JP3925756B2 - 二重容器型燃料電池装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池を用い、これを二重の容器に格納した二重容器型燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融炭酸塩型燃料電池は、電解質として高温で溶融状態になる溶融炭酸塩を用いたものであり、約６５０℃前後の高温で作動し高い発電効率を達成できる特徴を有している。
図６は、かかる溶融炭酸塩型燃料電池を用いた従来の燃料電池装置の基本構成を示す。この図において、１はカソードとアノードとを有する燃料電池であり、２は水蒸気を含む燃料ガスを改質して水素を主成分とする改質ガス（アノードガス）にする装置で、改質反応を行なう改質室とこの改質室を加熱する加熱室よりなる改質器である。３は燃料電池１の排ガスを再度燃焼して燃焼排ガスを生成し、この燃焼排ガスを加熱室に供給する燃焼器である。４は燃料ガスを加熱する熱交換器で、改質室からの改質ガスにより燃料ガスを加熱して改質室に送り込む。５は炭酸ガスブロワで加熱室から出た燃焼排ガスをカソードに送り込む。６はカソードブロワでカソード排ガスの一部を吸引し、炭酸ガスブロワ５からの燃焼排ガスと空気とを混合してカソードガスとしカソードに供給する。７は燃料電池１、改質器２、燃焼器３、熱交換器４を格納する格納容器である。８はリサイクルラインでカソード排ガスの一部をカソードに循環させるラインであり、流量が多いため大径管で構成され、高温のガスが流れる。各機器１〜６は配管で接続されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
かかる従来の燃料電池装置では、リサイクルラインは大流量のため大径となり配置スペースが大きく装置のコンパクト化が困難であった。また高温であり、容器７外部に配置されているため熱損失が多かった。
【０００４】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、コンパクトで熱損失の少ない二重容器型燃料電池装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明では、仕切り材で上下に仕切られ上部に積層電池を配置し、下部に改質器を配置し、前記仕切り材には積層電池のカソード排ガスとアノード排ガスとを燃焼して燃焼排ガスを下部に排出する燃焼器が配置された内容器と、この内容器を包囲し、内容器底部に設けられた排出口より流出する前記燃焼排ガスを内容器頂部へ導く外部流路を形成する外容器と、この外容器内の底部に設けられ前記燃焼排ガスを前記外部流路に導く炭酸ガスブロワと、この外容器内の頂部に設けられ、内容器頂部に設けられた吸引口より積層電池のカソード排ガスを吸引し、前記外部流路に導入される空気と、この外部流路からの燃焼排ガスを混合してカソードガスとし内容器頂部に設けられた押し込み口よりこのカソードガスを押し込むカソードブロワ装置と、前記改質器に燃料ガスを供給する燃料配管と、この改質器で生成されたアノードガスを積層電池の各アノードに供給するアノード配管と、アノードからのアノード排ガスを前記燃焼器に導くアノード排ガス配管とを備える。
【０００６】
上記本発明の構成によれば、カソードブロワの循環作用によって供給されるカソードガスと改質器からのアノードガスにより燃料電池は発電し、カソード排ガスとアノード排ガスを放出するが、このカソード排ガスの一部は内容器を通り、アノード排ガスはアノード排ガス管を通り、仕切り材に設けられた燃焼器に入り、再燃焼して高温の燃焼排ガスとなり、炭酸ガスブロワに吸引されて内容器下部に入り、改質器を加熱し炭酸ガスブロワに吸引されて外部流路に入り、外部流路に導入された空気とともにカソードブロワに吸引された燃料電池からのカソード排ガスと混合してカソードガスとなる。このカソードガスは内容器頂部の押し込み口より各燃料電池のカソードに供給される。一方燃料配管から供給された水蒸気を含む燃料ガスは改質器で燃焼排ガスによって加熱されアノードガスとなり、アノード配管によりアノードに供給される。リサイクルラインは内容器と外容器との間の空間に案内板等を入れることにより構成でき、配管を用いる場合に比べ小さなスペースでよい。また外容器の内側で内容器とも接しているので放熱を容易に少くすることができる。
【０００７】
