JP4837260B2 - Power generator - Google Patents
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Description
本発明は、固体酸化物を用いる燃料電池セルを利用して発電する装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for generating power using a fuel cell using a solid oxide.
固体酸化物を用いる燃料電池セルは効率が高く、数キロワットから数十キロワットの発電装置に適しているものと期待されている。固体酸化物型燃料電池セルを利用して発電するシステムの一例が、特許文献1に記載されている。
固体酸化物型燃料電池セルでは、水素や一酸化炭素を酸素と反応させて発電する。その水素や一酸化炭素は、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭化水素を含む燃料ガスから得る。これらの燃料ガスに含まれている炭化水素ガスを、水素や一酸化炭素に改質して利用する。
燃料ガスの改質には、改質効率が高い水蒸気改質方式が採用される。水蒸気改質方式では、燃料ガスに水蒸気を混合し、水蒸気が混合した燃料ガスを改質触媒が充填された高温の改質器に通過させることによって、燃料ガスを水素や一酸化炭素に改質する。
In a solid oxide fuel cell, electric power is generated by reacting hydrogen or carbon monoxide with oxygen. The hydrogen and carbon monoxide are obtained from a fuel gas containing hydrocarbons such as methane, ethane, ethylene, propane, and butane. The hydrocarbon gas contained in these fuel gases is used after being reformed to hydrogen or carbon monoxide.
For reforming the fuel gas, a steam reforming method with high reforming efficiency is adopted. In the steam reforming method, the fuel gas is reformed into hydrogen or carbon monoxide by mixing the fuel gas with steam and passing the fuel gas mixed with the steam through a high-temperature reformer filled with a reforming catalyst. To do.
燃料ガスの改質反応は吸熱反応であり、改質反応を持続させるには改質器を加熱する必要がある。
燃料電池セルは、セルに送込まれた改質ガスの全量を酸素と反応させて発電に利用することができず、一部の改質ガスは酸素と反応しないで燃料電池セルを通過する。通常は、燃料電池セルを通過した改質ガスを再度燃料電池セルに送込む。特許文献1の技術では、燃料電池セルを通過した改質ガスを再度燃料電池セルに送込むのに代えて、燃料電池セルを通過した改質ガスを燃焼させて高温の燃焼ガスを得る。得られた高温の燃焼ガスを利用して改質器を加熱する。
特許文献1の技術は熱効率が高く、燃料電池セルに送込むことが必要な改質ガスを送込むことによって、発電装置が熱的に自立できるものと期待されている。即ち、発電に必要な改質ガスとは別に、改質器を高温に維持して改質反応を持続させるのに必要な加熱用のガスを必要としないシステムが実現できるものと期待されている。
特許文献1の技術では、燃料電池セルを通過した改質ガスを燃焼させ、それによって得られる高温の燃焼ガスを利用して改質器を加熱する。熱効率を高く維持するために、改質器は、燃料電池セルスタック群に隣接して配置されている。
The reforming reaction of the fuel gas is an endothermic reaction, and it is necessary to heat the reformer in order to maintain the reforming reaction.
In the fuel cell, the entire amount of the reformed gas sent to the cell cannot be used for power generation by reacting with oxygen, and part of the reformed gas passes through the fuel cell without reacting with oxygen. Usually, the reformed gas that has passed through the fuel cell is sent again to the fuel cell. In the technique of Patent Document 1, instead of sending the reformed gas that has passed through the fuel battery cell to the fuel battery cell again, the reformed gas that has passed through the fuel battery cell is burned to obtain a high-temperature combustion gas. The reformer is heated using the obtained high-temperature combustion gas.
The technique of Patent Document 1 has high thermal efficiency, and it is expected that the power generation apparatus can be thermally independent by sending reformed gas that needs to be sent to the fuel cell. That is, apart from the reformed gas necessary for power generation, it is expected that a system that does not require the heating gas necessary for maintaining the reformer at a high temperature and maintaining the reforming reaction can be realized. .
In the technique of Patent Document 1, the reformed gas that has passed through the fuel cell is burned, and the reformer is heated using the high-temperature combustion gas obtained thereby. In order to maintain high thermal efficiency, the reformer is disposed adjacent to the fuel cell stack group.
