143を備え、この残余燃料ガス分散空間143は、燃焼部筐体142、仕切部材144及び区画部材112Aにより形成されている。また、改質部136は、改質空間145を備え、この改質空間145は仕切部材144及び上部ケーシング146により形成されている。これにより、燃焼部138の上部は、改質部136の下部と接触した状態となっており、仕切部材144は、燃焼部138の残余燃料ガス分散空間143を形成する燃焼部形成部材であるとともに、改質空間145を形成する改質部形成部材として共有されている。
As described above, in the present embodiment, the
なお、本実施形態による燃料電池モジュール101の作用は第1実施形態と同様である。
The operation of the
本実施形態によれば、第1実施形態で奏された効果に加えて、以下の効果が奏される。
本実施形態では、燃焼部138の一部が、改質部136の一部に接触している。このような本実施形態によれば、改質部136が、燃焼部138の炎や排ガスの熱のみならず、燃焼部138で生じた熱が部材を介して伝熱されることにより、加熱される。これにより、改質部136への燃焼熱の伝熱を改善することができる。また、部材を介した伝熱を利用することにより、排ガスの流れの乱れによる加熱に対する影響を受けにくくなる。また、上述したセルバーナー方式では、燃料電池セルの配置に応じて燃焼口の配置が決定されるが、本実施形態によれば燃焼部138に燃焼口144Aを自由に配列することができる。
According to the present embodiment, the following effects are exhibited in addition to the effects obtained in the first embodiment.
In the present embodiment, a part of the
<第3実施形態>
以下、本発明の第3実施形態による燃料電池モジュールを図面を参照しながら説明する。第1又は第2実施形態と同様の構成については、同じ符号を付して説明を省略する。図11は本発明の第3実施形態による燃料電池モジュール全体を示す斜視図である。図12は、図11に示す燃料電池モジュールの正面図である。図13は、図11に示す燃料電池モジュールの側面図である。図14は、図13におけるXIV−XIV断面図である。図15は、図12におけるXV−XV断面図である。図16は、図12におけるXVI−XVI断面図である。
<Third Embodiment>
Hereinafter, a fuel cell module according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The same components as those in the first or second embodiment are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted. FIG. 11 is a perspective view showing the entire fuel cell module according to the third embodiment of the present invention. FIG. 12 is a front view of the fuel cell module shown in FIG. FIG. 13 is a side view of the fuel cell module shown in FIG. 14 is a sectional view taken along line XIV-XIV in FIG. FIG. 15 is a sectional view taken along line XV-XV in FIG. 16 is a sectional view taken along line XVI-XVI in FIG.
第2実施形態では蒸発部が燃料電池セル装置の外部に別体として設けられていたが、第3実施形態では、蒸発部が改質部と一体に構成されており、燃料電池セル装置のハウジング内に収容されている。 In the second embodiment, the evaporation unit is provided as a separate body outside the fuel cell device, but in the third embodiment, the evaporation unit is configured integrally with the reforming unit, and the housing of the fuel cell device is formed. It is housed inside.
図11に示すように、本発明の第3実施形態による燃料電池モジュール201は、燃料電池セル装置202を有する。燃料電池セル装置202は断熱材(図示せず)によって包囲されている。
As shown in FIG. 11, the
図11〜図16に示すように、燃料電池セル装置202は、ハウジング250を備え、ハウジング250には、複数の燃料電池セルを備えた燃料電池セルスタック60と、燃料電池セルスタック60の上方に配置された燃焼部238と、燃焼部238と一体になった改質部236と、燃焼部238及び改質部236と一体になった蒸発部204と、が収容されている。燃料電池セルスタック60の構成は第1実施形態と同様である。
As shown in FIGS. 11 to 16, the
ハウジング250は、ハウジング本体252と、ハウジング本体252を覆うように設けられた空気通路カバー254と、を備える。ハウジング250の上面には、水を供給するための水供給用配管220と、原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給配管222と、排気ガスを排出するための排気ガス配管226と、空気を供給するための空気供給パイプ232が接続されている。また、ハウジング250の一方の側面には、点火用のセラミックヒータ34が取り付けられている。
The
ハウジング本体252は、略矩形の天板252a、底板252c、これらの長手方向に延びる辺同士を連結する対向する一対の側板252bからなる筒状体と、この筒状体の長手方向の両端部の2つの対向する開口部を塞ぎ、天板252a及び底板252cの幅方向に延びる辺同士を連結する閉鎖側板252d、252eと、からなる。ハウジング本体252内には、発電室としての内部空間253が形成され、内部空間53内に燃料電池セルスタック60が収容されている。天板252aには排出口が形成されており、この排出口には外部へ排気ガスを供給する排気ガス配管226が接続されている。
The
また、ハウジング250は、空気通路カバー254によって天板252a、側板252b、及び底板252cが覆われている。空気通路カバー254は、天板254aと、天板254aの両側から下方に延びる、対向する一対の側板254bと、一対の側板254bの下縁の間を結ぶ底板254cと、を有する。天板254aの幅方向中心には、排気ガス配管226を貫通させるための排出口が設けられている。また、天板254aには、空気供給パイプ232が接続されている。
Further, in the
天板252aと天板254aとの間、側板252bと側板254bとの間、及び底板252cと底板254cとの間は、所定の距離だけ離間した状態となっている。これにより、ハウジング本体252の天板252a、側板252b、及び底板252cと、空気通路カバー254の天板254a、側板254b、及び底板254cとの間には、ハウジング本体252の天板252a、側板252b、及び底板252cの外面に沿って、酸化剤ガス供給通路としての空気通路257a、257b、257cが形成されている。また、天板252aと天板254aとの間の空気通路257a、及び、側板252bと側板254bとの間の空気通路257bにはフィン257dが設けられている。