請求項２の発明では、仕切り材で上下に仕切られ上部に改質器を配置し、下部に積層電池を配置し、前記仕切り材には積層電池のカソード排ガスとアノード排ガスとを燃焼して燃焼排ガスを上部に排出する燃焼器が配置された内容器と、この内容器を包囲し、内容器頂部に設けられた排出口より流出する前記燃焼排ガスを内容器底部へ導く外部流路を形成する外容器と、この外容器内の頂部に設けられ前記燃焼排ガスを前記外部流路に導く炭酸ガスブロワと、この外容器内の底部に設けられ、内容器底部に設けられた吸引口より積層電池のカソード排ガスを吸引し、前記外部流路に導入される空気と、この外部流路からの燃焼排ガスとを混合してカソードガスとし内容器底部に設けられた押し込み口よりこのカソードガスを押し込むカソードブロワ装置と、前記改質器に燃料ガスを供給する燃料配管と、この改質器で生成されたアノードガスを積層電池の各アノードに供給するアノード配管と、アノードからのアノード排ガスを前記燃焼器に導くアノード排ガス配管とを備える。
【０００８】
本発明は請求項１の発明の内容器の燃料電池と改質器との配置を上下入れ換え、これに伴い炭酸ガスブロワとカソードブロワ装置を上下入れ換えたもので、請求項１の発明とほぼ同じ機能を有し、動作をする。
【０００９】
請求項３の発明では、請求項１または２の改質器は積層して設けられ、前記燃料配管は各改質器毎に燃料ガスを供給するヘッダーを有し、前記アノード配管はｍ個の改質器からアノードガスをｎ個の電池に供給するヘッダーである。
【００１０】
改質器も複数設けこれを積層することにより据付スペースを小さくする。各改質器入側にはヘッダーが接続され、このヘッダーは燃料配管に接続されている。また改質器出側にもヘッダーが接続され、このヘッダーは燃料電池のアノードに接続され、ｍ個の改質器とｎ個のアノードを接続する。
【００１１】
請求項４の発明では、前記内容器と前記外容器は角形である。
【００１２】
内外容器を角形にすることにより、角形の電池および改質器を配置することができる。角形の電池および改質器はガスの流路を一様断面とすることができ、安定した性能が得られる。また製作も容易となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図１は、本発明の二重容器型燃料電池装置の縦断面図であり、図２は図１のＸ−Ｘ断面図、図３は図１のＹ−Ｙ断面図である。また図５は本発明の基本構成を説明する図である。先ず基本構成を図５を用い、従来の図６と対比して説明する。太線で示した流路は内容器、外容器にて構成される流路を示す。
【００１４】
１はカソードとアノードとを有する燃料電池、２は水蒸気を含む燃料ガスを改質して水素を主成分とする改質ガス（アノードガス）にする装置であり、改質反応を行なう改質室２ａとこの改質室２ａで生成されたアノードガスにより改質室２ａを加熱してゆくＨＸ（熱交換器）ゾーン２ｂである。３は燃料電池１の排ガスを再度燃焼して燃焼排ガスを生成し、この燃焼排ガスを加熱室に供給する燃焼器である。この燃焼排ガスが改質器２を覆うようになっており、改質室２ａはこの燃焼排ガスで加熱される。改質室２ａを出た改質ガスは、Ｈｘゾーン２ｂにて改質器内部で熱交換されるため、図６に示す燃料ガスを加熱する熱交換器４は用いられていない。５は炭酸ガスブロワで改質器２を加熱した燃焼排ガスをカソードに送り込む。６はカソードブロワでカソード排ガスの一部を吸引し、炭酸ガスブロワ５からの燃焼排ガスと空気とを混合してカソードガスとしカソードに供給する。７は燃料電池１、改質器２、燃焼器３、炭酸ガスブロワ５、カソードブロワ６を格納する格納容器である。８はリサイクルラインでカソード排ガスの一部をカソードに循環させるラインであり、容器で構成された流路を流れる。燃料ガスを改質器２に供給する燃料配管３０、改質器２で生成したアノードガスをアノードに供給するアノード配管３１、アノードからのアノード排ガスを燃焼器３に供給するアノード排ガス配管３２は配管で構成されている。
【００１５】
図１において、１１は内容器、１２は外容器でいずれも角形であり、内容器１１を外容器１２が覆っている。内容器１１の上下方向ほぼ中央に仕切り材１３が設けられ上部と下部に仕切っている。仕切り材１３の両端には後述するアノード排ガスとカソード排ガスに含まれる未燃焼ガスを燃焼用触媒で燃焼する触媒燃焼器１４が配置され、高温の燃焼排ガスを内容器下部に供給する。内容器１１上部には燃料電池１５が積層されて配置されている。燃料電池１５は電解質板１５ａと、この両側に設けられたカソード１５ｂとアノード１５ｃから構成される。内容器１１下部には改質器１６が積層されて配置されている。改質器１６は、燃料ガスを改質触媒とともに加熱して水素を主体とする改質ガス（アノードガス）を生成する改質室１６ａと、この改質ガスで改質室１６ａを加熱するＨＸゾーン１６ｂよりなる。なお、改質器１６の周囲は触媒燃焼器１４より排出された燃焼排ガスで覆われ加熱されている。
