JP2022039555A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】改質水の回収量を増加させる。【解決手段】燃料電池装置１０は燃料電池モジュール１１と熱交換器１２と改質水タンク１３とフィンとを有する。燃料電池モジュール１１は改質器１６と燃料電池セルとを有する。改質器１６は原燃料を水蒸気改質することにより燃料を生成する。燃料電池セルは燃料により発電する。熱交換器１２は燃料電池モジュール１１から排出される排ガスを熱媒と熱交換させる。改質水タンク１３は熱交換器１２の排ガス側の排出路に接続される。フィンを改質水タンク１３の内部に設ける。フィンは改質水タンク１３の内壁と接する。【選択図】図１

Description

本開示は、燃料電池装置に関するものである。

炭化水素及び改質水を用いた水蒸気改質反応により生成する水素と酸素との電気化学反応により電気を発生させる燃料電池装置が知られている。当該燃料電池装置においては、電気化学反応により生成される水は、改質水として水蒸気改質反応に再利用される。電気化学反応において未反応の可燃ガス及び酸素は水蒸気改質反応のエネルギーを与えるために燃焼される。それゆえ、燃焼による排ガス及び電気化学反応により生成される水は高温のガス状態で排出される。ガス状の水は、凝縮器を用いて冷却することにより液化され、回収される。凝縮器は凝縮水通路及び排気通路に連結される。冷却により凝縮した水は凝縮水通路を通過して回収される。液化しなかった排気ガスは排気通路を通過して排気される（特許文献１参照）。

特開２０１１－０３４７０１号公報

しかし、ガス状の水の一部は、凝縮器の通過後においても凝縮せずにガス状のまま排気通路を介して排気される。炭化水素の供給量に対して改質反応に必要な改質水が不足する場合、燃料電池装置の外部から水を補充する必要があり、運転コストの増加を引き起こしていた。

従って、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされた本開示の目的は、改質水の回収量を増加できる燃料電池装置を提供することにある。

上述した諸課題を解決すべく、第１の観点による燃料電池装置は、
原燃料を水蒸気改質することにより燃料を生成する改質器と、前記燃料により発電する燃料電池セルとを有する燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールから排出される排ガスを熱媒と熱交換させる熱交換器と、
前記熱交換器の前記排ガス側の排出路に接続される改質水タンクと、
前記改質水タンクの内部に設けられ、該改質水タンクの内壁と接するフィンと、を備える。

上記のように構成された本開示に係る燃料電池装置によれば、改質水の回収量が増加され得る。

本実施形態に係る燃料電池装置の概略構成を示す構成図である。 図１の改質水タンクの内部構造を示す断面図である。 変形例の改質水タンクの内部構造を示す断面図である。

以下、本開示を適用した燃料電池装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１に示すように、本開示の一実施形態に係る燃料電池装置１０は、燃料電池モジュール１１、熱交換器１２及び改質水タンク１３を含んで構成される。燃料電池装置１０は、さらに筐体１４及び熱媒タンク１５を含んで構成されてよい。燃料電池装置１０では、設置時における地表に対する姿勢が定められている。本願明細書において、地表に対して定められた姿勢において鉛直上方となる燃料電池装置１０における方向を、上方向と呼ぶ。本願明細書において、地表に対して定められた姿勢において鉛直下方となる燃料電池装置１０における方向を、下方向と呼ぶ。

燃料電池モジュール１１は、改質器１６及びセルスタック１７を備える。改質器１６は、炭化水素ガスなどの原燃料及び改質水を用いて水蒸気改質することにより、水素を含む燃料を生成する。セルスタック１７は、複数の燃料電池セルを含む。燃料電池セルは、燃料、及び空気に含まれる酸素などの酸化剤の電気化学反応により発電する。

燃料電池セルは、電気化学反応により水を生成する。燃料電池セルから排出される未反応燃料及び未反応酸化剤は燃焼され、改質器１６において水蒸気改質反応を行わせるエネルギーを付与する。燃料電池セルから排出される水は、未反応燃料及び未反応酸化剤の燃焼による燃焼ガスとともに高温のガス状で燃料電池モジュール１１から排出される。

熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１が排ガスを介して排出する排熱を、熱媒と熱交換させる。熱交換器１２において熱媒との熱交換により、排ガス中のガス状の水（水蒸気）の一部は凝縮する。排ガス及び液化した水は、気液混合したまま、改質水タンク１３に排出される。熱媒は、熱交換器１２及び熱媒タンク１５の間で循環する。熱交換器１２で加熱された熱媒は、例えば、給湯装置の熱源への使用、またはラジエータにおける放熱により冷却されてよい。