The top plate 252a and the
ハウジング本体252の底板252cには、複数の貫通孔である空気供給口258が設けられている(図14参照)。空気供給口258は、幅方向(図15の左右方向)において、燃料電池セルユニット70の間に配置されるのが好ましく、長手方向(図14の左右方向)において等間隔に配置されるのが好ましい。
発電用空気は、空気通路カバーの天板254aの開口部に接続された空気供給パイプ232から空気通路257a内に供給され、空気通路257aを長手方向に広がりながら流れる。そして、発電用空気は、空気通路257a、257b、257cを通って、底板252cの空気供給口258から燃料電池セルスタック60に向けて内部空間53内に噴射される。
The bottom plate 252c of the
The power generation air is supplied into the
なお、本実施形態では、空気供給口258をハウジング本体252の底板252cのみに設けているが、これに限らず、側板252bに設けてもよいし、天板252aに設けてもよく、要するに燃料電池セルユニット70(燃料電池セル)の長手方向の側方から空気を供給するように構成されていればよい。ただし、排気ガス配管226が接続される排出口が設けられた天板252a以外の面に設けることが好ましい。さらに、本実施形態のように、排気ガス配管226が接続される排出口が設けられた面と対向する底板252cに設けることがより好ましい。
Although the
ハウジング250内の燃料電池セルスタック60の両側部には、それぞれ第1及び第2のマニホールド280、282が設けられている。第1のマニホールド280は、直方体状の筐体からなり、内部に一対の仕切板280Aが上下方向に延びるように設けられている。これら仕切板280Aにより、第1のマニホールド280の内部空間は、幅方向中央に位置する上流側燃料ガス流路(燃料ガス供給部)262Aと、幅方向両側に位置する下流側燃料ガス流路(燃料ガス排出部)262Bと、に分けられている。第1のマニホールド280の第2のマニホールド282に対向する側の面には、開口が形成されており、これら開口には、燃料電池セルユニット70を構成する燃料電池セルユニット70の一端側の内側電極端子86の端部が嵌め込まれている。なお、上流側燃料ガス流路62Aに当たる部分の開口には、上流側燃料電池セルスタック60Aを構成する燃料電池セルユニット70が嵌め込まれており、下流側燃料ガス流路262Bに当たる部分の開口には、下流側燃料電池セルスタック60Bを構成する燃料電池セルユニット70が嵌め込まれている。
First and
第1のマニホールド280の天板及び燃焼部238の底面の幅方向中央には開口280Bが設けられており、上流側燃料ガス流路262Aは、開口280Bを通じて燃料供給空間212と連通している。さらに、上流側燃料ガス流路262Aは、上流側燃料電池セルスタック60Aを構成する燃料電池セルユニット70の燃料ガス流路88の一端(上流側端部)と連通している。
An
第1のマニホールド280の天板及び燃焼部238の底面の幅方向両側には、開口238Bが設けられており、この開口238Bを通じて下流側燃料ガス流路262Bと、燃焼部238の残余燃料ガス分散空間243とが連通している。また、下流側燃料ガス流路262Bは下流側燃料電池セルスタック60Bを構成する燃料電池セルユニット70の燃料ガス流路88の一端(下流側端部)と連通している。
第2のマニホールド282は、直方体状の筐体からなり、内部に中流側燃料ガス流路264が形成されている。第2のマニホールド282の第1のマニホールド280と対向する側の面には、開口が形成されており、これら開口には、各開口には燃料電池セルユニット70を構成する燃料電池セルユニット70の他端側の内側電極端子86の端部が嵌め込まれている。中流側燃料ガス流路264は、上流側燃料電池セルスタック60Aを構成する燃料電池セルユニット70の燃料ガス流路88の他端(下流側端部)と連通し、さらに、下流側燃料電池セルスタック60Bを構成する燃料電池セルユニット70の燃料ガス流路88の他端(上流側端部)と連通している。
The
このような構成により、改質部236から燃料供給空間212を介して第1のマニホールド280に供給された燃料ガスは、上流側燃料ガス流路262Aを介して上流側燃料電池セルスタック60Aを構成する燃料電池セルユニット70に供給される。そして、上流側燃料電池セルスタック60Aを構成する燃料電池セルユニット70から排出された燃料ガスは、中流側燃料ガス流路264で回収され、下流側燃料電池セルスタック60Bを構成する燃料電池セルユニット70に供給される。そして、下流側燃料電池セルスタック60Bを構成する燃料電池セルユニット70から排出された燃料ガスは、下流側燃料ガス流路262Bで回収され、燃焼部238の残余燃料ガス分散空間243に送出される。
With such a configuration, the fuel gas supplied from the reforming
図14に示すように、燃焼部238は発電に使用されずに残った残余ガスが供給される残余燃料ガス分散空間243を有し、残余燃料ガス分散空間243から燃焼口244Aを通じて残余ガスを噴出することにより、残余燃料ガスを燃焼させる部位である。
As shown in FIG. 14, the
残余燃料ガス分散空間243は、燃焼部筐体242、仕切部材244及び、区画部材212Aにより形成されている。燃焼部筐体242は、上部が開口する平坦な容器状の部材であり、第1のマニホールド280から第2のマニホールド282の間にわたって設けられている。
The residual fuel
仕切部材244は、平面視で燃焼部筐体242と同形状の矩形状の部材である。仕切部材244には、平面視において後述する上部ケーシング246に対応するようなT字状の下方に突出する凹部244Bが形成されている。
The
区画部材212Aは、平面視コの字形の部材であり、下縁が燃焼部筐体242に接続され、上縁が仕切部材244に接続されている。また、側方の縁部は燃焼部筐体242の側壁に接続されている。燃焼部筐体242と仕切部材244との間に形成された空間を、上流側燃料ガス流路(燃料ガス供給部)262Aの上方の燃料供給空間212と、燃焼部238の残余燃料ガス分散空間243とに区画している。燃焼部238を構成する燃焼部筐体242は、長手方向の一端部(図14の左側の端部)が第1のマニホールド280の上方に直接接続されており、長手方向の他端部(図14の右側の端部)が第2のマニホールド282により支持されている。燃焼部筐体242の幅方向の両側面と、ハウジング250の側板250bとの間には隙間が設けられている。仕切部材244の上部ケーシング246に覆われていない部分には、複数の燃焼口244Aが設けられている。また、上述のように、残余燃料ガス分散空間243は、開口238Bを通じて下流側燃料ガス流路262と連通している。
The
仕切部材244の上面のハウジング250の内部空間に露出する部分(後述するように、上部ケーシング246により覆われていない部分)には、多数の燃焼口(細孔)244Aが形成されており、この燃焼口244Aを通じて燃焼部238の残余燃料ガス分散空間243内に供給された残余燃料ガスがハウジング250の内部空間に噴出される。なお、側板252bと側板254bとの間の空気通路257bに沿う領域に設けられた燃焼口244Aは、残余燃料ガスを空気通路257bの側面部に向けて噴出するように傾斜して設けられている。