【００１６】
外容器１２内の頂部にはカソードブロワ１７が設けられ、容器内底部には炭酸ガスブロワ１８が設けられている。これらのブロワ１７，１８を駆動する電動機は外容器１２外に設けられている。内容器１１と外容器１２との間に形成される空間を外部流路１９とする。内容器１１の頂部外側で外容器１２内に循環案内構造２０が設けられている。この循環案内構造２０の下面と内容器１１の頂部で構成される流路のレベルの外容器１２に空気口２１が設けられ、内容器１１の上部から外容器１２を貫通してカソード排ガスを外部に供給する排ガス口２２が設けられている。内容器１１頂部にはカソード１５ｂに供給するカソードガスを導入する押し込み口２３が設けられ、内容器１１底部には改質器１６を加熱した燃焼排ガスを排出する排出口２４が設けられている。
【００１７】
循環案内構造２０は、中空箱状で底部に内容器１１の上部と連通し、カソード排ガスを吸引する複数の吸引管２５が設けられ、頂部には吸引したカソード排ガスをカソードブロワ１７が吸い出す吸い出し口２６が設けられている。かかる構成により、内容器１１上部のカソード１５ｂより排出されたカソード排ガスの一部はカソードブロワ１７により吸引され空気口２１から供給される空気と、外部流路１９を上昇してくる燃焼排ガスと混合されてカソードガスになり、内容器１１頂板の押し込み口２３より内容器１１上部に導入され、燃料電池１５のカソード１５ｂに供給される。この構造は図６に示すリサイクルラインを構成している。
【００１８】
水蒸気を含む燃料ガスを供給する燃料配管３０が各改質室１６ａに接続されている。配管３０と各改質室１６ａとの取り合いの構造はヘッダーとなっている。各改質器１６のＨＸゾーン１６ｂと各燃料電池１５のアノード１５ｃはアノード配管３１により接続され、各改質室１６ａで生成したアノードガスが各アノード１５ｃに供給される。このアノード配管３１はヘッダー構造になっている。各アノード１５ｃと触媒燃焼器１４を接続するアノード排ガス配管３２が設けられ、アノード排ガスを触媒燃焼器１４に供給する。このアノード排ガス配管３２もヘッダー構造になっている。
【００１９】
図２において、丸の中に黒丸のある符号は紙面の下から上への流れを示し、丸の中にばつのある符号は紙面の上から下への流れを示す。また実線の矢印はカソード１５ｂ内のカソードガスの流れを示し、破線の矢印はアノード１５ｃ内のアノードガスの流れを示す。燃料電池１５は幅方向に４個が並んで１組となり、この組みが互いに対向して配置されている。なおこの配置は一例であり、幅方向４個の代わりに任意の数としてもよい。カソードガスは内容器１１の押し込み口２３から導入され、各カソード１５ｂに流入する。またアノードガスはアノード配管３１から各アノード１５ｃに供給される。カソード排ガスは３方向に分かれ、一方は内容器１１の頂板に設けられた複数の吸引管２５から吸引され、他の一方は触媒燃焼器１４に吸引され、残りは排ガス口２２から排出され、圧縮空気を発生したり、燃料ガスに混入する水蒸気を発生する熱源としてエネルギを回収される。アノード１５ｃからのアノード排ガスはアノード排ガス管３２により触媒燃焼器１４に送られる。外部流路１９からは炭酸ガスブロワ１８により吸引された燃焼排ガスが上昇する。
【００２０】
図３において、丸の中の黒丸と丸の中のばつの符号は図２と同じ意味を示し、矢印は燃焼排ガスの流れを示す。改質器１６も幅方向に４個が並んで１組となり、この組みが互いに対向して配置されている。なおこの配置は一例であり、幅方向４個の代わりに任意の数としてもよい。燃焼排ガスは触媒燃焼器１４から内容器１１の下部に排出され、各改質室１６ａを包んでこれらを加熱した後、排出口２４から炭酸ガスブロワ１８により吸引され外部流路１９に排出される。
【００２１】
以上のように構成された装置の動作を説明する。
燃料配管３０から水蒸気を含む都市ガスなどの燃料ガスが供給され、改質室１６ａに入り水素を主とする改質ガス（アノードガス）が生成され、ＨＸゾーン１６ｂで熱交換してアノード配管３１により燃料電池１５のアノード１５ｃに供給される。一方内容器１１の頂板の押し込み口２３からは酸素と炭酸ガスを含むカソードガスが押し込まれ、カソード１５ｂに供給される。電池１５内で電池反応により電気を発生した後、カソード１５ｂからは酸素を含むカソード排ガスが排出され、アノード１５ｃからは未燃焼の水素や一酸化炭素などを含むアノード排ガスが排出され、このカソード排ガスの一部とアノード排ガスは触媒燃焼器１４で触媒の作用で燃焼し、高温の燃焼排ガスを内容器１１の下部に排出する。
