JP4052447B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は、電気化学反応による発電方式を利用した発電装置であり、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有する。このため、21世紀を担う都市型のエネルギー供給システムとして、実用化に向けた研究開発が進んでいる。
【0003】
図8は、従来の燃料電池の一例であるワンスルータイプの燃料電池を示した概略構成図である。なお、図8では、燃料電池の作動に使用される各種ガスの予熱と熱交換に関する構造、及び発電された電力の集電に関する構造は省略してある。ワンスルータイプの燃料電池とは、燃料ガスの流動方法について、セルチューブの一端から供給された燃料ガスがセルチューブの他端から排出されるタイプの燃料電池である。
【0004】
同図に示すように、燃料電池1は、複数の円筒形状のセルチューブ2(図には3本を図示)と、セルチューブ2に燃料ガス4を供給する供給室3aと、セルチューブ2から排出燃料ガス5を排出する排出室3bと、酸化剤ガス6が供給される酸化剤供給室25とからなる。
【0005】
上部管板21及び下部管板22には、セルチューブ2を通す穴が設けられ、この穴にセルチューブ2を通すことにより、セルチューブ2を支持すると共に、供給室3a及び排出室3bと酸化剤供給室25とを隔離している。また、上部支持体23及び下部支持体24はセルチューブ2を補助的に支持するものである。円筒形状のセルチューブ2は多孔質の材料からなり、その外周面に複数の燃料電池セル8が形成されている。なお、セルチューブ2の外表面に、燃料電池セル8を一素子のみ設けて燃料電池を構成してもよく、このタイプの燃料電池を単素子タイプの燃料電池という。
【0006】
燃料電池1により発電する場合には、供給室3aからセルチューブ2の内部に燃料ガス4として水素やメタン等を供給すると共に、セルチューブ2の外周面に酸化剤ガス6として酸素や空気等を供給する。更に、燃料電池1の内部を約800℃から1000℃の高温環境とすることにより、燃料ガス4と酸化剤ガス6とが燃料電池セル8において電気化学的に反応して発電が行われる。
【0007】
セルチューブ2を通過した燃料ガス4(未反応の燃料ガス等)は、排出室3bから排出燃料ガス5として燃料電池1の外部に排出される。また、酸化剤供給室25を通過した酸化剤ガス6(未反応の酸化剤ガス等)は、排出酸化剤ガス7として燃料電池1の外部に排出される。なお、セルチューブ2に酸化剤ガスを供給し、セルチューブ2の外周面に燃料ガスを供給してもよく、この場合には燃料電池セル8を構成する燃料極(図示せず)及び空気極(図示せず)の配置を逆にすればよい。
【0008】
前述するように、発電を行うためには、約800℃から1000℃の高温環境における化学反応を利用するため、外部から燃料ガス4及び酸化剤ガス6を供給する際に、予めガスを予熱しておく必要がある。これは、供給するガスの予熱を行わないと、燃料電池セル8の温度を低下させる結果、発電効率の低下及び発電自体の不安定化を招く危険性があるからである。
【0009】
予熱は、効率の面から高温の排出ガスを利用して行われる。すなわち、排出室3bから排出された高温の排出燃料ガス5と燃料電池1に供給される酸化剤ガス6とを熱交換し、酸化剤ガス6を予熱する。また、高温の排出酸化剤ガス7と燃料電池1に供給される燃料ガス4とを熱交換し、燃料ガス4を予熱する。このため、排出ガスの排出経路内には、熱交換のための設備機器や配管が設置されている(例えば、特許文献1参照)。
【0010】
【特許文献1】
特開2002−63916号公報
【0011】
上記特許文献1に記載された燃料電池では、セルチューブ(文献では基体管に相当)に供給される燃料ガスの予熱については、特に記載されていない。しかしながら、予熱をしない燃料ガスを使用する場合には、発電効率は低く、文献に記載された燃料電池において、発電効率を向上させるためには、前述する熱交換設備等が必要である。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池の作動環境は800℃〜1000℃という極めて高温の環境であり、予熱の不足分を補うため、ヒーターなどの熱源による加熱や、排出経路内に設置された熱交換設備等を大型化する必要があった。
【0013】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、燃料電池の内部で効率的に熱交換を行い、燃料電池の内部において発生する熱を有効に利用することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決する[第1の発明]は、筒状の基体管の内部に第1ガスを供給すると共に、前記基体管の外面に設けられた燃料電池セルに第2ガスを供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第1ガスと前記第2ガスとを電気化学的に反応させて発電する際に、前記基体管の内側を通る前記第1ガスと、前記基体管の外側を通る前記第2ガスとが前記基体管を介して熱交換を行う燃料電池において、前記基体管の内部に設けられ、前記基体管内の前記第1ガスの流路を狭くする中子本体と、前記中子本体の表面に設けられ、前記中子本体を前記基体管に対しセンタリングするセンタリング手段と、前記中子本体の一端に設けられ、前記中子本体を前記基体管に支持する中子支持手段とからなる中子を有し、前記中子支持手段が前記基体管の端部に引っ掛かることにより、前記中子が前記基体管に懸架され、前記基体管の一端から前記第1ガスが供給されると共に、前記基体管の他端から前記第1ガスが排出されるワンスルータイプの燃料電池であることを特徴とする燃料電池である。
