JP4688470B2 - 発電装置 - Google Patents
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Description
固体酸化物を利用する燃料電池には、燃料ガスと有酸素ガス(通常は空気)が必要である。燃料電池セルは、燃料ガスを改質させた改質ガスと有酸素ガスを反応させて発電する。
固体酸化物を利用する燃料電池の例が特許文献1に開示されている。ただし特許文献1はまだ公開されていない。
特許文献1の技術では、複数個の燃料電池セルを直線状に整列することによってセルスタックを構成する。複数本のセルスタックが略同一水平面内に並列したセルスタック群が垂直方向に多段に配列されている。各セルスタックの一端から改質ガスが供給され、他端から消費しきれなかった改質ガス(オフガス)が吹出るようになっており、そこにオフガス燃焼器が形成されている。オフガスの燃焼熱によって改質器が適温に加熱される。
有酸素ガスは、各段のセルスタック群の下方にそれぞれ配置されている空気供給部材から上方のセルスタック群に向けて吹出すように構成されている。
本発明では、セルスタック群の組付け作業性の優れた発電装置を実現することを目的とする。
本発明の発電装置では、略同一水平面内に配列されているセルスタック群と、このすぐ下方に配置される有酸素ガス供給部材とがユニット化している。セルスタック群をマニホールドに支持させ、さらにこのマニホールドを有酸素ガス供給部材に支持させてユニット化させるため、セルスタック群は安全に支持され、取扱いが容易となる。このユニットを1段ずつ積重ねながら、組付け作業を行なうことができるため、垂直方向に配列したセルスタック群の相互間に有酸素ガス供給部材を挿入するような注意を要する作業がなく、セルスタック群が、他の部材と不用意に接触してしまう事故が起こりにくくなる。
(形態1)
酸素ガス供給部材の有酸素ガス通路は、高さの低い箱状であり、有酸素ガス通路の側面に、水平に伸びる邪魔板が形成されている。
(形態2)
略同一水平面内に配列されたセルスタック群は左右1対となっており、左右のセルスタック群の下方にそれぞれ配置される有酸素ガス供給部材は一体化している。
(形態3)
有酸素ガス供給部材の脚部は、有酸素ガス通路の両端部の開口部の幅を有し、開口部から下方に伸びる板部材である。
(形態4)
有酸素ガス供給部材の脚部は、有酸素ガス通路の両端部の開口部の幅を有し、開口部から下方に伸びる板部材であり、その下方は内側に入り込んでいる形状である
図1〜図3に示すように、発電ユニット10は、内側から外側に向かって、第1室44、第2室46、第3室48からなる3重構造となっており、中心部の第1室44とその外側の第2室46を仕切る内仕切壁36と、第2室46とその外側の第3室48を仕切る外仕切壁38と、第3室48と外部を仕切る外壁40を有している。外壁40は断熱部材42で覆われている。
発電ユニット10の中心部の第1室44内には、複数個の燃料電池セル12が直線状に整列することによって構成されているセルスタック14が収容されている。各セルスタック14は、略水平面内を伸びるように配列されており、7本のセルスタック14が同一水平面内を伸びており、それが垂直方向に5段に設けられている。7本で1グループのセルスタック群14を上段から順に、添字a、b、c、d、eをつけて表すことにする。図3から明らかに、合計35本のセルスタック14が、水平方向に7本で垂直方向に5本の行列状に配置されている。図1と2から明らかなように、合計35本のセルスタック14が、左右一対となっており、合計70本のセルスタック14が第1室44内に収容されている。左側の35本のセルスタック群を14Lといい、右側の35本のセルスタック群を14Rということにする。
以下では左側の部材には添字Lをつけて表し、右側の部材には添字Rをつけて表し、前側の部材には添字Fをつけて表し、後側の部材には添字Bをつけて表し、上段から順に、添字a、b、c、d、eをつけて表すことにする。共通の事象については、添字を省略して共通に説明することがある。
第1室44の左側の半分には、行列状に配置された35本の左側のセルスタック群14Lと、燃料ガスを水素や一酸化炭素等に改質する左側の改質器18Lと、改質された燃料ガスを35本の左側のセルスタック群14Lに分配する水平マニホールド24Lと、35本の左側のセルスタック群14Lの外表面に空気(有酸素ガスの一例)を供給する空気供給系50La,50Lb,16La,16Lb,16Lc,16Ld,16Le等が収容されている。