【００２２】
燃焼排ガスは改質器１６を包んで改質室１６ａの改質反応に必要な熱を与え、炭酸ガスブロワ１８に吸引されて排出口２４から外部流路１９を上昇する。カソード排ガスの他の一部は、吸引管２５よりカソードブロワ１７に吸引され、空気口２１から供給される空気と、外部流路１９を上昇してきた炭酸ガスを含む燃焼排ガスと混合されてカソードガスになり、押し込み口２３よりカソード１５ｂに供給される。
【００２３】
次に、図４により他の実施形態を説明する。本実施形態は図１に示す燃料電池装置に対し、内容器１１の上部に改質器１６を配置し、下部に燃料電池１５を配置し、これに伴い炭酸ガスブロワ１８を外容器内で外容器１２の頂部に配置し、カソードブロワ１７と循環案内構造２０等を外容器内で外容器１２の底部に配置したものである。本実施形態の機能と動作は図１に示した実施形態とほぼ同じである。
【００２４】
なお、本発明は上述した実施例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で種々変更できることは勿論である。例えば、上述した実施形態では、内外容器１１，１２は角形の場合を示したが円筒形のものも可能である。また、内外容器は垂直にしても、水平にしても良い。また、燃料電池のアノード配管３１、３２は内部マニホールド構造とすることもできる。
【００２５】
【発明の効果】
上述したように、本発明の燃料電池装置は、内容器と外容器内に燃料電池、改質器、燃焼器、ブロワ類を配置し、リサイクルラインの流路をこの二重容器で構成しているので、大きな流路を確保でき圧損を低下させて効率を向上させるとともに、他の系統の配管も容器の構造で代替することとあいまってコンパクトな装置を実現できる。また高温で流量の多いリサイクルラインが容器内に格納されているため放熱量が少くなり装置の効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の二重容器型燃料電池装置の縦断面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ断面図である。
【図３】図１のＹ−Ｙ断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態の二重容器型燃料電池装置の縦断面図である。
【図５】本発明の二重容器型燃料電池装置の基本構成図である。
【図６】従来の燃料電池装置の基本構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 改質器
２ａ 改質室
２ｂ ＨＸゾーン
３ 燃焼器
５ 炭酸ガスブロワ
６ カソードブロワ
７ 容器
８ リサイクルライン
１１ 内容器
１２ 外容器
１３ 仕切り材
１４ 触媒燃焼器
１５ 燃料電池
１５ａ 電解質板
１５ｂ カソード
１５ｃ アノード
１６ 改質器
１６ａ 改質室
１６ｂ ＨＸゾーン
１７ カソードブロワ
１８ 炭酸ガスブロワ
１９ 外部流路
２０ 循環案内構造
２０ａ 整流材
２１ 空気口
２２ 排ガス口
２３ 押し込み口
２４ 排出口
２５ 吸引管
２６ 吸出口
３０ 燃料配管
３１ アノード配管
３２ アノード排ガス配管
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池を用い、これを二重の容器に格納した二重容器型燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融炭酸塩型燃料電池は、電解質として高温で溶融状態になる溶融炭酸塩を用いたものであり、約６５０℃前後の高温で作動し高い発電効率を達成できる特徴を有している。
図６は、かかる溶融炭酸塩型燃料電池を用いた従来の燃料電池装置の基本構成を示す。この図において、１はカソードとアノードとを有する燃料電池であり、２は水蒸気を含む燃料ガスを改質して水素を主成分とする改質ガス（アノードガス）にする装置で、改質反応を行なう改質室とこの改質室を加熱する加熱室よりなる改質器である。３は燃料電池１の排ガスを再度燃焼して燃焼排ガスを生成し、この燃焼排ガスを加熱室に供給する燃焼器である。４は燃料ガスを加熱する熱交換器で、改質室からの改質ガスにより燃料ガスを加熱して改質室に送り込む。５は炭酸ガスブロワで加熱室から出た燃焼排ガスをカソードに送り込む。６はカソードブロワでカソード排ガスの一部を吸引し、炭酸ガスブロワ５からの燃焼排ガスと空気とを混合してカソードガスとしカソードに供給する。７は燃料電池１、改質器２、燃焼器３、熱交換器４を格納する格納容器である。８はリサイクルラインでカソード排ガスの一部をカソードに循環させるラインであり、流量が多いため大径管で構成され、高温のガスが流れる。各機器１〜６は配管で接続されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