前述した課題を解決する[第2の発明]は、筒状の基体管の内部に第1ガスを供給すると共に、前記基体管の外面に設けられた燃料電池セルに第2ガスを供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第1ガスと前記第2ガスとを電気化学的に反応させて発電する際に、前記基体管の内側を通る前記第1ガスと、前記基体管の外側を通る前記第2ガスとが前記基体管を介して熱交換を行う燃料電池において、前記基体管の内部に設けられ、前記基体管内の前記第1ガスの流路を狭くする中子本体と、前記中子本体の表面に設けられ、前記中子本体を前記基体管に対しセンタリングするセンタリング手段と、前記中子本体の一端に設けられ、前記中子本体を前記基体管に支持する中子支持手段とからなる中子を有し、更に前記基体管の端部に設けられるキャップを有し、前記キャップと前記基体管の端部との間に、前記中子支持手段が挟み込まれることにより、前記中子が前記基体管に支持され、前記基体管の一端から前記第1ガスが供給されると共に、前記基体管の他端から前記第1ガスが排出されるワンスルータイプの燃料電池であることを特徴とする燃料電池である。
【0017】
中子本体に設置された中子支持手段により、中子を基体管の内部に支持し、中子を設置することにより形成された基体管と中子との隙間を第1ガスが流動することにより、第1ガスと基体管の外部を流動する第2ガスとの熱伝導を効率よく行う。中子本体は、基体管の内部に入るものであれば、形状、大きさはどの様なものでもよい。中子の形状としては、例えば、円柱形状(断面が円形)、角柱形状(断面が多角形)、断面が星型や楕円である柱形状等がある。
【0020】
中子支持手段は、中子(中子本体)に設置されており、中子支持手段が基体管の端部に挟み込まれることで、中子(中子本体)が基体管に支持される。
【0021】
前述した課題を解決する[第3の発明]は、筒状の基体管の内部に第1ガスを供給すると共に、前記基体管の外面に設けられた燃料電池セルに第2ガスを供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第1ガスと前記第2ガスとを電気化学的に反応させて発電する際に、前記基体管の内側を通る前記第1ガスと、前記基体管の外側を通る前記第2ガスとが前記基体管を介して熱交換を行う燃料電池において、前記基体管の内部に設けられ、前記基体管内の前記第1ガスの流路を狭くする中子本体と、前記中子本体の表面に設けられ、前記中子本体を前記基体管に対してセンタリングするセンタリング手段とからなる中子を有すると共に、前記基体管の下端に設けられるキャップを有し、前記中子本体の下端には、前記第1ガスの流路を前記中子の外側と内側とで流路変更する流路変更部が更に設けられ、前記中子が鉛直方向へ移動しないように前記キャップで支持されることにより、前記中子が前記基体管に支持され、前記基体管の一端から前記第1ガスが供給されると共に、前記基体管の他端から前記第1ガスが排出されるワンスルータイプの燃料電池であることを特徴とする燃料電池である。
前述した課題を解決する[第4の発明]は、[第1の発明]ないし[第3の発明]のいずれか一に係る燃料電池において、前記第1ガスは燃料ガスであり、前記第2ガスは酸化剤ガスであることを特徴とする燃料電池である。
前述した課題を解決する[第5の発明]は、[第1の発明]ないし[第3の発明]のいずれか一に係る燃料電池において、前記第1ガスは酸化剤ガスであり、前記第2ガスは燃料ガスであることを特徴とする燃料電池である。
【0022】
流路変更部とは、第1ガスを中子本体の外面から内側へ導き、中子の中央から第1ガスを排出するように流路変更する機能を有する構造部である。また、逆に第1ガスを中子の中央から供給し、中子本体の外側へ導くように流路変更する機能を有する構造部である。流路変更部は、第1ガスの流動方向により、前記2つのいずれかの機能を有する。
【0023】
中子本体は、基体管の内部に入るものであれば、形状、大きさはどの様なものでもよい。中子の形状としては、例えば、円柱形状(断面が円形)、角柱形状(断面が多角形)、断面が星型や楕円である柱形状等がある。
【0024】
前述した課題を解決する[第6の発明]は、[第1の発明]ないし[第4の発明]のいずれか一に係る燃料電池において、前記中子は前記第1ガスを改質する触媒を具備することを特徴とする燃料電池である。
【0025】