図２に示すように、改質水タンク１３には、上方側に流入口１８及び排気口１９が形成されてよい。流入口１８及び排気口１９は、上下方向において同じ位置に設けられていてよい。流入口１８及び排気口１９は、互いに離れた位置に設けられてよい。改質水タンク１３には、下方側に排水口２０が形成されてよい。

改質水タンク１３は、熱交換器１２の排ガス側の排出路に接続される。より具体的には、改質水タンク１３は、当該排出路と流入口１８とを連通させることにより、接続されている。熱交換器１２から排出される排ガス及び液化した水は、流入口１８から改質水タンク１３内に流入する。

図１に示すように、改質水タンク１３は、排気口１９において気液分離器２１に接続されてよい。改質水タンク１３に流入して、気相のままの排ガスが排気口１９から気液分離器２１に排出される。気液分離器２１は、筐体１４における排気口近傍に設けられており、当該排気口までに凝縮した水と排ガスとを分離して、筐体１４から排出させる。

改質水タンク１３の排水口２０から排出される改質水が、改質水ポンプ２２により昇圧される。改質水ポンプ２２に昇圧された改質水は、燃料電池モジュール１１に送出される。

改質水タンク１３は、金属、樹脂などの任意の材料によって形成されてよい。本開示において、改質水タンク１３は、樹脂により形成されている。

図２に示すように、改質水タンク１３の内部には、フィン２３が設けられている。フィン２３は、改質水タンク１３の内壁に接する。本開示においては、フィン２３は、改質水タンク１３の下方の内壁に接するように設けられている。フィン２３は、改質水タンク１３の下方から上方に向かって延在してよい。フィン２３は、例えば、棒状、膜状などであってよい。

フィン２３では、延在方向、言い換えると上下方向に垂直な断面の外周の長さは、下方から上方に向かうに応じて短くなってよい。言い換えれば、下方が長く、上方が短くなっていてよい。より具体的には、フィン２３が膜状である構成においては、下方から上方に向かうに応じて膜厚が短くなってよい。または、フィン２３が棒状である構成においては、錐形、錐台形などであってよい。フィン２３は、全体で前述の形状で表面が網状であってよい。

フィン２３は、改質水タンク１３の流入口１８及び排気口１９の間に位置してよい。より具体的には、フィン２３は、流入口１８及び排気口１９を結ぶ直線より上方まで延在する。

フィン２３は、ステンレス等の金属、ポリスチレン、ポリフェニレンエーテル等の樹脂などの任意の材料によって形成されてよい。フィン２３は、改質水タンク１３の材料よりも熱伝導性の大きな材料によって形成されることが好ましい。本開示において、フィン２３は金属によって形成されている。

改質水タンク１３の外面には、金属板２４が設けられてよい。金属板２４は、フィン２３に直接接続されてよい。より具体的には、改質水タンク１３に形成される孔を介して、フィン２３及び金属板２４が連結部２５によって連結されてよい。本開示において、金属板２４及び連結部２５は、フィン２３と同じ金属材料によって形成されている。連結部２５と改質水タンク１３に形成される孔の間には、シールが介在してよい。

図１に示すように、筐体１４は、燃料電池モジュール１１、熱交換器１２、改質水タンク１３、熱媒タンク１５、気液分離器２１及び改質水ポンプ２２を収容してよい。改質水タンク１３は、フィン２３が改質水タンク１３内で接する内壁に対応する外壁側、本開示においては下方の外壁側において筐体１４に接続してよい。本開示において、改質水タンク１３が筐体に接続するとは、図２に示すように、改質水タンク１３が筐体１４に金属板２４を介して間接的に接続する構成、及び、図３に示すように、改質水タンク１３が金属板２４を介在させず筐体１４に直接接続する構成を含んでよい。筐体１４は、ステンレス等の金属、ポリスチレン、ポリフェニレンエーテル等の樹脂などの任意の材料によって形成されてよい。本開示において、筐体１４は、金属により形成されている。

以上のような構成の本実施形態の燃料電池装置１０は、改質水タンク１３の内部に設けられ、改質水タンク１３の内壁と接するフィン２３を備える。このような構成により、燃料電池装置１０では、フィン２３を備えることにより、改質水タンク１３に流入する排ガスの放熱性（冷却性）が増加する。燃料電池装置１０は、排ガスの熱に対し、フィン２３が接触する内壁を介して、改質水タンク１３の外部への伝熱性が向上する。したがって、燃料電池装置１０は、改質水タンク１３内部における排ガスの冷却性が向上するので、排ガスからより多くの改質水が凝縮する。その結果、燃料電池装置１０は、改質水の回収量を増加させ得る。