上記の改質器を2以上に分割する方が有利であることがわかってきた。
発電効率を高く保つためには、燃料電池セルスタック群を収容する室を高温に維持する必要がある。セルスタック群収容室内の温度差が大きい場合、室内の低温部を発電効率が高い温度にすると、高温部が熱くなりすぎてしまう。そこで、セルスタック群収容室内の温度差を小さく抑えるのが有利である。温度差を小さく抑えるには、吸熱反応を実行する改質器を2以上に分割して分散配置するのが有利である。改質器を2以上に分割して分散配置することによって発電装置の小型化が促進される利点も得られる。また大型の改質器を1台利用するよりも、2以上に分割された小型の改質器を利用すると、改質触媒の温度ムラを抑えて改質触媒を均一温度に維持するのにも有利である。これらの理由から、改質器を2以上に分割して配置する方が有利であることがわかってきた。
It has been found advantageous to divide the reformer into two or more.
In order to keep the power generation efficiency high, it is necessary to maintain the chamber for storing the fuel cell stack group at a high temperature. When the temperature difference in the cell stack group accommodation chamber is large, if the low temperature section in the room is set to a temperature with high power generation efficiency, the high temperature section will be too hot. Therefore, it is advantageous to keep the temperature difference in the cell stack group accommodation chamber small. In order to keep the temperature difference small, it is advantageous to divide and arrange the reformer that performs the endothermic reaction into two or more. There is also an advantage that the power generator can be reduced in size by dividing the reformer into two or more parts. Rather than using a single large reformer, using a small reformer that is divided into two or more reduces the temperature variation of the reforming catalyst and maintains the reforming catalyst at a uniform temperature. It is advantageous. For these reasons, it has been found advantageous to divide the reformer into two or more.
改質器を複数個に分割する場合、燃料ガスが改質器を通過するときの圧力損失が、改質器毎にばらつき易い。改質器による圧力損失は、改質触媒の充填量や改質触媒の充填状態によって異なるが、全ての改質器でそれらを同等とすることは困難である。
改質器によって圧力損失が相違すると、燃料電池セルスタックに送られる改質ガスの量が、燃料電池セルスタックによって異なることになる。圧力損失が小さな改質器から改質ガスが送込まれる燃料電池セルスタックには多量の改質ガスが送込まれ、圧力損失が大きい改質器から改質ガスが送込まれる燃料電池セルスタックには少量の改質ガスが送込まれる。改質ガス量が過剰な燃料電池セルスタックでは、発電に利用されないまま排出される残余燃料が増加して発電効率の低下を招いてしまう。改質ガス量が不足する燃料電池セルスタックでは、発電量が少なくなってしまう。発電装置の発電効率を向上するためには、各燃料電池セルスタックに改質ガスを均等に送込む技術が必要とされる。
When the reformer is divided into a plurality of parts, the pressure loss when the fuel gas passes through the reformer tends to vary from one reformer to another. Although the pressure loss due to the reformer varies depending on the amount of reforming catalyst charged and the state of reforming catalyst filling, it is difficult to make them equal in all the reformers.
When the pressure loss differs depending on the reformer, the amount of reformed gas sent to the fuel cell stack varies depending on the fuel cell stack. A fuel cell stack in which reformed gas is sent from a reformer with a small pressure loss, a large amount of reformed gas is fed into the fuel cell stack, and a reformed gas is sent from a reformer with a large pressure loss. A small amount of reformed gas is fed into the tank. In a fuel cell stack with an excessive amount of reformed gas, the residual fuel that is discharged without being used for power generation increases, leading to a decrease in power generation efficiency. In a fuel cell stack in which the amount of reformed gas is insufficient, the amount of power generation is reduced. In order to improve the power generation efficiency of the power generation apparatus, a technique for uniformly feeding the reformed gas to each fuel cell stack is required.
本発明では上記の課題を解決する。本発明では、複数の改質器を並列に配置して使用するにも係わらず、各燃料電池セルスタックに均等量の改質ガスを送込むことができる発電装置を提供する。 The present invention solves the above problems. The present invention provides a power generator that can send an equal amount of reformed gas to each fuel cell stack despite using a plurality of reformers arranged in parallel.