A large number of combustion ports (pores) 244A are formed in a portion of the upper surface of the
本実施形態では、燃焼口244Aは均等に分布するように配置されているが、好ましくは、の空気通路257bの側面部の近傍において密になるように配置するのがよい。また、好ましくは、燃焼口244Aは、改質部236を流動する原燃料ガスの上流側(蒸発部204側)よりも下流側(燃料供給空間212側)が密になるように配置されているのがよい。
In the present embodiment, the
このような構成により、燃焼部238の残余燃料ガス分散空間243には、第1のマニホールド280の下流側燃料ガス流路262Bから残余燃料ガスが供給され、供給された残余燃料ガスは燃焼口244Aを介してハウジング250の内部空間に噴出される。また、燃焼部238とハウジング250の側板250bとの間の空間を通じて、発電に使用されなかった空気が上昇する。燃料電池モジュール201の起動時において、燃焼部238の各燃焼口244Aから残余燃料ガスが噴出している状態でセラミックヒータ34に通電することにより、噴出している残余燃料ガスに点火することができる。これにより、ハウジング250内で燃焼部238と一体に構成された改質部236を加熱することができる。(なお、燃料電池モジュール201の起動時においては、改質部236が昇温されていないため、改質部236内で改質反応は発生せず、燃料電池セル装置202による発電も行われていない。)
With such a configuration, the residual fuel
改質部236は、内部に改質触媒が充填された改質空間245を有する。改質空間245は、仕切部材244、上部ケーシング246、及び区画部材249により形成されている。上部ケーシング246は上面視においてT字形に形成された下部が開口する容器状の部材であり、長手方向一端側(図16の左側)の幅広部246Aと、幅広部246Aの幅方向中央部から長手方向他端側(図16の右側)に延びる本体部246Bとを有する。上部ケーシング246の幅広部246Aは、幅方向(図16の上下方向)に、仕切部材244と略等しい幅を有する。本体部246Bは、幅方向に仕切部材244よりも狭い幅を有し、長手方向のセラミックヒータ34側の端部は、仕切部材244のセラミックヒータ34側の端部よりも手前で終端している。これにより、仕切部材244の本体部246Bの幅広部246A側以外の周囲に当たる部分は、上部ケーシング246によって覆われておらず、ハウジング250の内部空間253に露出している。
The reforming
区画部材249は、上部ケーシング246の本体部146Bの長手方向中間部に設けられており、仕切部材244と上部ケーシング246との間の空間を、上流側(水供給用配管220及び原燃料ガス供給配管222が接続された側)の蒸発部204を構成する蒸発空間205と、下流側(燃料供給空間212側)の改質空間245に分割している。区画部材249には、蒸発部204において水が蒸発して発生した水蒸気と、原燃料ガスとが流通可能なスリットが形成されている。
The
改質部236を形成する仕切部材244の燃料供給空間212の上部に当たる部分には開口244Cが形成されており、この開口244Cを通じて改質空間245が燃料供給空間212に連通している。
An opening 244C is formed in a portion of the
蒸発部204から改質部236に流入した原燃料ガスと水蒸気の混合ガスは、改質触媒と接触することにより水蒸気改質され、水素ガスを豊富に含む燃料ガスが生成される。改質部236内で水蒸気改質された燃料ガスは燃料供給空間212に流入し、第1のマニホールド280の上流側燃料ガス流路262Aに供給される。
The mixed gas of the raw fuel gas and steam that has flowed into the reforming
蒸発部204は、仕切部材244、上部ケーシング246及び区画部材249により形成された蒸発空間205を有する。上部ケーシング246の蒸発空間205の上部に当たる部分には、ハウジング250の天板を貫通した水供給用配管220及び原燃料ガス供給配管222が接続されており、蒸発空間205には、水供給用配管220及び原燃料ガス供給配管222から水及び原燃料ガスが流入する。蒸発部204は流入した水を蒸発させて水蒸気を発生させ、水蒸気と原燃料ガスを混合して混合ガスを生成する。混合ガスは、区画部材249のスリットを通って、改質部236へ送出される。
The
上記のように、本実施形態では、燃焼部238は残余燃料ガス分散空間243を備え、残余燃料ガス分散空間243は、燃焼部筐体242、仕切部材244及び、区画部材212Aにより形成されている。また、改質部236は、改質空間245を備え、この改質空間245は、仕切部材244、上部ケーシング246、及び区画部材249により形成されている。さらに蒸発部204は蒸発空間205を備え、蒸発空間205は、仕切部材244、上部ケーシング246及び区画部材249により形成されている。これにより、燃焼部238の上部は、改質部236の下部と接触した状態となっており、仕切部材244は、燃焼部238の残余燃料ガス分散空間243を形成する燃焼部形成部材であるとともに、改質空間245を形成する改質部形成部材として共有されている。さらに、改質部236及び蒸発部204が横方向に並んで配置される、すなわち、並列に設置されるとともに、仕切部材244、上部ケーシング246、及び区画部材249が改質部236の改質空間245を構成する改質部形成部材であるとともに、蒸発部204を構成する蒸発部構成部材として共有され、蒸発部204と改質部236とが一体となっている。
As described above, in the present embodiment, the
次に、本実施形態による燃料電池モジュール201の作用を説明する。
まず、燃料電池モジュール201の起動時においては、原燃料ガス供給配管222を介して蒸発部204に原燃料ガスが供給されると共に、空気供給パイプ232を介して発電用の空気が燃料電池セル装置202に供給される。図14に示すように、供給された原燃料ガス(実線で示す)は、蒸発部204の蒸発空間205を通って、改質部236の中に流入する。なお、燃料電池モジュール201の起動初期においては、改質部236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。改質部236に流入した原燃料ガスは、燃料供給空間212を通り、第1のマニホールド280内の上流側燃料ガス流路262Aを介して、上流側燃料電池セルスタック60Aを構成する燃料電池セルユニット70に流入する。上流側燃料電池セルスタック60Aを構成する燃料電池セルユニット70から排出された燃料ガスは、中流側燃料ガス流路64で回収され、下流側燃料電池セルスタック60Bを構成する燃料電池セルユニット70に供給される。そして、下流側燃料電池セルスタック60Bを構成する燃料電池セルユニット70から排出された燃料ガスは、下流側燃料ガス流路262Bで回収され、燃焼部238に送られる。
Next, the operation of the
First, when the
一方、空気供給パイプ232を介して燃料電池セル装置202に供給された空気(破線で示す)は、空気通路257a、257b、257cを通り、ハウジング本体252の底板252cの空気供給口258から燃料電池セルスタック60に向けて内部空間253内に噴射される。
On the other hand, the air (indicated by the broken line) supplied to the