また、本実施形態の燃料電池装置１０では、フィン２３は改質水タンク１３の下方から上方に向かって延在する。このような構成により、燃料電池装置１０では、フィン２３が下方において改質水に浸っているため、改質水によりフィン２３が冷却される。したがって、燃料電池装置１０は、排ガスの冷却性が向上するので、改質水の回収量をさらに増加させ得る。また、上述の構成により、燃料電池装置１０では、改質水タンク１３に貯留される改質水の温度を外気温より高い温度に維持し得るので、改質器１６において改質水を容易に気化させ得る。

また、本実施形態の燃料電池装置１０では、フィン２３の延在方向に垂直な断面の外周の長さが、下方から上方に向かうに応じて短くなる。言い換えれば、下方が長く、上方が短くなっている。上方の断面の外周の長さが短いことで、排ガスの熱を吸収しつつ、フィン２３により、排ガスの流れが閉塞することを抑制できる。一方、下方の断面の外周の長さが長いことで、上方で吸収した排ガスの熱が、下方に伝導されやすくなる。また下方の断面の外周の長さが長いことで、改質水と触れる表面積を大きくでき、下方に伝導された熱を水に伝わりやすくできる。すなわち、上方で吸収した熱は下方に伝導された後に改質水に伝わることから、上方での排ガスの冷却性を向上することができ、改質水の回収量をさらに増加させ得る。

また、本実施形態の燃料電池装置１０は、改質水タンク１３の外面に設けられ、フィン２３に接続される金属板２４を備える。このような構成により、燃料電池装置１０は、改質水タンク１３が樹脂で形成されている場合であっても、フィン２３を介した排ガスの冷却性が向上する。したがって、燃料電池装置１０は、排ガスの冷却性が向上するので、改質水の回収量をさらに増加させ得る。

また、本実施形態の燃料電池装置１０では、改質水タンク１３はフィン２３が接する内壁に対応する外壁側において筐体１４に接続する。このような構成により、燃料電池装置１０は、改質水タンク１３の内部の熱の筐体１４外部への伝熱性を向上させる。したがって、燃料電池装置１０は、伝熱性の向上により排ガスの冷却性が向上するので、改質水の回収量をさらに増加させ得る。

また、本実施形態の燃料電池装置１０では、フィン２３は排ガスの流入口１８及び排気口１９の間に介在する。このような構成により、燃料電池装置１０は、流入口１８から排気口１９まで流動する排ガスに、フィン２３が直接接触する可能性を高める。したがって、燃料電池装置１０は、フィン２３との接触の可能性を高めることにより排ガスの冷却性が向上するので、改質水の回収量をさらに増加させ得る。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

１０ 燃料電池装置
１１ 燃料電池モジュール
１２ 熱交換器
１３ 改質水タンク
１４ 筐体
１５ 熱媒タンク
１６ 改質器
１７ セルスタック
１８ 流入口
１９ 排気口
２０ 排水口
２１ 気液分離器
２２ 改質水ポンプ
２３ フィン
２４ 金属板
２５ 連結部

Claims (6)

1. 原燃料を水蒸気改質することにより燃料を生成する改質器と、前記燃料により発電する燃料電池セルとを有する燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールから排出される排ガスを熱媒と熱交換させる熱交換器と、
   前記熱交換器の前記排ガス側の排出路に接続される改質水タンクと、
   前記改質水タンクの内部に設けられ、該改質水タンクの内壁と接するフィンと、を備える
   燃料電池装置。
2. 請求項１に記載の燃料電池装置において、
   前記フィンは、前記改質水タンクの下方から上方に向かって延在する
   燃料電池装置。
3. 請求項２に記載の燃料電池装置において、
   前記フィンの、延在方向に垂直な断面の外周の長さが、下方から上方に向かうに応じて短くなる
   燃料電池装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池装置において、
   前記燃料電池モジュール、前記熱交換器および前記改質水タンクを収容する筐体を、さらに備え、
   前記改質水タンクは、前記フィンが接する内壁に対応する外壁側において前記筐体に接続する
   燃料電池装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池装置において、
   前記改質水タンクの外面に設けられ、前記フィンに接続されている金属板を、さらに備える
   燃料電池装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池装置において、
   前記フィンは、前記改質水タンクにおける、前記熱交換器の前記排ガス側の排出路に連通する流入口と、排気口との間に位置する
   燃料電池装置。
   

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