基体管の内部を通過する第1ガスに対して、基体管の上流側に設けた触媒を具備する中子は、次の二つの役割を果たす。1つ目の役割は、第1ガスを燃料電池で使用可能なガスに改質することである。この改質の際に必要な熱は、燃料電池の発熱を利用するため、別途改質器がいらず、効率が向上する。2つ目の役割は、セルに有害な硫黄分等の除去など、供給ガスを浄化することである。逆に、基体管の下流側に触媒を具備する中子を設けた場合には、燃料電池から排出される第1ガスの熱を利用して供給空気の予熱を促進するとともに、燃料電池から排出される第1ガスを浄化させる等することができる。
【0026】
前述した課題を解決する[第7の発明]は、[第2の発明]または[第3の発明]に係る燃料電池において、前記キャップは、前記基体管に設置された導電性のリード膜に密接して、前記燃料電池セルが発電した電力を外部に集電する集電キャップであることを特徴とする燃料電池である。
【0027】
集電方法としては、外面集電と内面集電とがある。よって、集電キャップとしては、外面集電型の集電キャップであっても、内面集電型の集電キャップであってもよい。外面集電型とは、リード膜が基体管の外面の端部まで形成され、燃料電池セルにおいて発電された電力を基体管の外面から集電する方法である。一方、リード膜が基体管の端部において内側にまで折り返して設けられ、基体管の内側に集電キャップを嵌め込むことで集電する方法を内面集電という。
【0029】
燃料電池セルに供給される第1又は第2のガスを十分に予熱しておくことで、燃料電池の発電効率を向上させる。
【0031】
ワンスルータイプの燃料電池とは、燃料ガスの流動方法について、セルチューブの一端から供給された燃料ガスがセルチューブの他端から排出されるタイプの燃料電池である。
【0034】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態に基づいて本発明を更に具体的に説明するが、以下の実施形態は本発明を限定するものではない。
【0035】
[第1の実施形態]
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池の熱交換構造を取り付けた燃料電池の概略構成図である。なお、図1では、発電された電力の集電に関する構造は省略してある。
【0036】
同図に示すように、燃料電池1は、複数の円筒形状のセルチューブ2(図には3本を図示)と、セルチューブ2に燃料ガス4を供給する供給室3aと、セルチューブ2から排出燃料ガス5を排出する排出室3bと、酸化剤ガス6が供給される酸化剤供給室25とからなる。
【0037】
上部管板21及び下部管板22には、セルチューブ2を通す穴が設けられ、この穴にセルチューブ2を通すことにより、セルチューブ2を支持すると共に、供給室3a及び排出室3bと酸化剤供給室25とを隔離している。また、上部支持体23及び下部支持体24はセルチューブ2を補助的に支持するものである。
【0038】
中子13は、セルチューブ2の内径よりもやや小さい直径の円柱形状に成形されると共に、後述する方法によりセルチューブ2の内部における下端に取り付けられた部材であり、セルチューブ2内における燃料ガス4の流路を狭くするために設けられる。
【0039】
円筒形状のセルチューブ2は多孔質の材料からなり、その外周面に複数の燃料電池セル8が形成されている。なお、セルチューブ2の外表面に、燃料電池セル8を一素子のみ設けて燃料電池を構成してもよく、このタイプの燃料電池を単素子タイプの燃料電池という。
【0040】
燃料電池1により発電する場合には、供給室3aからセルチューブ2の内部に燃料ガス4として水素やメタン等を供給すると共に、セルチューブ2の外周面に酸化剤ガス6として酸素や空気等を供給する。更に、燃料電池1の内部を約800℃から1000℃の高温環境とすることにより、燃料ガス4と酸化剤ガス6とが燃料電池セル8において電気化学的に反応して発電が行われる。
【0041】
セルチューブ2を通過した燃料ガス4(未反応の燃料ガス等)は、排出室3bから排出燃料ガス5として燃料電池1の外部に排出される。また、酸化剤供給室25を通過した酸化剤ガス6(未反応の酸化剤ガス等)は、排出酸化剤ガス7として燃料電池1の外部に排出される。なお、セルチューブ2に酸化剤ガスを供給し、セルチューブ2の外周面に燃料ガスを供給してもよく、この場合には燃料電池セル8を構成する燃料極(図示せず)及び空気極(図示せず)の配置を逆にすればよい。
【0042】
前述するように、発電を行うためには、約800℃から1000℃の高温環境における化学反応を利用するため、外部から燃料ガス4及び酸化剤ガス6を供給する際に、予めガスを予熱しておく必要がある。これは、供給するガスの予熱を行わないと、燃料電池セル8の温度を低下させる結果、発電効率の低下及び発電自体の不安定化を招くおそれがあるからである。
【0043】
本実施形態においては、セルチューブ2の内部に中子13を設けることによりガスの予熱を行っている。以下、中子13がガスの予熱を行う仕組みを詳細に説明する。
【0044】