かかる従来の燃料電池装置では、リサイクルラインは大流量のため大径となり配置スペースが大きく装置のコンパクト化が困難であった。また高温であり、容器７外部に配置されているため熱損失が多かった。
【０００４】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、コンパクトで熱損失の少ない二重容器型燃料電池装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明では、仕切り材で上下に仕切られ上部に積層電池を配置し、下部に改質器を配置し、前記仕切り材には積層電池のカソード排ガスとアノード排ガスとを燃焼して燃焼排ガスを下部に排出する燃焼器が配置された内容器と、この内容器を包囲し、内容器底部に設けられた排出口より流出する前記燃焼排ガスを内容器頂部へ導く外部流路を形成する外容器と、この外容器内の底部に設けられ前記燃焼排ガスを前記外部流路に導く炭酸ガスブロワと、この外容器内の頂部に設けられ、内容器頂部に設けられた吸引口より積層電池のカソード排ガスを吸引し、前記外部流路に導入される空気と、この外部流路からの燃焼排ガスを混合してカソードガスとし内容器頂部に設けられた押し込み口よりこのカソードガスを押し込むカソードブロワ装置と、前記改質器に燃料ガスを供給する燃料配管と、この改質器で生成されたアノードガスを積層電池の各アノードに供給するアノード配管と、アノードからのアノード排ガスを前記燃焼器に導くアノード排ガス配管とを備える。
【０００６】
上記本発明の構成によれば、カソードブロワの循環作用によって供給されるカソードガスと改質器からのアノードガスにより燃料電池は発電し、カソード排ガスとアノード排ガスを放出するが、このカソード排ガスの一部は内容器を通り、アノード排ガスはアノード排ガス管を通り、仕切り材に設けられた燃焼器に入り、再燃焼して高温の燃焼排ガスとなり、炭酸ガスブロワに吸引されて内容器下部に入り、改質器を加熱し炭酸ガスブロワに吸引されて外部流路に入り、外部流路に導入された空気とともにカソードブロワに吸引された燃料電池からのカソード排ガスと混合してカソードガスとなる。このカソードガスは内容器頂部の押し込み口より各燃料電池のカソードに供給される。一方燃料配管から供給された水蒸気を含む燃料ガスは改質器で燃焼排ガスによって加熱されアノードガスとなり、アノード配管によりアノードに供給される。リサイクルラインは内容器と外容器との間の空間に案内板等を入れることにより構成でき、配管を用いる場合に比べ小さなスペースでよい。また外容器の内側で内容器とも接しているので放熱を容易に少くすることができる。
【０００７】
請求項２の発明では、仕切り材で上下に仕切られ上部に改質器を配置し、下部に積層電池を配置し、前記仕切り材には積層電池のカソード排ガスとアノード排ガスとを燃焼して燃焼排ガスを上部に排出する燃焼器が配置された内容器と、この内容器を包囲し、内容器頂部に設けられた排出口より流出する前記燃焼排ガスを内容器底部へ導く外部流路を形成する外容器と、この外容器内の頂部に設けられ前記燃焼排ガスを前記外部流路に導く炭酸ガスブロワと、この外容器内の底部に設けられ、内容器底部に設けられた吸引口より積層電池のカソード排ガスを吸引し、前記外部流路に導入される空気と、この外部流路からの燃焼排ガスとを混合してカソードガスとし内容器底部に設けられた押し込み口よりこのカソードガスを押し込むカソードブロワ装置と、前記改質器に燃料ガスを供給する燃料配管と、この改質器で生成されたアノードガスを積層電池の各アノードに供給するアノード配管と、アノードからのアノード排ガスを前記燃焼器に導くアノード排ガス配管とを備える。
【０００８】
本発明は請求項１の発明の内容器の燃料電池と改質器との配置を上下入れ換え、これに伴い炭酸ガスブロワとカソードブロワ装置を上下入れ換えたもので、請求項１の発明とほぼ同じ機能を有し、動作をする。
【０００９】
請求項３の発明では、請求項１または２の改質器は積層して設けられ、前記燃料配管は各改質器毎に燃料ガスを供給するヘッダーを有し、前記アノード配管はｍ個の改質器からアノードガスをｎ個の電池に供給するヘッダーである。
【００１０】