本発明の発電装置は、複数の固体酸化物型燃料電池セルスタックを利用して発電する。この発電装置は、燃料ガスを受入れて改質する複数の改質器と、各々の改質器からの改質ガスを対応する各々の固体酸化物型燃料電池セルスタックに供給する複数の供給路と、を備えている。この発電装置は、各々の改質器の内部が、燃料ガス受入れ部と、改質触媒が充填された経路と、改質ガス送出し部と、に区画されており、各々の改質器の燃料ガス受入れ部が第1の配管によって互いに連通しており、各々の改質器の改質ガス送出し部が第2の配管によって互いに連通していることを特徴とする。
上記の発電装置によると、第1の配管によって各々の改質器の燃料ガス受入れ部が連通しているので、各々の改質器に流入する燃料ガスの圧力が均等化される。さらに、第2の配管によって各々の改質器の改質ガス送出し部が連通しているので、各々の改質器から対応するセルスタックに送出される改質ガスの圧力が均等化される。従って、複数の固体酸化物型燃料電池セルスタックに均等圧力の改質ガスを安定して送り込むことができる。
セルスタックの数と改質器の数は一致してもよいし、異なっていてもよい。セルスタックの数と改質器の数が一致していれば、セルスタックと改質器が1対1に対応する。セルスタックの数よりも改質器の数が少なければ、一つの改質器に複数のセルスタックが対応する。セルスタックの数よりも改質器の数が多ければ、複数の改質器に一つのセルスタックが対応する。いずれの場合も、複数の固体酸化物型燃料電池セルスタックに均等圧力の改質ガスが送込まれ、セルスタックに送込まれる改質ガスの量が均等化される。
The power generator of the present invention generates power using a plurality of solid oxide fuel cell stacks. The power generator includes a plurality of reformers that receive and reform fuel gas, and a plurality of supply paths that supply the reformed gas from each reformer to the corresponding solid oxide fuel cell stack. And. In this power generator, the interior of each reformer is partitioned into a fuel gas receiving part, a path filled with a reforming catalyst, and a reformed gas delivery part. The fuel gas receiving parts communicate with each other through a first pipe, and the reformed gas delivery parts of the respective reformers communicate with each other through a second pipe.
According to the above power generation device, the fuel gas receiving portion of each reformer communicates with the first pipe, so that the pressure of the fuel gas flowing into each reformer is equalized. Furthermore, since the reformed gas delivery section of each reformer communicates with the second pipe, the pressure of the reformed gas delivered from each reformer to the corresponding cell stack is equalized. . Therefore, the reformed gas of equal pressure can be stably fed into the plurality of solid oxide fuel cell stacks.
The number of cell stacks and the number of reformers may be the same or different. If the number of cell stacks matches the number of reformers, the cell stack and the reformers have a one-to-one correspondence. If the number of reformers is smaller than the number of cell stacks, a plurality of cell stacks correspond to one reformer. If the number of reformers is larger than the number of cell stacks, one cell stack corresponds to a plurality of reformers. In any case, the reformed gas of equal pressure is sent to the plurality of solid oxide fuel cell stacks, and the amount of the reformed gas sent to the cell stack is equalized.
本発明の発電装置によると、複数の改質器を使用するにも係わらず、燃料電池セルスタックに供給される改質ガスは均等化され、各々のセルスタックの発電量が均一に調節されて高い発電効率に保たれる。 According to the power generation device of the present invention, despite the use of a plurality of reformers, the reformed gas supplied to the fuel cell stack is equalized, and the power generation amount of each cell stack is adjusted uniformly. High power generation efficiency is maintained.
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
(形態1)固体酸化物型の燃料電池セルスタックを用いる発電装置であり、各々の燃料電池セルスタックは水平面内を伸びる。複数のセルスタックが垂直方向に多段に積重ねられている。多段に積重ねられているセルスタック群の両サイドに一対の改質器が配置されている。一対の改質器の燃料ガス受入れ部同士は第1配管で接続され、一対の改質器が燃料ガス通路に対して並列に接続された接続関係が実現される。一対の改質器の各々は改質触媒を収容しており、各々に送込まれた燃料ガスを改質する。一対の改質器の改質ガス送出し部同士は第2配管で接続され、一対の改質器が送出す改質ガスの圧力が等しくされている。一対の改質器の改質ガス送出し部とそれを接続する第2配管は、一対の改質器で改質された改質ガスを共通に受入れる改質ガス受入れ室ということができる。
(形態2)一対の改質器の一方から、積重ねられたセルスタックの偶数段のセルスタック群に改質ガスを送る。他方の改質器から、奇数段のセルスタック群に改質ガスを送る。
(形態3)一方の改質器には、偶数段のセルスタック群に改質ガスを分配するマニホールドが取付けられており、他方の改質器には、奇数段のセルスタック群に改質ガスを分配するマニホールドが取付けられている。
(形態4)一方の改質器は、奇数段のセルスタック群を通過したオフガスを燃焼する燃焼部に隣接して配置され、他方の改質器は、偶数段のセルスタック群を通過したオフガスを燃焼する燃焼部に隣接して配置されている。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.