燃焼部238に送られた原燃料ガスは、燃焼部238の残余燃料ガス分散空間243に流入し、燃焼部238の燃焼口244Aから噴出する。一方、内部空間253内に噴射された空気は上昇し、ハウジング250と燃焼部238との間から燃焼部238に供給される。また、燃料電池モジュール201の起動時においては、セラミックヒータ34に通電され、セラミックヒータ34の熱により燃焼部238の燃焼口244Aから噴出した原燃料ガスに点火される。これにより燃焼部238が燃焼熱を生成するようになる。
The raw fuel gas sent to the
燃焼部238が点火されると、燃焼部238の炎により改質部236が加熱されるとともに、燃焼部筐体242及び仕切部材244を介して燃焼部238の熱が改質部236に伝わり、内部の改質触媒の温度が上昇する。また、燃焼により生成される燃焼ガスにより、ハウジング250の空気通路257a、257b、257cを流れる空気が加熱される。加熱された空気はハウジング250の内部空間253に流入するので、この熱により燃料電池セル装置202の燃料電池セルユニット70が加熱される。
When the
また、ハウジング250内で生成された燃焼ガスは、蒸発部204を加熱する。これにより、蒸発部204に供給された水は、燃焼部238によって生成された燃焼ガスにより加熱される。蒸発部204の温度が上昇した後、水供給用配管220からの水の供給が開始され、蒸発空間205内で水蒸気が生成されるようになる。
Further, the combustion gas generated in the
蒸発部204において水蒸気が生成されるようになると、原燃料ガスと水蒸気の混合ガスが、改質部236に供給されるようになる。また、改質部236の温度が十分に上昇すると、改質触媒により水蒸気改質反応が誘発されて、原燃料ガスから水素ガスを豊富に含む燃料ガスが生成される。生成された燃料ガスは、上流側燃料ガス流路262Aを介して上流側燃料電池セルスタック60Aを構成する燃料電池セルユニット70に供給される。そして、上流側燃料電池セルスタック60Aを構成する燃料電池セルユニット70から排出された燃料ガスは、中流側燃料ガス流路64で回収され、下流側燃料電池セルスタック60Bを構成する燃料電池セルユニット70に供給される。そして、下流側燃料電池セルスタック60Bを構成する燃料電池セルユニット70から排出された燃料ガスは、下流側燃料ガス流路62Bで回収され、燃焼部238に送られる。
When steam is generated in the
燃料電池セル装置202の温度が十分に上昇すると、各燃料電池セルユニット70を通る燃料ガスと、空気供給口258から燃料電池セルスタック60に向けて内部空間253に噴出された空気により発電反応が発生するようになる。燃料電池セル装置2の温度が発電可能な温度まで上昇した状態において、燃料電池セル装置202から電力が取り出され、発電が開始される。
When the temperature of the
本実施形態によれば、第1実施形態及び第2実施形態で奏された効果に加えて以下の効果が奏される。
本実施形態では、改質部236と蒸発部204とは一体に構成されている。これにより、改質部236及び蒸発部204への燃焼熱の伝熱を改善することができるとともに、構成部材を削減することにより、コストの削減及び組立作業の簡略化が可能になる。
According to the present embodiment, the following effects are exhibited in addition to the effects obtained in the first embodiment and the second embodiment.
In the present embodiment, the reforming
<第4実施形態>
以下、本発明の第4実施形態について説明する。なお、第1実施形態と同様の構成については同じ符号を付して説明を省略する。図17は、本発明の第4実施形態による燃料電池モジュールを示す斜視図である。図18は、図17に示す燃料電池モジュールの正面図である。図19は、図17に示す燃料電池モジュールの側面図である。図20は、図19におけるXX−XX断面図である。図21は、図18におけるXXI−XXI断面図である。図22は、図18におけるXXII−XXII断面図である。図23は、図18におけるXXIII−XXIII断面図である。第4実施形態の燃料電池モジュール301は、燃料電池セル装置302の燃料電池セルユニット370の構成、及び、ハウジング350の構成が第1実施形態と異なっている。
<Fourth Embodiment>
The fourth embodiment of the present invention will be described below. The same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted. FIG. 17 is a perspective view showing a fuel cell module according to a fourth embodiment of the present invention. FIG. 18 is a front view of the fuel cell module shown in FIG. FIG. 19 is a side view of the fuel cell module shown in FIG. 20 is a sectional view taken along line XX-XX in FIG. 21 is a cross-sectional view taken along the line XXI-XXI in FIG. 22 is a sectional view taken along line XXII-XXII in FIG. 18. 23 is a sectional view taken along line XXIII-XXIII in FIG. The
まず、第4実施形態で用いられている燃料電池セルユニット370について、図24〜図26を参照して説明する。図24〜図26は図17に示す燃料電池モジュールに用いられる燃料電池セルユニットを示し、図24は斜視図、図25は正面図、図26は長手方向断面図である。
First, the
図24〜図26に示すように、燃料電池セルユニット370は略直方体形状に形成されている。燃料電池セルユニット370は、燃料極支持体372と、仕切部374と、電解質部376と、燃料極378と、を備えている。
As shown in FIGS. 24 to 26, the
燃料極支持体372は、第1実施形態における燃料極である内側電極層90と同様の材料により形成されている。燃料極支持体372には一端側から矩形状の内部空間372Aが形成されている。内部空間372Aは、一端側(図24の手前側)は開口しており、他端側は閉塞されている。
The
仕切部374は、ペロブスカイト型酸化物からなる空気極材料(例えばLaCoO3、LaMnO3、LaFeO3等であって、SrやCa等をLaサイトにドープしたもの、あるいはドープしないもの、又はそれらの複合材等)や、銀、金、タングステン、ロジウム、イリジウムを少なくとも1種以上含む合金、またはそれらの複合材などで空気極支持体よりも低い透過率で形成される材料からなり、熱膨張係数が燃料極支持体372と略同一である板状体として形成されている。図25に示すように、仕切部374は、燃料極支持体372の内部空間372Aを上下に分割するように、内部空間372Aの幅方向全体にわたって延びている。また、図26に示すように、仕切部374は、内部空間372Aの一端(図26の左側端部)から延び、内部空間372Aの他端の手前で終端している。これにより、内部空間372Aは、仕切部374の上方の上流側空間372A1と、仕切部374の下方の下流側空間372A2とに分割され、上流側空間372A1と下流側空間372A2とは、内部空間372Aの奥部において連通した構成となっている。