改質器も複数設けこれを積層することにより据付スペースを小さくする。各改質器入側にはヘッダーが接続され、このヘッダーは燃料配管に接続されている。また改質器出側にもヘッダーが接続され、このヘッダーは燃料電池のアノードに接続され、ｍ個の改質器とｎ個のアノードを接続する。
【００１１】
請求項４の発明では、前記内容器と前記外容器は角形である。
【００１２】
内外容器を角形にすることにより、角形の電池および改質器を配置することができる。角形の電池および改質器はガスの流路を一様断面とすることができ、安定した性能が得られる。また製作も容易となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図１は、本発明の二重容器型燃料電池装置の縦断面図であり、図２は図１のＸ−Ｘ断面図、図３は図１のＹ−Ｙ断面図である。また図５は本発明の基本構成を説明する図である。先ず基本構成を図５を用い、従来の図６と対比して説明する。太線で示した流路は内容器、外容器にて構成される流路を示す。
【００１４】
１はカソードとアノードとを有する燃料電池、２は水蒸気を含む燃料ガスを改質して水素を主成分とする改質ガス（アノードガス）にする装置であり、改質反応を行なう改質室２ａとこの改質室２ａで生成されたアノードガスにより改質室２ａを加熱してゆくＨＸ（熱交換器）ゾーン２ｂである。３は燃料電池１の排ガスを再度燃焼して燃焼排ガスを生成し、この燃焼排ガスを加熱室に供給する燃焼器である。この燃焼排ガスが改質器２を覆うようになっており、改質室２ａはこの燃焼排ガスで加熱される。改質室２ａを出た改質ガスは、Ｈｘゾーン２ｂにて改質器内部で熱交換されるため、図６に示す燃料ガスを加熱する熱交換器４は用いられていない。５は炭酸ガスブロワで改質器２を加熱した燃焼排ガスをカソードに送り込む。６はカソードブロワでカソード排ガスの一部を吸引し、炭酸ガスブロワ５からの燃焼排ガスと空気とを混合してカソードガスとしカソードに供給する。７は燃料電池１、改質器２、燃焼器３、炭酸ガスブロワ５、カソードブロワ６を格納する格納容器である。８はリサイクルラインでカソード排ガスの一部をカソードに循環させるラインであり、容器で構成された流路を流れる。燃料ガスを改質器２に供給する燃料配管３０、改質器２で生成したアノードガスをアノードに供給するアノード配管３１、アノードからのアノード排ガスを燃焼器３に供給するアノード排ガス配管３２は配管で構成されている。
【００１５】
図１において、１１は内容器、１２は外容器でいずれも角形であり、内容器１１を外容器１２が覆っている。内容器１１の上下方向ほぼ中央に仕切り材１３が設けられ上部と下部に仕切っている。仕切り材１３の両端には後述するアノード排ガスとカソード排ガスに含まれる未燃焼ガスを燃焼用触媒で燃焼する触媒燃焼器１４が配置され、高温の燃焼排ガスを内容器下部に供給する。内容器１１上部には燃料電池１５が積層されて配置されている。燃料電池１５は電解質板１５ａと、この両側に設けられたカソード１５ｂとアノード１５ｃから構成される。内容器１１下部には改質器１６が積層されて配置されている。改質器１６は、燃料ガスを改質触媒とともに加熱して水素を主体とする改質ガス（アノードガス）を生成する改質室１６ａと、この改質ガスで改質室１６ａを加熱するＨＸゾーン１６ｂよりなる。なお、改質器１６の周囲は触媒燃焼器１４より排出された燃焼排ガスで覆われ加熱されている。
【００１６】
外容器１２内の頂部にはカソードブロワ１７が設けられ、容器内底部には炭酸ガスブロワ１８が設けられている。これらのブロワ１７，１８を駆動する電動機は外容器１２外に設けられている。内容器１１と外容器１２との間に形成される空間を外部流路１９とする。内容器１１の頂部外側で外容器１２内に循環案内構造２０が設けられている。この循環案内構造２０の下面と内容器１１の頂部で構成される流路のレベルの外容器１２に空気口２１が設けられ、内容器１１の上部から外容器１２を貫通してカソード排ガスを外部に供給する排ガス口２２が設けられている。内容器１１頂部にはカソード１５ｂに供給するカソードガスを導入する押し込み口２３が設けられ、内容器１１底部には改質器１６を加熱した燃焼排ガスを排出する排出口２４が設けられている。
【００１７】
循環案内構造２０は、中空箱状で底部に内容器１１の上部と連通し、カソード排ガスを吸引する複数の吸引管２５が設けられ、頂部には吸引したカソード排ガスをカソードブロワ１７が吸い出す吸い出し口２６が設けられている。かかる構成により、内容器１１上部のカソード１５ｂより排出されたカソード排ガスの一部はカソードブロワ１７により吸引され空気口２１から供給される空気と、外部流路１９を上昇してくる燃焼排ガスと混合されてカソードガスになり、内容器１１頂板の押し込み口２３より内容器１１上部に導入され、燃料電池１５のカソード１５ｂに供給される。この構造は図６に示すリサイクルラインを構成している。