図2は、図1におけるセルチューブ2の下端の部分を拡大した図であり、第1の実施形態に係る熱交換構造の概略構成図である。また、図3は、中子13の概略を示した外観図であり、同図(a)は中子13の概略側面図、同図(b)は同図(a)におけるB矢視方向の概略図、同図(c)は同図(a)におけるC−C矢視断面図である。また、図4は、図2における集電キャップ20の概略外観図(a)と側断面図(b)である。
【0045】
図3に示すように、中子13は、円柱形状の中子本体15と、中子本体15の表面に設けられた凸部であるセンタリング部14(センタリング手段)と、中子本体15の一端に設けられた凹部16−1と、中子本体15の側面に設けられ、中子本体15の外面から凹部16−1に通じるガス流動口16−2とからなる。中子本体15の直径は、基体管10の内径よりも小さく、中子13が基体管10の内部に設置された場合には、センタリング部14が基体管10の内面に接するようになっている。
【0046】
図4に示すように、集電キャップ20は、ニッケル等の導電性材料で成形された円筒形状の部材の上部にガス穴30が設けられると共に、円筒の内側には弾性部31が設けられてなる。弾性部31は、円筒形状の集電キャップ20の内部において、円筒の中心及び径方向外側へ向かう方向に弾性的に動くことができるようになっている。
【0047】
図2に示すように、基体管10の外周面には、リード線の役割を果たすリード膜11が、最下部の燃料電池セル(図示せず)から基体管10の下端部まで形成されている。リード膜11の下部付近には保護膜12を形成せず、剥き出しの状態となっており、この剥き出しとなったリード膜11に集電キャップ20の弾性部31が付勢され密接することにより、集電キャップ20が取り付けられる。
【0048】
集電キャップ20には導線35が接続され、発電された電力が燃料電池の外部に取り出される。このように、燃料電池セルにおいて発電された電力を基体管10の外面から集電する方法を外面集電といい、集電キャップ20は外面集電型の集電キャップである。一方、リード膜11が基体管10の下端部において内側にまで設けられ、基体管10の内側に集電キャップを嵌め込むことで集電する方法を内面集電という。
【0049】
集電キャップ20に設けられたガス穴30は、中子13の直径よりもやや小さめに形成されている。このため、基体管10の下端部に取り付けられた集電キャップ20により、基体管10の内部に挿入された中子13が鉛直方向へずれないように支持されている。すなわち、集電キャップ20は中子13を支持する「中子支持手段」としても機能する部材である。
【0050】
また、中子13はセンタリング手段であるセンタリング部14を有する。このため、センタリング部14が中子本体15の中心軸と基体管10の中心軸とが重なるように中子13をセンタリングし、基体管10と中子本体15との間に一定の隙間が形成される。
【0051】
本実施形態に係る熱交換構造26では、中子13が「中子支持手段」である集電キャップ20により支持され、基体管10の内部に取り付けられており、基体管10の内部を通過する燃料ガス4の熱を基体管10の外部を通過する酸化剤ガス6に基体管10を介して伝導することで熱交換を行う。
【0052】
すなわち、燃料ガス4は、供給室3aから基体管10を通過する間に燃料電池内部の熱により加熱され、基体管10の下端部をにおいては800℃から1000℃のガスとなっている。一方、燃料電池の外部から供給された酸化剤ガス6は、燃料電池に供給された直後である基体管10の下部においては十分に加熱されていない。
【0053】
ここで、基体管10の下端部では、中子13が取り付けられ、基体管10と中子本体15との間に一定の隙間が形成されていることにより、燃料ガス4の流路が狭くなっている。このため、燃料ガス4の熱は、高い熱伝導率で基体管10を介して酸化剤ガス6に伝導する。基体管10と中子本体15との間の隙間を通過した燃料ガス4は、中子13の一端(下端)に設けられた流路変更路であるガス流動口16−2と凹部16−1とを通過し、排出燃料ガス5として排気室3bに排気される。
【0054】
これにより、燃料ガス4の残熱を効率よく酸化剤ガス6に伝導することができる。すなわち、予熱の不十分な酸化剤ガス6が供給されることによる発電効率の低下及び発電自体の不安定化を防止することができる。また、酸化剤ガス6の予熱の不足分を補うために、外部の熱交換設備またはヒーター等を大型化する必要がなくなる。
【0055】
なお、本実施形態では、燃料ガス4をセルチューブ2に供給すると共に、酸化剤ガスをセルチューブ2の外面に供給することとしたが、逆に、セルチューブ2に酸化剤ガスを供給し、セルチューブ2の外面に燃料ガスを供給してもよく、この場合には燃料電池セル8を構成する燃料極(図示せず)及び空気極(図示せず)の配置を逆にすればよい。
【0056】
また、集電キャップ20は、内面集電タイプの集電キャップまたは、集電機能を持たないキャップであってもよい。
【0057】