The
電解質部376は、燃料極支持体372の内部空間372Aが開口する面以外の面を覆うように層状に形成されている。電解質部376は、第1実施形態の電解質層94と同様の材料により形成されている。
The
燃料極378は、電解質部376の外周面を環状に覆うように層状に形成されている。具体的には、燃料極378は、長手方向に電解質部376の長さよりも短い長さ範囲にわたって形成されている。燃料極378は、第1実施形態の燃料極である内側電極層90と同様の材料により構成されている。
The
このような構成により、燃料電池セルユニット370の一端側から上流側空間372A1に流入された燃料ガスは、内部空間372Aの他端側において折り返されて、下流側空間372A2の一端側から排出される。
With such a configuration, the fuel gas flowing into the upstream space 372A1 from one end side of the
燃料電池セルスタック360は、複数の燃料電池セルユニット370が幅方向に複数列、高さ方向に二段、配列されて構成されている。各燃料電池セルユニット370は、仕切部374が鉛直になり、上流側空間372A1と下流側空間372A2が幅方向に並ぶように配置されている。また、各燃料電池セルユニット370は内部空間372Aが所定の方向(図20の左側)に開口するように配置されている。
The fuel cell stack 360 is configured by arranging a plurality of
図17〜図23に示すように、ハウジング350は、ハウジング本体352と、ハウジング本体352を覆うように設けられた空気通路カバー354と、を備える。
As shown in FIGS. 17 to 23, the
ハウジング本体352は、略矩形の天板352a、底板352c、これらの長手方向に延びる辺同士を連結する対向する一対の側板352bからなる筒状体と、この筒状体の長手方向の両端部の2つの対向する開口部を塞ぎ、天板352a及び底板352cの幅方向に延びる辺同士を連結する閉鎖側板352d、352eと、からなる。ハウジング本体352内には、発電室としての内部空間353が形成され、内部空間353内に燃料電池セルスタック360が収容されている。天板352aには排出口が形成されており、この排出口には蒸発部4へ排気ガスを供給する排気ガス配管26が接続されている。
The housing
また、ハウジング350は、空気通路カバー354によって天板352a、側板352b、及び底板352cが覆われている。空気通路カバー354は、天板354aと、天板354aの両側から下方に延びる、対向する一対の側板354bと、一対の側板354bの下縁の間を結ぶ底板354cと、を有する。天板354aの幅方向中心には、排気ガス配管26を貫通させるための排出口が設けられている。また、天板354aには、空気供給パイプ32が接続されている。
Further, in the
天板352aと天板354aとの間、側板352bと側板354bとの間、及び底板352cと底板354cとの間は、所定の距離だけ離間した状態となっている。これにより、ハウジング本体352の天板352a、側板352b、及び底板352cと、空気通路カバー354の天板354a、側板354b、及び底板354cとの間には、ハウジング本体352の天板352a、側板352b、及び底板352cの外面に沿って、酸化剤ガス供給通路としての空気通路357a、357b、357cが形成されている。また、天板352aと天板354aとの間の空気通路357a、及び、側板352bと側板354bとの間の空気通路357bにはフィン357dが設けられている。
The
ハウジング本体352の底板352cには、複数の貫通孔である空気供給口358が設けられている(図20参照)。空気供給口358は、幅方向(図22の左右方向)において、燃料電池セルユニット370の間に配置されるのが好ましく、長手方向(図20の左右方向)において等間隔に配置されるのが好ましい。
発電用空気は、空気通路カバーの天板354aの開口部に接続された空気供給パイプ32から空気通路357a内に供給され、空気通路357aを長手方向に広がりながら流れる。そして、発電用空気は、空気通路357a、357b、357cを通って、底板352cの空気供給口358から燃料電池セルスタック360に向けて内部空間353内に噴射される。
The bottom plate 352c of the
The power generating air is supplied into the
なお、本実施形態では、空気供給口358をハウジング本体352の底板352cのみに設けているが、これに限らず、側板352bに設けてもよいし、天板352aに設けてもよく、要するに燃料電池セルユニット370(燃料電池セル)の長手方向の側方から空気を供給するように構成されていればよい。ただし、排気ガス配管26が接続される排出口が設けられた天板352a以外の面に設けることが好ましい。さらに、本実施形態のように、排気ガス配管26が接続される排出口が設けられた面と対向する底板352cに設けることがより好ましい。
Although the
ハウジング350内の燃料供給通路312が設けられた側の側部には、マニホールド380が設けられている。マニホールド380は燃料電池セルスタック360の長手方向の側部に設けられている。マニホールド380は、直方体状の筐体からなり、内部に仕切板385が上下方向及び幅方向に延びるように設けられている。仕切板385により、マニホールド380の内部空間は、長手方向に燃料電池セルスタック360側に位置する上流側燃料ガス流路(燃料ガス供給部)362Aと、長手方向外側に位置する下流側燃料ガス流路(燃料ガス排出部)362Bと、に分割されている。
A manifold 380 is provided on the side of the
マニホールド380の燃料電池セルユニット側の側板383には、各燃料電池セルユニット370の上流側空間372A1及び下流側空間372A2に対応する形状の開口383A、383Bが形成されている。また、仕切板385には、下流側空間372A2に対応する形状の開口385Aが形成されている。側板383と仕切板385との間には、側板383の開口383Bと、仕切板385の開口385Aとを連結する筒状部材387が設けられている。
On the
各燃料電池セルユニット370は、上流側空間372A1及び下流側空間372A2が側板383の開口383A、383Bにそれぞれ接続されるように、配置されている。これにより、上流側空間372A1が、マニホールド380内の燃料電池セルスタック360側に形成された上流側燃料ガス流路362Aに連通し、下流側空間372A2が、マニホールド380内の長手方向外側に形成された下流側燃料ガス流路362Bに連通する。
Each
図20及び図21に示すように、マニホールド380の天板の上流側燃料ガス流路362Aの上方に当たる位置には開口が形成されており、この開口には燃料供給通路312が接続されている。燃焼部38の底面及びマニホールド380の下流側燃料ガス流路362Bの上方に当たる位置には開口38Bが形成されており、この開口38Bを通じて、燃焼部38の内部空間38Aはマニホールド380の下流側燃料ガス流路362Bと連通している。
As shown in FIGS. 20 and 21, an opening is formed at a position above the upstream side