【００１８】
水蒸気を含む燃料ガスを供給する燃料配管３０が各改質室１６ａに接続されている。配管３０と各改質室１６ａとの取り合いの構造はヘッダーとなっている。各改質器１６のＨＸゾーン１６ｂと各燃料電池１５のアノード１５ｃはアノード配管３１により接続され、各改質室１６ａで生成したアノードガスが各アノード１５ｃに供給される。このアノード配管３１はヘッダー構造になっている。各アノード１５ｃと触媒燃焼器１４を接続するアノード排ガス配管３２が設けられ、アノード排ガスを触媒燃焼器１４に供給する。このアノード排ガス配管３２もヘッダー構造になっている。
【００１９】
図２において、丸の中に黒丸のある符号は紙面の下から上への流れを示し、丸の中にばつのある符号は紙面の上から下への流れを示す。また実線の矢印はカソード１５ｂ内のカソードガスの流れを示し、破線の矢印はアノード１５ｃ内のアノードガスの流れを示す。燃料電池１５は幅方向に４個が並んで１組となり、この組みが互いに対向して配置されている。なおこの配置は一例であり、幅方向４個の代わりに任意の数としてもよい。カソードガスは内容器１１の押し込み口２３から導入され、各カソード１５ｂに流入する。またアノードガスはアノード配管３１から各アノード１５ｃに供給される。カソード排ガスは３方向に分かれ、一方は内容器１１の頂板に設けられた複数の吸引管２５から吸引され、他の一方は触媒燃焼器１４に吸引され、残りは排ガス口２２から排出され、圧縮空気を発生したり、燃料ガスに混入する水蒸気を発生する熱源としてエネルギを回収される。アノード１５ｃからのアノード排ガスはアノード排ガス管３２により触媒燃焼器１４に送られる。外部流路１９からは炭酸ガスブロワ１８により吸引された燃焼排ガスが上昇する。
【００２０】
図３において、丸の中の黒丸と丸の中のばつの符号は図２と同じ意味を示し、矢印は燃焼排ガスの流れを示す。改質器１６も幅方向に４個が並んで１組となり、この組みが互いに対向して配置されている。なおこの配置は一例であり、幅方向４個の代わりに任意の数としてもよい。燃焼排ガスは触媒燃焼器１４から内容器１１の下部に排出され、各改質室１６ａを包んでこれらを加熱した後、排出口２４から炭酸ガスブロワ１８により吸引され外部流路１９に排出される。
【００２１】
以上のように構成された装置の動作を説明する。
燃料配管３０から水蒸気を含む都市ガスなどの燃料ガスが供給され、改質室１６ａに入り水素を主とする改質ガス（アノードガス）が生成され、ＨＸゾーン１６ｂで熱交換してアノード配管３１により燃料電池１５のアノード１５ｃに供給される。一方内容器１１の頂板の押し込み口２３からは酸素と炭酸ガスを含むカソードガスが押し込まれ、カソード１５ｂに供給される。電池１５内で電池反応により電気を発生した後、カソード１５ｂからは酸素を含むカソード排ガスが排出され、アノード１５ｃからは未燃焼の水素や一酸化炭素などを含むアノード排ガスが排出され、このカソード排ガスの一部とアノード排ガスは触媒燃焼器１４で触媒の作用で燃焼し、高温の燃焼排ガスを内容器１１の下部に排出する。
【００２２】
燃焼排ガスは改質器１６を包んで改質室１６ａの改質反応に必要な熱を与え、炭酸ガスブロワ１８に吸引されて排出口２４から外部流路１９を上昇する。カソード排ガスの他の一部は、吸引管２５よりカソードブロワ１７に吸引され、空気口２１から供給される空気と、外部流路１９を上昇してきた炭酸ガスを含む燃焼排ガスと混合されてカソードガスになり、押し込み口２３よりカソード１５ｂに供給される。
【００２３】
次に、図４により他の実施形態を説明する。本実施形態は図１に示す燃料電池装置に対し、内容器１１の上部に改質器１６を配置し、下部に燃料電池１５を配置し、これに伴い炭酸ガスブロワ１８を外容器内で外容器１２の頂部に配置し、カソードブロワ１７と循環案内構造２０等を外容器内で外容器１２の底部に配置したものである。本実施形態の機能と動作は図１に示した実施形態とほぼ同じである。
【００２４】
なお、本発明は上述した実施例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で種々変更できることは勿論である。例えば、上述した実施形態では、内外容器１１，１２は角形の場合を示したが円筒形のものも可能である。また、内外容器は垂直にしても、水平にしても良い。また、燃料電池のアノード配管３１、３２は内部マニホールド構造とすることもできる。