第1室44の右側の半分には、行列状に配置された35本の右側のセルスタック群14Rと、燃料ガスを水素や一酸化炭素等に改質する右側の改質器18Rと、改質された燃料ガスを35本の右側のセルスタック群14Rに分配する水平マニホールド24Rと、35本の右側のセルスタック群14Rの外表面に空気を供給する空気供給系50Ra,50Rb,16Ra,16Rb,16Rc,16Rd,16Re等が収容されている。
燃料極12aは多孔質であり、ニッケル(Ni)を主成分とするニッケル/YSZサーメット(混合焼結体)からなる。固体電解質層12bは緻密質であり、ジルコニア(ZrO2)にイットリア(Y2O3)を加えた混合物からなる。酸素極12cは多孔質であり、ペロブスカイト型酸化物であるLSM(La1−xSrxMnO3)からなる。インターコネクタ12dは導電性セラミックからなる。
隣り合う燃料電池セル12の一方のセル12の酸素極12cと他方のセル12のインターコネクタ12dとの間に、集電部材22が介装されている。集電部材22は、蛇腹状に折畳まれた導電性金属部材である。一方のセル12の酸素極は、集電部材22とインターコネクタを介して、他方のセル12の燃料極に電気的に接続されている。多数個のセル12が直列に接続されてセルスタック14が形成されている。蛇腹状の集電部材22は、図3における上下方向および紙面の垂直方向に空気が通過することを禁止しない。
第1室の右端部には、右改質器18Rが収容されている。右側の改質器18Rと右側の垂直マニホールド29Rは、右側の改質ガス供給管25Rで接続されている。右側の垂直マニホールド29Rからは、5本の右側の水平マニホールド24Ra,24Rb,24Rc,24Rd,24Reが伸びている。水平マニホールド24Raは、セルスタック群14Raに改質ガスを分配する。以下添字bからeについても同様である。
右側のセルスタック群14Rの下方には、昇温蒸発混合器130が配置されている。昇温蒸発混合器130には、燃料ガス供給器132から燃料ガスが供給され、水供給器134から水が供給される。昇温蒸発混合器130に供給された水は蒸発して水蒸気となり、燃料ガスと混合される。燃料ガスと水蒸気の混合ガスは、昇温蒸発混合器130を通過する間に予熱される。予熱された混合ガスは、左側の混合ガス供給管27Lから、左側の改質器18Lに供給され、右側の混合ガス供給管27Rから、右側の改質器18Rに供給される。昇温蒸発混合器130は、高温の排気ガスが通過する第2室46に収容されている(図1参照)。
右側のセルスタック14Rの左側端部から、右側の改質器18Rで改質された改質ガスが送り込まれる。右側の各セルスタック14Rの右側の端部では、改質ガス通路20が開放されており、オフガスが放出される。各セルスタック14Rの右側端部から放出されたオフガスはそこで燃焼する。右側のセルスタック14Rのそれぞれの右側端部には、燃焼器17Rが設けられている。左側の燃焼器群17Rは、右側の改質器18Rに対向している。
固定板55F、55Bは、水平マニホールド24L、24Rのそれぞれの両端部を挟んだ状態で邪魔板部52の段部の両端面に固定されているが、図6では、固定板55F、55Bとその組付け状態を明瞭に示すため、水平マニホールド24L、24Rとセルスタック群14L、14Rの図示を省略し、固定板55F、55Bのみが邪魔板部52の段部の両端面に固定された状態を図示している。以下では、左右を示す添字L、Rや前後を示す添字F、B等を省略して共通に説明することがある。
図6に示すように、固定板55F、55Bは、中央部に孔67F、67Bが設けられた板部材である。固定板55Fには、下部から水平に外側に伸びる下部フランジ55Faと、2箇所から水平に内側に伸びる2枚のフランジからなる中間部フランジ55Fbが設けられている。固定板55Bには、下部から水平に外側に伸びる下部フランジ(図示省略)と、2箇所から水平に内側に伸びる2枚のフランジからなる中間部フランジ55Bbが設けられている。下部フランジ55aと中間部フランジ55bとの距離は、邪魔板部52の段部の高さに等しい。邪魔板部52の段部の両端部の下面とブラケット59の上面との間隙に中間部フランジ55bを圧入すると、中間部フランジ55bが邪魔板部52の段部の下面に支持され、下部フランジ55aがブラケット59の上面に支持され、固定板55の内側の面が邪魔板部52の段部のフランジ65にそれぞれ当接して支持される。これによって、固定板55F、55Bは邪魔板部52の段部の両端面に垂直に固定される。