このような構成により、マニホールド380に燃料供給通路12から供給された燃料ガスは上流側燃料ガス流路362Aを介して燃料電池セルユニット370の上流側空間372A1内に流れこむ。燃料電池セルユニット370の上流側空間372A1に流れこんだ燃料ガスは、内部空間372Aの端部で折り返されて、下流側空間372A2を通って、下流側燃料ガス流路362Bに排出される。下流側燃料ガス流路362Bに排出された残余燃料ガスは、燃焼部38の内部空間38Aに送出される。
With such a configuration, the fuel gas supplied from the
燃焼部38及び改質部36の構成は第1実施形態と同様である。
The configurations of the
次に、本実施形態による燃料電池モジュール301の作用を説明する。
Next, the operation of the
まず、燃料電池モジュール301の起動時においては、原燃料ガス供給配管22を介して蒸発部4に原燃料ガスが供給されると共に、空気供給パイプ32を介して発電用の空気が燃料電池セル装置2に供給される。図20に示すように、供給された原燃料ガス(実線で示す)は、蒸発部4の蒸発室30a、混合室30bを通って混合ガス導管28に流入し、さらに、燃料電池セル装置2の改質部36の中に流入する。なお、燃料電池モジュール1の起動初期においては、改質部36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。改質部36に流入した原燃料ガスは、燃料供給通路312(図20)を通り、マニホールド380内の上流側燃料ガス流路362Aを介して、燃料電池セルユニット370の上流側空間372A1に流入する。燃料電池セルユニット370の一端側から上流側空間372A1に流入された燃料ガスは、内部空間372Aの他端側において折り返されて、下流側空間372A2の一端側から排出される。下流側空間372A2から排出された燃料ガスは、下流側燃料ガス流路362Bで回収され、燃焼部38に送られる。
First, when the
一方、空気供給パイプ32を介して燃料電池セル装置302に供給された空気(破線で示す)は、空気通路357a、357b、357cを通り、ハウジング本体352の底板352cの空気供給口358から燃料電池セルスタック360に向けて内部空間353内に噴射される。
On the other hand, the air (indicated by the broken line) supplied to the
燃焼部38に送られた原燃料ガスは、燃焼部38の内部空間38Aに流入し、その天板に形成された燃焼口38cから噴出する。一方、内部空間353内に噴射された空気は上昇し、ハウジング350と燃焼部38との間から燃焼部38に供給される。また、燃料電池モジュール301の起動時においては、セラミックヒータ34に通電され、燃焼部38の天板の燃焼口38cから噴出した原燃料ガスがセラミックヒータ34の熱により点火される。これにより燃焼部38が燃焼熱を生成するようになる。
The raw fuel gas sent to the
燃焼部38が点火されると、その上方に配置された改質部36が加熱され、内部の改質触媒の温度が上昇する。また、燃焼により生成される燃焼ガスにより、ハウジング350の空気通路357a、357b、357cを流れる空気が加熱される。加熱された空気はハウジング350の内部空間353に流入するので、この熱により燃料電池セル装置302の燃料電池セルユニット370が加熱される。
When the
また、ハウジング350内で生成された燃焼ガスは、排気ガス配管26を通って排気ガスとして蒸発部4に流入する。蒸発部4内に流入した排気ガスは、排気ガス室30cを通って排気ガス排出管24から排出される。この際、排気ガス室30cの上側に設けられた蒸発室30aが加熱される。このように、蒸発部4に供給された水は、燃焼部38によって生成され、排気ガス配管26によって供給された燃焼ガスにより加熱される。蒸発室30aの温度が上昇した後、水供給用配管20からの水の供給が開始され、蒸発室30a内で水蒸気が生成されるようになる。なお、燃料電池モジュール301の起動時において、蒸発室30aの加熱を補助するために電気ヒータ29に通電を行っても良い。
Further, the combustion gas generated in the
蒸発室30aにおいて水蒸気が生成されるようになると、原燃料ガスと水蒸気の混合ガスが、改質部36に供給されるようになる。また、改質部36の温度が十分に上昇すると、改質触媒により水蒸気改質反応が誘発されて、原燃料ガスから水素ガスを豊富に含む燃料ガスが生成される。生成された燃料ガスは、上流側燃料ガス流路362Aを介して燃料電池セルユニット370に供給される。燃料電池セルユニット370から排出された燃料ガスは、下流側燃料ガス流路362Bで回収され、燃焼部38に送られる。
When steam is generated in the
燃料電池セル装置2の温度が十分に上昇すると、各燃料電池セルユニット370を通る燃料ガスと、空気供給口358から燃料電池セルスタック360に向けて内部空間353に噴出された空気により発電反応が発生するようになる。燃料電池セル装置302の温度が発電可能な温度まで上昇した状態において、燃料電池セル装置302から電力が取り出され、発電が開始される。
本実施形態によっても、第1実施形態と同様の効果が奏される。
When the temperature of the
According to this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
なお、上記各実施形態では、第1のマニホールド(マニホールド)内に上流側燃料ガス流路(燃料ガス供給部)と、下流側燃料ガス流路(燃料ガス排出部)とを形成したが、本発明はこれに限られない。例えば、上流側燃料ガス流路を構成する第1の筐体と、下流側燃料ガス流路を構成する第2の筐体とを別体に設けてもよい。さらに、例えば、第1〜第3実施形態において、第1のマニホールドから全ての燃料電池セルユニットに燃料ガスを供給し、第2のマニホールドにおいて残余燃料ガスを回収し、回収した残余燃料ガスを燃焼部に供給する構成としてもよい。 In each of the above embodiments, the upstream fuel gas flow passage (fuel gas supply unit) and the downstream fuel gas flow passage (fuel gas discharge unit) are formed in the first manifold (manifold). The invention is not limited to this. For example, the first casing that constitutes the upstream fuel gas passage and the second casing that constitutes the downstream fuel gas passage may be provided separately. Further, for example, in the first to third embodiments, the fuel gas is supplied from the first manifold to all the fuel cell units, the residual fuel gas is recovered in the second manifold, and the recovered residual fuel gas is burned. It may be configured to be supplied to the section.