更に、燃料ガス4および酸化剤ガス6の流動方向を逆とし、燃料ガス4をセルチューブ2の下端部から供給し、酸化剤ガス6を上部支持体23側から下部支持体24側へ流動させるようにしてもよい。この場合、セルチューブ2の下端部に取り付けられた中子13は、前述した熱交換とは逆の熱伝導に基づく熱交換を行う。すなわち、酸化剤供給室25を通過して800℃から1000℃に加熱された酸化剤ガスの熱が基体管10を介して、外部から基体管10に供給された直後の燃料ガスに伝導することにより、燃料ガスを予熱する。
【0058】
燃料ガス4をセルチューブ2の下端部から供給する場合には、中子13の表面を改質触媒で覆うことで、基体管10に供給される燃料ガス4を予め改質して、燃料電池セルにおける反応効率を向上させることができる。改質触媒としては、多孔質で高表面積の担体(アルミナ、シリカ、マグネシア、ジルコニア等)に金属(Ni,Ru,Rh等)が担持された触媒等を使用することができる。
【0059】
[第2の実施形態]
図5は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池の熱交換構造の概略構成図である。本実施形態に係る燃料電池の熱交換構造は、図8に示したワンスルータイプの燃料電池に取り付けられており(更に、セルチューブ2の上端部に取り付けられている)、燃料電池全体の構成に関する説明は前述した通りである。また、図6は、本実施形態に係る中子13の概略を示した外観図であり、同図(a)は中子13の概略側面図、同図(b)は同図(a)におけるB矢視方向の概略図、同図(c)は同図(a)におけるC−C矢視断面図である。
【0060】
図6に示すように、中子13は、円柱形状の中子本体15と、中子本体15の表面に設けられた凸部であるセンタリング部14(センタリング手段)と、中子本体15の一端に設けられ、中子本体15の直径よりもやや大きい円盤部材のつば部17(中子支持手段)とからなる。つば部17には3つの切欠部18が設けられており、切欠部18は、つば部17の一部が、中子本体15の直径に達するまで欠損した構造となっている。中子本体15の直径は、基体管10の内径よりも小さくなっており、基体管10の内部においては、センタリング部14が基体管10の内面に接するようになっている。
【0061】
図5に示すように、基体管10の外周面には、リード線の役割を果たすリード膜11が、最上部の燃料電池セル(図示せず)から基体管10の上端部まで形成されている。リード膜11の上部付近には保護膜12を形成せず、剥き出しの状態となっており、この剥き出しとなったリード膜11に集電キャップ20の弾性部31が付勢され密接することにより、集電キャップ20が取り付けられる。集電キャップ20には導線35が接続され、発電された電力が燃料電池の外部に取り出される。
【0062】
なお、集電キャップ20の基本的な構造は、第1の実施形態で説明した集電キャップ(図4参照)と同様であるが、ガス穴30が第1の実施形態のときに比べてやや大きく成形されている。すなわち、本実施例に係る集電キャップ20のガス穴30の直径は、基体管10の内径と同じ大きさである。
【0063】
中子13の一端に設けられたつば部17の直径は、基体管10の外径とほぼ同じ大きさである。このため、基体管10の上端部につば部17が引っ掛かり、中子13は基体管10の内部に懸架されている。すなわち、つば部17は「中子支持手段」としての機能を有する。さらに、基体管10の上端部に取り付けられた集電キャップ20により、中子13のつば部17は、基体管10の上端部と集電キャップ20とに挟まれている。よって、集電キャップ20も中子支持手段としての機能を有する。この結果、中子13は、基体管10の内部に支持されている。
【0064】
また、中子13はセンタリング手段であるセンタリング部14を有する。このため、センタリング部14が中子本体15の中心軸と基体管10の中心軸とが重なるように中子15をセンタリングし、基体管10と中子本体15との間に一定の隙間が形成される。
【0065】
本実施形態に係る熱交換構造26では、中子13が基体管10の内部に取り付けられており、基体管10の外部を通過する排出酸化剤ガス7の熱を基体管10を介して基体管10の内部を通過する燃料ガス4に伝導することで熱交換を行う。
【0066】
すなわち、酸化剤ガス6は、酸化剤供給室25を通過する間に燃料電池内部の熱により加熱され、基体管10の上部においては800℃から1000℃の排出酸化剤ガス7となっている。一方、燃料電池の外部から供給された燃料ガス4は、燃料電池に供給された直後である基体管10の上端部(供給室3a付近)においては十分に加熱されていない。
【0067】
ここで、基体管10の上端部では、中子13が取り付けられ、基体管10と中子本体15との間に一定の隙間が形成されていることにより、燃料ガス4の流路が狭くなっている。このため、排出酸化剤ガス7の熱は、高い熱伝導率で基体管10を介して燃料ガス4に伝導する。なお、つば部17には切欠部18が設けられており、酸化剤ガス4は切欠部18から基体管10の内部(基体管10と中子本体15との隙間)に供給される。
【0068】