上記のように空気供給部材16と水平マニホールド24L、24Rと固定板55F、55Bを組付けることによって、図5に示すように、空気供給部材16と、左右両側の水平マニホールド24L、24Rと、左右両側のセルスタック群14L、14Rの1段分がユニット化する。
図7は、空気供給管50Laと、セルスタック群14L側の空気供給部材16の通路部51Lの一方側(脚部57LF側)の開口部との接続部を示している。まず、空気供給部材16eの通路部51e上に空気供給部材16dの脚部57dを載置する。以下同様にして、空気供給部材16dの上に、空気供給部材16c、16b、16aを順に積み上げる(図7では、通路部51L上に脚部57LFが載置されている箇所のみを図示している)。
空気供給部材16を積み上げると、上側の通路部51の下面と下側の通路部51の上面との間に脚部57の高さの空間が形成される。このとき、セルスタック群14が、直上の通路部51の下面に接触することはない。
空気供給管50Laに上下方向に5つの開口部が設けられており、これらの位置は、5段積み上げられた空気供給部材16a、16b、16c、16d、16eの通路部51La、51Lb、51Lc、51Ld、51Leの一方側(脚部57LF側)の開口部の位置に対応している。空気供給管50Laの5つの開口部と、通路部51La、51Lb、51Lc、51Ld、51Leの一方側の開口部を、それぞれパッキン69a、69b、69c、69d、69eを介して接続する。図示はないため、添字a、b、c、d、eを省略して5段共通に説明するが、空気供給管50Lb、50Ra、50Rbにも同様に開口部が上下方向に5つ設けられており、空気供給管50Lbの5つの開口部と5つの空気供給部材16の通路部51Lの他方側の開口部、空気供給管50Raの5つの開口部と5つの空気供給部材16の通路部51Rの一方側(脚部57RF側)の開口部、空気供給管50Rbの5つの開口部と5つの空気供給部材16の通路部51Rの他方側(脚部57RB側)の開口部を同様に接続する。これによって、空気供給部材16と空気供給管50La、50Lb、50Ra、50Rbが接続される。
空気供給部材16の脚部57は、通路部51の開口の幅を有し、開口の下端から下方に伸びる板部材であり、下方が内側に入り込んだ形状である。従って、空気供給部材16と空気供給管50が接続されると、図7に示すように、空気供給部材16の脚部57と空気供給管50によって空間71が形成される。空間71は、図示しない電力取出線の配線スペースとして利用される。
先述のように、各段の空気供給部材16は、それぞれ脚部57を有しており、自立する。また、空気供給部材16の両端は空気供給管50a、50bによって支持されている。従って、空気供給部材16の強度は高い。
図2に示すように、各セルスタック14は左右方向に伸びており、空気供給部材16は図示の上下方向に伸びている。両持ち状の空気供給部材16と、片持ち状のセルスタック群14が交差する位置関係におかれている。
空気供給部材16と、セルスタック群14は1段毎にユニット化しており、水平マニホールド24に片持ち状に支持されているセルスタック群14は、両持ち状に支持されている空気供給部材16に対してパッキン62を介して載置されており、片持ち状のセルスタック14が水平に伸びる姿勢で安定的に支持されている。片持ち状のセルスタック14が不用意に傾くことはない。
図2に示すように、外仕切壁38の4つの内周面にも、フィン54と同様にフィン56が取付けられている。フィン56の形状もフィン54と同様である。このようにフィン56が取付けられているため、外仕切壁38とフィン56と内仕切壁36によって、外仕切壁38の4つの内周面と内仕切壁36の外面との間の全体に亘って、上下方向(図2の紙面垂直方向)に伸びる細い角柱形状の通路が複数本形成される。フィン54は第3室48のサイズを規定し、フィン56は第2室46のサイズを規定する。
図1に示すように、第1室44の底板44bと第2室46の底板46bの間隙(第2室46の一部)には昇温蒸発混合器130が配設されている。昇温蒸発混合器130には燃料ガス供給装置132から燃料ガスが供給され、改質用水供給装置134から水が供給される。昇温蒸発混合器130は高温の排気ガスによって加熱され、燃料ガスと水蒸気を混合して加熱する。加熱された混合ガスが、混合ガス供給管27から改質器18に供給される。第1室44の底板44bと第2室46の底板46bの間は、第2室46の一部であり、そこに排気通路58が連通している。