(Embodiment 1) A power generation device using a solid oxide fuel cell stack, and each fuel cell stack extends in a horizontal plane. A plurality of cell stacks are stacked in multiple stages in the vertical direction. A pair of reformers are disposed on both sides of the cell stack group stacked in multiple stages. The fuel gas receiving portions of the pair of reformers are connected to each other by the first pipe, and a connection relationship is realized in which the pair of reformers are connected in parallel to the fuel gas passage. Each of the pair of reformers contains a reforming catalyst, and reforms the fuel gas sent to each. The reformed gas delivery sections of the pair of reformers are connected by a second pipe, and the pressures of the reformed gases sent by the pair of reformers are equalized. The reformed gas delivery section of the pair of reformers and the second pipe connecting them can be called a reformed gas receiving chamber for commonly receiving the reformed gas reformed by the pair of reformers.
(Mode 2) The reformed gas is sent from one of the pair of reformers to the even-numbered cell stack group of the stacked cell stacks. The reformed gas is sent from the other reformer to the odd-numbered cell stack group.
(Mode 3) One reformer is provided with a manifold for distributing reformed gas to even-numbered cell stack groups, and the other reformer is provided with reformed gas for odd-numbered cell stack groups. A manifold for distributing the gas is attached.
(Mode 4) One reformer is disposed adjacent to the combustion section that burns off-gas that has passed through odd-numbered cell stack groups, and the other reformer is off-gas that has passed through even-numbered cell stack groups. It is arranged adjacent to the combustion part for burning.
(実施例)
本発明の発電装置の実施例を、図面を参照しながら説明する。図1は、本実施例に係る発電装置10の縦断面図であり、図2は図1のII−II線断面図であり、図3は図1のIII−III線断面図であり、図4は図2の部分断面拡大図である。
図1から図3に示すように、発電装置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。
発電装置10の中心部の第1室44内には、燃料電池セル12の複数個が配列されて構成されているセルスタック14と、酸素を含む空気をセルスタック14に供給する空気供給部材16と、予備改質ガス内に含まれるメタンを燃料となる水素や一酸化炭素等に改質する改質器18と、改質された燃料ガスをセルスタック14に供給するマニホールド24等が配設されている。予備改質ガスは、発電装置10の外部で炭素数2以上のエタン、プロパン等のガスを主にメタンや水素や一酸化炭素等に予備改質したガスである。
(Example)
Examples of the power generating apparatus of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 is a longitudinal sectional view of a
As shown in FIGS. 1 to 3, the
In the
図2に明瞭に示されるように、燃料電池セル12の断面は楕円形状であり、複数の燃料電池セル12(図2では図の明瞭化のために6本となっているが、実際にはもっと多い)が平行に配置されている。燃料電池セル12は、水平方向に長く伸びている。
図4は、図2に示すセルスタック14の断面の拡大図である。図4に示すように、燃料極12aは楕円柱形状に形成され、その周面の半分強が固体電解質層12bで覆われ、固体電解質層12bの更に外側を酸素極12cが覆っている。燃料極12aの周面の酸素極12cと反対側はインターコネクタ12dで覆われている。燃料極12aの内部には長手方向に貫通する5本の燃料ガス通路20が並列に形成されている。