これにより、排出酸化剤ガス7の残熱を効率よく燃料ガス4に伝導することができ、予熱が不十分な燃料ガス4が供給されることによる発電効率の低下及び発電自体の不安定化を防止することができる。また、燃料ガス4の予熱の不足分を補うために、外部の熱交換設備またはヒーター等を大型化する必要がなくなる。なお、燃料ガス4の予熱がセルの発電部から熱伝導のみで十分な場合には、排出酸化剤ガス7は、上部支持体23と上部管板21との間の空間を通過させ燃料電池の外部へ排出するのではなく、酸化剤供給室25からそのまま排出してもよい。
【0069】
なお、本実施形態においても、セルチューブ2に酸化剤ガスを供給し、セルチューブ2の外面に燃料ガスを供給してもよく、この場合には燃料電池セル8を構成する燃料極(図示せず)及び空気極(図示せず)の配置を逆にすればよい。
【0070】
また、集電キャップ20は、内面集電タイプの集電キャップまたは、集電機能を持たないキャップであってもよい。
【0071】
更に、本実施形態に係る中子13は、つば部17が基体管10の上端部に引っ掛かることにより、ある程度支持することができる。また、中子13の表面を改質触媒で覆うことで、基体管10に供給される燃料ガス4を改質して、燃料電池セルにおける反応効率を向上させることができる。
【0072】
また、本実施形態に係る中子13は、つば部17を有しているため、セルチューブ2の下端部に設置することができる。この場合には、集電キャップ20でつば部17を基体管の下端部に挟むことで中子13を支持する。
【0073】
更に、燃料ガス4および酸化剤ガス6の流動方向を逆とし、燃料ガス4をセルチューブ2の下端部から供給し、酸化剤ガス6を上部支持体23側から下部支持体24側へ流動させるようにしてもよい。この場合、セルチューブ2の上端部に取り付けられた中子13は、前述した熱交換とは逆の熱伝導に基づく熱交換を行う。すなわち、基体管10内を通過して800℃から1000℃に加熱された燃料ガスの熱が基体管10を介して、外部から酸化剤供給室25に供給された直後の燃料ガスに伝導することにより、酸化剤ガスを予熱する。
【0074】
[第3の実施形態]
図7は、本発明の第3の実施形態に係る中子13の概略を示した外観図であり、同図(a)は中子13の概略側面図、同図(b)は同図(a)におけるB矢視方向の概略図、同図(c)は同図(a)におけるC−C矢視断面図である。
【0075】
図7に示すように、中子13は、円柱形状の中子本体15と、中子本体15の表面に設けられた凸部であるセンタリング部14(センタリング手段)と、中子本体15の一端に設けられ、中子本体15の直径よりもやや大きく突き出た突起部19(中子支持手段)とからなる。突起部19は、中子本体15の一端に2つ設けられている。中子本体15の直径は、基体管10の内径よりも小さく、基体管10の内部に中子13を設置する場合には、センタリング部14が基体管10の内面に接するようになっている。
【0076】
本実施形態に係る中子13を、熱交換構造として使用する場合には、第2の実施形態と同じ態様にして使用することができる。すなわち、突起部19が第2の実施形態に係る中子13のつば部17(中子支持手段)に相当する。このため、中子支持手段である突起部19が基体管10の上端部に引っ掛かることで、中子13が基体管10の内部に支持される。さらに、集電キャップ20により基体管10の端部との間に挟んで固定してもよい。これ以外にも、本実施形態に係る中子13を、第2の実施形態の欄で説明した態様で使用することができることはいうまでもない。
【0077】
【発明の効果】
[請求項1]に係る発明では、筒状の基体管の内部に第1ガスを供給すると共に、前記基体管の外面に設けられた燃料電池セルに第2ガスを供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第1ガスと前記第2ガスとを電気化学的に反応させて発電する際に、前記基体管の内側を通る前記第1ガスと、前記基体管の外側を通る前記第2ガスとが前記基体管を介して熱交換を行う燃料電池において、前記基体管の内部に設けられ、前記基体管内の前記第1ガスの流路を狭くする中子と、前記中子を前記基体管に対しセンタリングするセンタリング手段と、前記中子を前記基体管に支持する中子支持手段と備えたので、中子支持手段により中子を基体管の内部に支持し、中子を設置することで形成された基体管と中子との隙間を第1ガスが流動することにより、第1ガスと基体管の外部を流動する第2ガスとの熱伝導を効率よく行うことができる。これにより、予熱の不十分な第1ガスまたは第2ガスが供給されることによる発電効率の低下及び発電自体の不安定化を防止することができる。また、供給ガスの予熱の不足分を補うために、外部の熱交換設備またはヒーター等を大型化する必要がなくなる。構造の簡単なワンスルータイプの燃料電池において、電池スケール及び発電効率を向上させることができる。
【0078】