外壁40の底板40bと第2室46の底板46bの間は、第3室48の一部であり、そこに空気導入管34が連通している。昇温蒸発混合器130の下側には第3室48が位置している。
第3室48は、外部から取り込まれた空気が通過する。第2室46は、第1室44で生成された排気ガスが通過する。第1室44は燃料電池セル群14と改質器18の収容室として利用される。
第1室44は最も高温であり、第2室46は2番目に高温であり、第3室48が3番目に高温である。最も高温な第1室44を、2番目に高温な第2室46で取り囲み、その外側を3番目に高温な第3室48で取り囲む構造となっている。最も高温に維持する必要がある第1室44を最も内側に配置することによって、セルスタック群14と改質器18を収納する第1室44を最も高温に維持しやすい最適な構造となっている。
水供給装置134から送り込まれた水は昇温蒸発混合器130内で予熱され、水蒸気となる。燃料ガス供給装置132から送り込まれた燃料ガスと水蒸気は、昇温蒸発混合器130内で混合されて予熱され、混合ガス供給管27から改質器18に送られる。改質器18に送られた混合ガスは、改質器18内で、水素と一酸化炭素を含む改質ガスに改質され、各水平マニホールド24から、各セルスタック14の改質ガス通路20に送られる。
空気導入管34から送り込まれた空気は、第3室48に送られ、フィン54の間をすり抜けて上部に達し、外壁40の上面の下側を流れた後に、第3室48に開口している空気供給管50内に流入する。空気は、この間に、高温の排気ガスによって予熱される。空気供給管50へ流入した予熱空気は下方へ移動し、各段の空気供給部材16に送られる。空気供給部材16へ送られた空気は、上面の空気供給口16fからから、直近上方のセルスタック14の外周面に吹き付けられる。
空気供給口16fから流出する空気は、上方向、若しくは斜め上方向に上昇し、すぐ上のセルスタック14の下側全体に分散される。酸素は、イオン化して固体電解質を通過して燃料極に至り、水素または一酸化炭素と反応し、酸素極と燃料極の間に電位差を発生させる。すなわち、発電する。
各セルスタック14の先端近傍には夫々スパーク電極が配設されている。スパーク電極が火花放電することによって、各セルスタック14の先端から流出するオフガスが、各セルスタック14の先端側に誘導される空気によって燃焼する。
各セルスタック14の先端には、燃焼器17が形成されている。35本の左側のセルスタック14に対応して35個の燃焼器群17Lが形成されており、35本の右側のセルスタック14に対応して35個の燃焼器群17Rが形成されている。35個の燃焼器群17Lは略同一平面内に位置しており、その平面と改質器18Lは近接して平行となっている。35個の燃焼器群17Rは略同一平面内に位置しており、その平面と改質器18Rは近接して平行となっている。燃焼器群17と改質器18が近接していることから、オフガスの燃焼熱によって効率よく改質反応に伴う吸熱を補償することができる。
第1室44内を上昇した排気ガスは、第1室44の上面に沿って流れて第2室46に流入する。第2室46内に流入した排気ガスは、上下方向に伸びる複数の細い角柱形状の通路を下方向に通過して第2室46の下部に流入し、排気ガス通路58から外部に導出される。
このとき、空気導入管34から導入された空気は第3室48内に流入し、上下方向に伸びる複数の細い角柱形状の通路を上方向に通過する。第2室46を通過する排気ガスと、第3室48を通過する空気との間で熱交換が行われる。外仕切板38の両面に取付けられたフィン54、56によって、熱交換率は更に高められる。この熱交換によって、セルスタック群14に供給する空気を約650℃まで予熱しておくことができる。約650℃まで予熱した空気をセルスタック群14に供給することができるために、セルスタック群14を発電適温に維持することができる。
空気を予熱することによって排気ガスは冷却される。昇温蒸発混合器130の周囲を通過するときの排気ガスは、400℃弱になっている。この温度の排気ガスは、燃料ガスと水蒸気の混合ガスを予熱するには十分であり、燃料ガスから炭素を析出させる程には高温でない。改質器18に予熱された混合ガスを供給すること、改質器18の近傍でオフガスを燃焼させることによって、改質器18の全体を改質適温に維持することができる。