【００２５】
【発明の効果】
上述したように、本発明の燃料電池装置は、内容器と外容器内に燃料電池、改質器、燃焼器、ブロワ類を配置し、リサイクルラインの流路をこの二重容器で構成しているので、大きな流路を確保でき圧損を低下させて効率を向上させるとともに、他の系統の配管も容器の構造で代替することとあいまってコンパクトな装置を実現できる。また高温で流量の多いリサイクルラインが容器内に格納されているため放熱量が少くなり装置の効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の二重容器型燃料電池装置の縦断面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ断面図である。
【図３】図１のＹ−Ｙ断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態の二重容器型燃料電池装置の縦断面図である。
【図５】本発明の二重容器型燃料電池装置の基本構成図である。
【図６】従来の燃料電池装置の基本構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 改質器
２ａ 改質室
２ｂ ＨＸゾーン
３ 燃焼器
５ 炭酸ガスブロワ
６ カソードブロワ
７ 容器
８ リサイクルライン
１１ 内容器
１２ 外容器
１３ 仕切り材
１４ 触媒燃焼器
１５ 燃料電池
１５ａ 電解質板
１５ｂ カソード
１５ｃ アノード
１６ 改質器
１６ａ 改質室
１６ｂ ＨＸゾーン
１７ カソードブロワ
１８ 炭酸ガスブロワ
１９ 外部流路
２０ 循環案内構造
２０ａ 整流材
２１ 空気口
２２ 排ガス口
２３ 押し込み口
２４ 排出口
２５ 吸引管
２６ 吸出口
３０ 燃料配管
３１ アノード配管
３２ アノード排ガス配管
Claims (4)
- 仕切り材で上下に仕切られ上部に積層電池を配置し、下部に改質器を配置し、前記仕切り材には積層電池のカソード排ガスとアノード排ガスとを燃焼して燃焼排ガスを下部に排出する燃焼器が配置された内容器と、この内容器を包囲し、内容器底部に設けられた排出口より流出する前記燃焼排ガスを内容器頂部へ導く外部流路を形成する外容器と、この外容器内の底部に設けられ前記燃焼排ガスを前記外部流路に導く炭酸ガスブロワと、この外容器内の頂部に設けられ、内容器頂部に設けられた吸引口より積層電池のカソード排ガスを吸引し、前記外部流路に導入される空気と、この外部流路からの燃焼排ガスを混合してカソードガスとし内容器頂部に設けられた押し込み口よりこのカソードガスを押し込むカソードブロワ装置と、前記改質器に燃料ガスを供給する燃料配管と、この改質器で生成されたアノードガスを積層電池の各アノードに供給するアノード配管と、アノードからのアノード排ガスを前記燃焼器に導くアノード排ガス配管とを備えたことを特徴とする二重容器型燃料電池装置。
- 仕切り材で上下に仕切られ上部に改質器を配置し、下部に積層電池を配置し、前記仕切り材には積層電池のカソード排ガスとアノード排ガスとを燃焼して燃焼排ガスを上部に排出する燃焼器が配置された内容器と、この内容器を包囲し、内容器頂部に設けられた排出口より流出する前記燃焼排ガスを内容器底部へ導く外部流路を形成する外容器と、この外容器内の頂部に設けられ前記燃焼排ガスを前記外部流路に導く炭酸ガスブロワと、この外容器内の底部に設けられ、内容器底部に設けられた吸引口より積層電池のカソード排ガスを吸引し、前記外部流路に導入される空気と、この外部流路からの燃焼排ガスを混合してカソードガスとし内容器底部に設けられた押し込み口よりこのカソードガスを押し込むカソードブロワ装置と、前記改質器に燃料ガスを供給する燃料配管と、この改質器で生成されたアノードガスを積層電池の各アノードに供給するアノード配管と、アノードからのアノード排ガスを前記燃焼器に導くアノード排ガス配管とを備えたことを特徴とする二重容器型燃料電池装置。
- 前記改質器は積層して設けられ、前記燃料配管は各改質器毎に燃料ガスを供給するヘッダーを有し、前記アノード配管はｍ個の改質器からアノードガスをｎ個の電池に供給するヘッダーである、ことを特徴とする請求項１または２記載の二重容器型燃料電池装置。
- 前記内容器と前記外容器は角形であることを特徴とする請求項１または２記載の二重容器型燃料電池装置。
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