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の一方の酸素極12cと他方の燃料電池セル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。一方の燃料電池セル12の酸素極12cは、集電部材22とインターコネクタ12dを介して、他方の燃料電池セル12の燃料極12aに電気的に接続されている。多数本の燃料電池セル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4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。
As clearly shown in FIG. 2, the cross section of the
FIG. 4 is an enlarged view of a cross section of the
The
A current collecting
セルスタック14は、燃料電池セル12の燃料ガス通路20が略水平面内を伸びるように配列されており、複数本の燃料電池セル12の燃料ガス通路20が略水平面内を伸びている。燃料ガス通路が同一水平面内を伸びるセルスタック14が、垂直方向に5段に配列されている。セルスタック14を上段から順に、14a、14b、14c、14d、14eということにする。
The
図1と図3に示すように、セルスタック14aの上流側(図1の右側)は、マニホールド24aを介して、改質器18aに接続されている。改質器18aとマニホールド24aは配管30aによって接続されている。セルスタック14cと14eも同様にして改質器18aに接続されている。セルスタック14bの上流側(図1の左側)は、マニホールド24bを介して、改質器18bに接続されている。改質器18bとマニホールド24bは配管30bによって接続されている。セルスタック14dも同様にして改質器18bに接続されている。
セルスタック14a、14c、14eの燃料ガス通路20には、改質器18aで改質された燃料ガスが送り込まれる。セルスタック14a、14c、14eの改質器18aから遠い方の端部では燃料ガス通路20が開放されており、発電のために消費されなかった燃料ガスが放出される。セルスタック14b、14dの燃料ガス通路20には、改質器18bで改質された燃料ガスが送り込まれる。セルスタック14b、14dの改質器18bから遠い方の端部では燃料ガス通路20が開放されており、発電のために消費されなかった燃料ガスが放出される。セルスタック14a、14c、14eは、マニホールド24a、24c、24eによって片持ち状に支持され、セルスタック14b、14dは、マニホールド24b、24dによって片持ち状に支持されている。
セルスタック14a、14c、14eと、セルスタック14b、14dは、反対方向に伸びている。上下方向に多段に配列されているセルスタック14a、14b、14c、14d、14eは、上下方向において、交互に反対向きに配列されている。
As shown in FIGS. 1 and 3, the upstream side (the right side in FIG. 1) of the
The fuel gas reformed by the
The cell stacks 14a, 14c, 14e and the cell stacks 14b, 14d extend in opposite directions. The cell stacks 14a, 14b, 14c, 14d, and 14e arranged in multiple stages in the vertical direction are alternately arranged in opposite directions in the vertical direction.
一対の改質器18a、18bは、基本的に同一構成を備えている。以下では添字を省略して共通に説明する。改質器18は、金属製の薄い箱形状のケーシングと、その内で蛇行する経路(図示省略)が形成されており、この経路内に改質触媒が充填されている。改質器18に導入される予備改質ガスは、燃料ガス受入れ部から、改質触媒が充填された経路を通過して、改質ガス送出し部から導出される。図1に示すように、一対の改質器18a、18bは、セルスタック14群を挟んで、平行に配設されている。一対の改質器18a、18bは、上部の2箇所の角部で2本の渡り配管28a(第1連通部に相当する)、28b(第2連通部に相当する)によって接続されている。燃料ガス導入管26から送られた予備改質ガスは一方の改質器18aの燃料ガス受入れ部に導入され、渡り配管28aを経て、他方の改質器18bの燃料ガス受入れ部にも導入される。改質器18a、18b内に導入された予備改質ガス中のメタンは、改質触媒によって、改質器18内を通過する間に主に水素や一酸化炭素からなる燃料ガスに改質される。
渡り配管28bは、2つの改質器18a、18bの出口圧力の均衡を調整するために配設されており、改質器18aの改質ガス送出し部と改質器18bの改質ガス送出し部とを接続している。配管30a、30c、30e(供給路に相当する)は、改質器18aの改質ガス送出し部を介して連通し、配管30b、30d(供給路に相当する)は、改質器18bの改質ガス送出し部を介して連通している。改質器18aの改質ガス送出し部と、改質器18bの改質ガス送出し部と、渡り配管28bによって、改質ガス受入れ室が形成される。該改質ガス受入れ室には改質器18aで改質された燃料ガスと、改質器18bで改質された燃料ガスが流入し、混合され、略均等な圧力となって配管30a、30b、30c、30d、30e(分配路に相当する)へ送出される。
The pair of
The
配管30a、30b、30c、30d、30eは、絞り径を調整可能なオリフィス32a、32b、32c、32d、32eを備えている。オリフィス32a、32b、32c、32d、32eの絞り径は、配管30a、30b、30c、30d、30eの配管抵抗が互いに等しくなるように増減調整されている。
以下添字を略して共通に説明する。配管30(分岐路に相当する)のオリフィス32の配管抵抗は、マニホールド24とセルスタック14の配管抵抗を無視できる程度に大きい。改質された燃料ガスが、配管30、マニホールド24およびセルスタック14を通過する際の圧力損失は、改質された燃料ガスが配管30のみを通過する際の圧力損失とほぼ同程度である。上記は配管30a、30b、30c、30d、30eに共通している。