[請求項2]に係る発明では、筒状の基体管の内部に第1ガスを供給すると共に、前記基体管の外面に設けられた燃料電池セルに第2ガスを供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第1ガスと前記第2ガスとを電気化学的に反応させて発電する際に、前記基体管の内側を通る前記第1ガスと、前記基体管の外側を通る前記第2ガスとが前記基体管を介して熱交換を行う燃料電池において、前記基体管の内部に設けられ、前記基体管内の前記第1ガスの流路を狭くする中子本体と、前記中子本体の表面に設けられ、前記中子本体を前記基体管に対しセンタリングするセンタリング手段と、前記中子本体の一端に設けられ、前記中子本体を前記基体管に支持する中子支持手段とからなる中子を備えたので、請求項1に係る発明の奏する効果に加え、中子支持手段を有する中子として、中子を一体製造することができる。構造の簡単なワンスルータイプの燃料電池において、電池スケール及び発電効率を向上させることができる。
【0079】
[請求項3]に係る発明では、[請求項2]に係る燃料電池において、前記中子支持手段が前記基体管の端部に引っ掛かることにより、前記中子が前記基体管に懸架されるようにしたので、簡便な方法で中子を基体管に固定することができる。
【0080】
[請求項4]に係る発明では、[請求項2]に係る燃料電池において、更に前記基体管の端部に設けられるキャップを有し、前記キャップと前記基体管の端部との間に、前記中子支持手段が挟み込まれることにより、前記中子が前記基体管に支持されるようにしたので、簡便な方法で中子を基体管に支持すると共に、キャップにより確実に中子を支持することができる。
【0081】
[請求項5]に係る発明では、筒状の基体管の内部に第1ガスを供給すると共に、前記基体管の外面に設けられた燃料電池セルに第2ガスを供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第1ガスと前記第2ガスとを電気化学的に反応させて発電する際に、前記基体管の内側を通る前記第1ガスと、前記基体管の外側を通る前記第2ガスとが前記基体管を介して熱交換を行う燃料電池において、前記基体管の内部に設けられ、前記基体管内の前記第1ガスの流路を狭くする中子本体と、前記中子本体の表面に設けられ、前記中子本体を前記基体管に対してセンタリングするセンタリング手段とからなる中子を有すると共に、前記基体管の下端に設けられるキャップを有し、前記中子本体の下端には、前記第1ガスの流路を前記中子の外側と内側とで流路変更する流路変更部が更に設けられ、前記中子が鉛直方向へ移動しないように前記キャップで支持されることにより、前記中子が前記基体管に支持されるようにしたので、簡便な方法により中子を固定することができる。
[請求項6]に係る発明では、[請求項5]に係る燃料電池において、前記基体管の一端から前記第1ガスが供給されると共に、前記基体管の他端から前記第1ガスが排出されるワンスルータイプの燃料電池としたので、構造の簡単なワンスルータイプの燃料電池において、電池スケール及び発電効率を向上させることができる。
[請求項7]に係る発明では、[請求項1]ないし[請求項6]のいずれか一に係る燃料電池において、前記第1ガスを燃料ガスとし、前記第2ガスを酸化剤ガスとしたので、一般的な燃料電池に適用することができる。
[請求項8]に係る発明では、[請求項1]ないし[請求項6]のいずれか一に係る燃料電池において、前記第1ガスを酸化剤ガスとし、前記第2ガスを燃料ガスとしたので、一般的な燃料電池に適用することができる。
【0082】
[請求項9]に係る発明では、[請求項1]ないし[請求項7]のいずれか一に係る燃料電池において、前記中子は前記第1ガスを改質する触媒を具備することとしたので、基体管の内部を通過する第1ガスに対して、基体管の上流側に触媒を具備する中子を設けた場合には、燃料電池セルにおける発電反応の効率を向上させるガスに改質し、発電効率を向上させることができる。逆に、基体管の下流側に触媒を具備する中子を設けた場合には、燃料電池から排出される第1ガスを浄化させる等することができる。
【0083】
[請求項10]に係る発明では、[請求項4]または[請求項5]に係る燃料電池において、前記キャップは、前記基体管に設置された導電性のリード膜に密接して、前記燃料電池セルが発電した電力を電池外部に集電する集電キャップであることとしたので、集電キャップを利用するという簡便な方法で中子を固定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に係る燃料電池の熱交換構造を取り付けた燃料電池の概略構成図である。
【図2】第1の実施形態に係る熱交換構造の概略構成図である。
【図3】第1の実施形態に係る中子の概略図であり、(a)は概略側面図、(b)は同図(a)におけるB矢視方向の概略図、(c)は同図(a)におけるC−C矢視断面図である。
【図4】図2における集電キャップの概略外観図(a)と側断面図(b)である。
【図5】第2の実施形態に係る燃料電池の熱交換構造の概略構成図である。
【図6】第2の実施形態に係る中子の概略図であり、(a)は概略側面図、(b)は同図(a)におけるB矢視方向の概略図、(c)は同図(a)におけるC−C矢視断面図である。
【図7】第3の実施形態に係る中子の概略図であり、(a)は概略側面図、(b)は同図(a)におけるB矢視方向の概略図、(c)は同図(a)におけるC−C矢視断面図である。