本実施例の発電ユニットは、熱自立することができている。
本実施例では、1段分の左右のセルスタック群14L、14Rと、これらの直下に配置される空気供給部材16とがユニット化している。また、空気供給部材16には脚部57が形成されており、ユニットを積重ねても、セルスタック群14L、14Rと、直上の空気供給部材16とが接触しない。この構成によれば、このユニットを1段ずつ積重ねながら、安定した姿勢で組付け作業を行なうことができる。組付け作業中に、セルスタック群14L、14Rが、他の部材と不用意に接触してしまう事故が起こりにくくなる。空気供給部材16には脚部57が形成されているため、セルスタック群14L、14Rと、空気供給部材16とを組付けた後、垂直マニホールド29や空気供給管50等と組付けるまで、セルスタック群14L、14Rを空気供給部材16に安全に支持させておくことができる。これらのことから、組付け作業が非常に容易となり、作業性を向上させることができる。
本実施例では、空気供給部材16の脚部57は、通路部51の短手方向の幅で下方に伸びる板部材である。この形状によれば、空気供給口16fから吹出された空気を余さずセルスタック群14側へガイドすることができる。本実施例では、脚部57の下部が内側に入り込んでいるため、よりその効果は高い。空気を有効利用することができ、発電とオフガスの燃焼に寄与しない余剰空気量を最少限に抑制することができるため、セルスタック群14を収容している第1室44内の温度が、余剰空気によって低下することを防止することができる。空気供給部材16の脚部57は熱自立に貢献している。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
12・・・・燃料電池セル
14・・・・セルスタックまたはセルスタック群
16・・・・空気供給部材
18・・・・改質器
24・・・・水平マニホールド
29・・・・垂直マニホールド
50・・・・空気供給管
51・・・・通路部
52・・・・邪魔板部
53・・・・邪魔板部
55・・・・固定板
56・・・・フィン
57・・・・脚部
63・・・・フランジ
65・・・・フランジ
67・・・・孔
69・・・・パッキン
Claims (1)
- 固体酸化物型の燃料電池を用いる発電装置であり、
複数本の柱状のセルスタックと、
セルスタックに改質ガスを分配するマニホールドと、
セルスタックに有酸素ガスを供給する有酸素ガス供給部材を備えており、
各セルスタックは、多数個の燃料電池セルが直線状に整列されて形成されており、
各燃料電池セルは、燃料極と、固体電解質と、酸素極と、燃料ガス通路とを備え、
燃料ガス通路は、燃料電池セル内部を通過しており、
各セルスタックには、長手方向の一端から他端に亘って燃料ガス通路が形成されており、
複数本のセルスタックが略同一水平面内に配列されてセルスタック群を構成しており、
前記セルスタック群は、各セルスタックの燃料ガス通路が前記マニホールドと連通するように、各セルスタックの一端をマニホールドに接続させることによって、前記マニホールドに接続されており、
前記有酸素ガス供給部材は、セルスタック群の下方に、水平方向に伸びるように配置されているとともに、有酸素ガスを通過させる有酸素ガス通路と、前記マニホールドを支持する手段とを有しており、
前記有酸素ガス通路の上面には複数個の有酸素ガス供給口が開口されており、
前記複数個の有酸素ガス供給口は、直上のセルスタック群に有酸素ガスを供給可能な位置に開口されており、
セルスタック群が接続されたマニホールドが前記有酸素ガス供給部材の前記マニホールド支持手段によって支持されることによって、前記セルスタック群と前記マニホールドと前記有酸素ガス供給部材とを備えるユニットが形成され、このユニットが垂直方向に多段に配列され、
前記有酸素ガス供給部材は、前記ユニットを自立させるための脚部であって、一方のユニットの脚部を、他方のユニットの有酸素ガス供給部材の上面に載せることにより、2つのユニットを垂直方向に多段に配列可能な前記脚部をさらに備え、
前記脚部の長さは、一方のユニットの脚部を他方のユニットの上面に載せた際に、一方のユニットの有酸素ガス供給部材と他方のユニットのセルスタック群との間に空間が形成される長さであることを特徴とする発電装置。
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