このような構成によれば、上流側燃料ガス流路(燃料ガス供給部)及び下流側燃料ガス流路(燃料ガス排出部)の配置の自由度が上がり、発電効率の向上や、コンパクト化を実現できる。 With such a configuration, the degree of freedom in arranging the upstream side fuel gas flow path (fuel gas supply section) and the downstream side fuel gas flow path (fuel gas discharge section) is increased, and power generation efficiency is improved and compactness is achieved. realizable.
1 燃料電池モジュール
2 燃料電池セル装置
4 蒸発部
4b 改質・加熱器
6 ハウジング
12 燃料供給通路
20 水供給用配管
22 原燃料ガス供給配管
24 排気ガス排出管
26 排気ガス配管
28 混合ガス導管
29 電気ヒータ
30a 蒸発室
30b 混合室
30c 排気ガス室
30d 通路
30e フィン
32 空気供給パイプ
34 セラミックヒータ
36 改質部
38 燃焼部
38A 内部空間
38B 開口
38c 燃焼口
50 ハウジング
50b 側板
52 ハウジング本体
52a 天板
52b 側板
52c 底板
52d 閉鎖側板
52e 閉鎖側板
53 内部空間
54 空気通路カバー
54a 天板
54b 側板
54c 底板
57a 空気通路
57b 空気通路
57c 空気通路
57d フィン
58 空気供給口
60 燃料電池セルスタック
60A 上流側燃料電池セルスタック
60B 下流側燃料電池セルスタック
62A 上流側燃料ガス流路
62B 下流側燃料ガス流路
64 中流側燃料ガス流路
70 燃料電池セルユニット
80 第1のマニホールド
80A 仕切板
82 第2のマニホールド
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
101 燃料電池モジュール
102 燃料電池セル装置
112 燃料供給空間
112A 区画部材
136 改質部
138 燃焼部
138B 開口
142 燃焼部筐体
143 残余燃料ガス分散空間
144 仕切部材
144A 燃焼口
144B 凹部
144C 開口
145 改質空間
146 上部ケーシング
146A 幅広部
146B 本体部
150 ハウジング
162 下流側燃料ガス流路
162A 上流側燃料ガス流路
162B 下流側燃料ガス流路
164 中流側燃料ガス流路
180 第1のマニホールド
180A 仕切板
180B 開口
182 第2のマニホールド
201 燃料電池モジュール
202 燃料電池セル装置
204 蒸発部
205 蒸発空間
212 燃料供給空間
212A 区画部材
220 水供給用配管
222 原燃料ガス供給配管
226 排気ガス配管
232 空気供給パイプ
236 改質部
238 燃焼部
238B 開口
242 燃焼部筐体
243 残余燃料ガス分散空間
244 仕切部材
244A 燃焼口
244B 凹部
244C 開口
245 改質空間
246 上部ケーシング
246A 幅広部
246B 本体部
249 区画部材
250 ハウジング
250b 側板
252 ハウジング本体
252a 天板
252b 側板
252c 底板
252d 閉鎖側板
252e 閉鎖側板
253 内部空間
254 空気通路カバー
254a 天板
254b 側板
254c 底板
257a 空気通路
257b 空気通路
257c 空気通路
257d フィン
258 空気供給口
262 下流側燃料ガス流路
262A 上流側燃料ガス流路
262B 下流側燃料ガス流路
264 中流側燃料ガス流路
280 第1のマニホールド
280A 仕切板
280B 開口
282 第2のマニホールド
301 燃料電池モジュール
302 燃料電池セル装置
312 燃料供給通路
350 ハウジング
352 ハウジング本体
352a 天板
352b 側板
352c 底板
352d 閉鎖側板
352e 閉鎖側板
353 内部空間
354 空気通路カバー
354a 天板
354b 側板
354c 底板
357a 空気通路
357b 空気通路
357c 空気通路
357d フィン
358 空気供給口
360 燃料電池セルスタック
362A 上流側燃料ガス流路
362B 下流側燃料ガス流路
370 燃料電池セルユニット
372 燃料極支持体
372A 内部空間
372A1 上流側空間
372A2 下流側空間
374 仕切部
376 電解質部
378 燃料極
380 マニホールド
383 側板
383A 開口
383B 開口
383d 側板
385 仕切板
385A 開口
387 筒状部材
1 Fuel Cell Module 2 Fuel Cell Device 4 Evaporator 4b Reforming/Heater 6 Housing 12 Fuel Supply Passage 20 Water Supply Pipe 22 Raw Fuel Gas Supply Pipe 24 Exhaust Gas Discharge Pipe 26 Exhaust Gas Pipe 28 Mixed Gas Pipe 29 Electricity Heater 30a Evaporating chamber 30b Mixing chamber 30c Exhaust gas chamber 30d Passage 30e Fin 32 Air supply pipe 34 Ceramic heater 36 Reforming part 38 Combusting part 38A Internal space 38B Opening 38c Combustion port 50 Housing 50b Side plate 52 Housing body 52a Top plate 52b Side plate 52c Bottom plate 52d Closing side plate 52e Closing side plate 53 Internal space 54 Air passage cover 54a Top plate 54b Side plate 54c Bottom plate 57a Air passage 57b Air passage 57c Air passage 57d Fin 58 Air supply port 60 Fuel cell stack 60A Upstream fuel cell stack 60B Downstream Side fuel cell stack 62A Upstream fuel gas flow path 62B Downstream fuel gas flow path 64 Midstream fuel gas flow path 70 Fuel cell unit 80 First manifold 80A Partition plate 82 Second manifold 84 Fuel cell 86 Inner side Electrode terminal 88 Fuel gas flow channel 90 Inner electrode layer 90a Upper portion 90b Outer peripheral surface 90c Upper end surface 92 Outer electrode layer 94 Electrolyte layer 96 Seal material 98 Fuel gas flow channel thin tube 101 Fuel cell module 102 Fuel cell device 112 Fuel supply space 112A Section Member 136 Reforming unit 138 Combustion unit 138B Opening 142 Combustion unit housing 143 Remaining fuel gas dispersion space 144 Partition member 144A Combustion port 144B Recess 144C Opening 145 Reforming space 146 Upper casing 146A Wide part 146B Main body 150 Housing 162 Downstream fuel Gas channel 162A Upstream fuel gas channel 162B Downstream fuel gas channel 164 Midstream fuel gas channel 180 First manifold 180A Partition plate 180B Opening 182 Second manifold 201 Fuel cell module 202 Fuel cell unit 204 Evaporation Part 205 Evaporation