【図8】従来の燃料電池の一例であるワンスルータイプの燃料電池の概略構成図である。
【符号の説明】
1 燃料電池
2 セルチューブ
3a 供給室
3b 排出室
4 燃料ガス
5 排出燃料ガス
6 酸化剤ガス
7 排出酸化剤ガス
8 燃料電池セル
10 基体管
11 リード膜
12 保護膜
13 中子
14 センタリング部
15 中子本体
16−1 凹部
16−2 ガス流動口
17 つば部
18 切欠部
19 突起部
20 集電キャップ
21 上部管板
22 下部管板
23 上部支持体
24 下部支持体
25 酸化剤供給室
26 熱交換構造
30 ガス穴
31 弾性部
35 導線
Claims (7)
- 筒状の基体管の内部に第1ガスを供給すると共に、前記基体管の外面に設けられた燃料電池セルに第2ガスを供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第1ガスと前記第2ガスとを電気化学的に反応させて発電する際に、前記基体管の内側を通る前記第1ガスと、前記基体管の外側を通る前記第2ガスとが前記基体管を介して熱交換を行う燃料電池において、
前記基体管の内部に設けられ、前記基体管内の前記第1ガスの流路を狭くする中子本体と、
前記中子本体の表面に設けられ、前記中子本体を前記基体管に対しセンタリングするセンタリング手段と、
前記中子本体の一端に設けられ、前記中子本体を前記基体管に支持する中子支持手段とからなる中子を有し、
前記中子支持手段が前記基体管の端部に引っ掛かることにより、前記中子が前記基体管に懸架され、
前記基体管の一端から前記第1ガスが供給されると共に、前記基体管の他端から前記第1ガスが排出されるワンスルータイプの燃料電池である
ことを特徴とする燃料電池。 - 筒状の基体管の内部に第1ガスを供給すると共に、前記基体管の外面に設けられた燃料電池セルに第2ガスを供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第1ガスと前記第2ガスとを電気化学的に反応させて発電する際に、前記基体管の内側を通る前記第1ガスと、前記基体管の外側を通る前記第2ガスとが前記基体管を介して熱交換を行う燃料電池において、
前記基体管の内部に設けられ、前記基体管内の前記第1ガスの流路を狭くする中子本体と、
前記中子本体の表面に設けられ、前記中子本体を前記基体管に対しセンタリングするセンタリング手段と、
前記中子本体の一端に設けられ、前記中子本体を前記基体管に支持する中子支持手段とからなる中子を有し、
更に前記基体管の端部に設けられるキャップを有し、
前記キャップと前記基体管の端部との間に、前記中子支持手段が挟み込まれることにより、前記中子が前記基体管に支持され、
前記基体管の一端から前記第1ガスが供給されると共に、前記基体管の他端から前記第1ガスが排出されるワンスルータイプの燃料電池である
ことを特徴とする燃料電池。 - 筒状の基体管の内部に第1ガスを供給すると共に、前記基体管の外面に設けられた燃料電池セルに第2ガスを供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第1ガスと前記第2ガスとを電気化学的に反応させて発電する際に、前記基体管の内側を通る前記第1ガスと、前記基体管の外側を通る前記第2ガスとが前記基体管を介して熱交換を行う燃料電池において、
前記基体管の内部に設けられ、前記基体管内の前記第1ガスの流路を狭くする中子本体と、
前記中子本体の表面に設けられ、前記中子本体を前記基体管に対してセンタリングするセンタリング手段とからなる中子を有すると共に、
前記基体管の下端に設けられるキャップを有し、
前記中子本体の下端には、前記第1ガスの流路を前記中子の外側と内側とで流路変更する流路変更部が更に設けられ、
前記中子が鉛直方向へ移動しないように前記キャップで支持されることにより、前記中子が前記基体管に支持され、
前記基体管の一端から前記第1ガスが供給されると共に、前記基体管の他端から前記第1ガスが排出されるワンスルータイプの燃料電池である
ことを特徴とする燃料電池。 - 請求項1ないし3のいずれ一項に記載の燃料電池において、
前記第1ガスは燃料ガスであり、前記第2ガスは酸化剤ガスである
ことを特徴とする燃料電池。 - 請求項1ないし3のいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記第1ガスは酸化剤ガスであり、前記第2ガスは燃料ガスである
ことを特徴とする燃料電池。 - 請求項1ないし4のいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記中子は前記第1ガスを改質する触媒を具備する
ことを特徴とする燃料電池。 - 請求項2または3に記載の燃料電池において、
前記キャップは、前記基体管に設置された導電性のリード膜に密接して、前記燃料電池セルが発電した電力を外部に集電する集電キャップである
ことを特徴とする燃料電池。
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