space 212 Fuel supply space 212A Partitioning member 220 Water supply pipe 222 Raw fuel gas supply pipe 226 Exhaust gas pipe 232 Air supply pipe 236 Reforming part 238 Combustion part 238B Opening 242 Combustion part case 243 Residual fuel gas dispersion space 244 Partition member 244A Combustion port 244B Recess 244C Opening 245 Reforming space 246 Upper casing 246A Wide part 246B Body part 249 Partition member 250 Housing 250b Side plate 252 Housing body 252a Top plate 252b Side plate 252c Bottom plate 252d Closed side plate 252e Closed side plate 253 Inner space 254 Air passage cover 254a Top plate 254b Side plate 254c Air passage 257a Air plate 257a Air passage 257d Fin 258 Air supply port 262 Downstream fuel gas flow passage 262A Upstream fuel gas flow passage 262B Downstream fuel gas flow passage 264 Midstream fuel gas flow passage 280 First manifold 280A Partition plate 280B Opening 282 Second Manifold 301 Fuel cell module 302 Fuel cell device 312 Fuel supply passage 350 Housing 352 Housing body 352a Top plate 352b Side plate 352c Bottom plate 352d Closure side plate 352e Closure side plate 353 Internal space 354 Air passage cover 354a Top plate 354b Side plate 354c Bottom plate 357a Air passage 357b Air passage 357c Air passage 357d Fin 358 Air supply port 360 Fuel cell stack 362A Upstream fuel gas passage 362B Downstream fuel gas passage 370 Fuel cell unit 372 Fuel electrode support 372A Internal space 372A1 Upstream space 372A2 Downstream side Space 374 Partition part 376 Electrolyte part 378 Fuel electrode 380 Manifold 383 Side plate 383A Opening 383B Opening 383d Side plate 385 Partitioning plate 385A Opening 387 Cylindrical member
Claims (6)
長手方向が横方向に延びるように配置された複数の燃料電池セルを備えた燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルスタックを内部空間に収容するハウジングと、
前記燃料ガスが供給され、供給された前記燃料ガスを前記燃料電池セルに供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池セルから発電に使用されなかった残余燃料ガスが排出される燃料ガス排出部と、
前記燃料ガス排出部に排出された前記残余燃料ガスが供給され、前記残余燃料ガスを燃焼させる燃焼部と、を備え、
前記燃料ガス供給部及び前記燃料ガス排出部は、前記燃料電池セルスタックの側方に配置されており、
前記燃焼部は、前記燃料電池セルスタックの上方に設けられている、ことを特徴とする燃料電池モジュール。 A fuel cell module for generating power by reacting a supplied fuel gas with an oxidant gas,
A fuel battery cell stack including a plurality of fuel battery cells arranged so that the longitudinal direction extends in the lateral direction,
A housing that houses the fuel cell stack in an internal space;
The fuel gas is supplied, and a fuel gas supply unit that supplies the supplied fuel gas to the fuel cells,
A fuel gas discharge unit for discharging residual fuel gas not used for power generation from the fuel cell unit;
A combustion unit that is supplied with the residual fuel gas discharged to the fuel gas discharge unit and burns the residual fuel gas;
The fuel gas supply unit and the fuel gas discharge unit are arranged laterally of the fuel cell stack,
The fuel cell module, wherein the combustion unit is provided above the fuel cell stack.
前記燃焼部の一部が、前記改質部の一部に接触している、請求項1〜4の何れか1項に記載の燃料電池モジュール。 Furthermore, the combustion unit is heated by burning the residual fuel gas, reforms the raw fuel gas to generate a fuel gas containing hydrogen, and supplies the fuel gas to the fuel cell stack. Equipped with
The fuel cell module according to claim 1, wherein a part of the combustion section is in contact with a part of the reforming section.
前記改質部と前記蒸発部とは一体に構成されている、請求項5に記載の燃料電池モジュール。 Further, the combustion unit is provided with an evaporation unit that generates steam used for steam reforming in the reforming unit by combustion heat generated by burning the residual fuel gas,
The fuel cell module according to claim 5, wherein the reforming unit and the evaporation unit are integrally configured.
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JP2017145157A (en) * | 2016-02-15 | 2017-08-24 | 大阪瓦斯株式会社 | Reformer |
JP2017199599A (en) * | 2016-04-28 | 2017-11-02 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | High-temperature operation fuel cell and fuel cell system |
-
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