配管30a、30b、30c、30d、30eの入口圧力は、改質器18a、18bおよび渡り配管28bによって、略均等化されている。配管30a、30b、30c、30d、30eへ流入した燃料ガスが、対応するセルスタック14a、14b、14c、14d、14eの端部から放出されるまでの圧力損失は、略均等である。さらにセルスタック14a、14b、14c、14d、14eの端部は、第1室44内で開放されており、その出口圧力は略均等である。
上記の構成とすることにより、改質器18a、18bで改質された燃料ガスは、配管30a、30b、30c、30d、30eへ略均等な流量で分配される。
The
In the following description, the subscripts are omitted for common explanation. The piping resistance of the orifice 32 of the piping 30 (corresponding to the branch path) is so large that the piping resistance of the manifold 24 and the
The inlet pressures of the
With the above configuration, the fuel gas reformed by the
図1〜図3に示すように、空気供給部材16は浅い箱形状の部材であり、上面に複数の空気供給口16fが形成されている。空気供給部材16の両側面には略水平に伸びる邪魔板52a、52bが形成されている。邪魔板52aは、上段の燃料電池セル12の上流側に向けて取付けられており、水平に伸びている。邪魔板52bは、上段の燃料電池セル12の下流側に向けて取付けられており、端部が若干上向きに取付けられている。空気供給部材16a、16b、16c、16d、16eは、セルスタック14a、14b、14c、14d、14eのそれぞれの下方に配設されており、5つの空気供給部材16a、16b、16c、16d、16eが上下方向に5段に配設されている。各空気供給部材16の両端部は夫々空気供給管50に連通している。空気供給管50は金属製であり、図1と図2に示すように、上下方向に伸びており、上端は第3室48に開口している。第3室48の下方は、空気導入管34と連通しており、空気導入管34によって外部から導入された空気は、第3室48を通過して一対の空気供給管50、50のいずれかに流入し、上下5段の空気供給部材16a、16b、16c、16d、16eのいずれかの上面から、直近上部のセルスタック14a、14b、14c、14d、14eに空気を供給する。
上下5段の空気供給部材16a、16b、16c、16d、16eは、両端が空気供給管50によって支持されており、強度が高い。
図3に示すように、セルスタック14の燃料ガス通路20は紙面の左右方向に伸びており、空気供給部材16は紙面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14が交差する位置関係におかれている。
片持ち状のセルスタック14は、両持ち状の空気供給部材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は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。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
The upper and lower five-stage
As shown in FIG. 3, the
The
第3室48と第2室46を仕切る外仕切壁38の4つの外周面には、図1から図3に示すフィン54が取付けられている。特に図3に示すように、フィン54は横方向に長尺な金属製板部材を略蛇腹形状に折畳んで形成されている。外側は外壁40の内面に接触しており、内側は外仕切壁38の外面に接触している(図1〜図3ではフィン54の形状を明瞭にするため、フィン54と壁面を離して示している)。なお、放熱を防止するために、フィン54と外壁40の内面が、断熱材を介して接触する構成であってもよい。図1と図2に示すように、外仕切壁38の4つの外周面には、複数のフィン54が上下方向に取付けられて外周面を覆っている。図示はしていないが、上下のフィン54は、ピッチを半分ずらして取付けられている。このようにフィン54が取付けられているため、外仕切壁38とフィン54と外壁40によって、外仕切壁38の4つの外周面と外壁40の内面との間の全体に亘って、上下方向に伸びる細い角柱形状の通路が複数本形成される。
図1から図3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。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
図1と図2に示すように、外仕切壁38は、側壁の下端から下方に伸びる固定用壁38aによって外壁40の底板に固定されている。第2室46の底板は第3室48の底板から持ち上げられている。両底板の間隙は第3室48の一部を構成する。固定用壁38aには複数個の穴38bが形成されており、空気の流通が自在となっている。内仕切壁36も、側壁の下端から下方に伸びる固定用壁36aによって外仕切壁38の底板に固定されている。第1室44の底板は第2室46の底板から持ち上げられている。両底板の間隙は第2室46の一部を構成する。固定用壁36aにも複数個の穴36bが形成されており、空気の流通が自在となっている。
外壁40の底板と外仕切壁38の底板の間は、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。外仕切壁38の底板と内仕切壁36の底板の間は、第2室46の一部であり、そこに燃焼ガス導出管58が連通している。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
Between the bottom plate of the
第3室48は、発電装置10の6面(4側面と上面と底面)において、第2室46を取り囲んでおり、第2室46は、発電装置10の6面(4側面と上面と底面)において、第1室44を取り囲んでいる。
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で生成された燃焼ガスが通過する。第1室44は燃料電池セル群収容室として利用される。
空気は第3室48を下方から上方に移動する。燃焼ガスは第2室46を上方から下方に通過する。通過方向が逆であり、両者の間で活発な熱交換が行われる。
第1室44の外形はほぼ立方体である。第2室46の外形もほぼ立方体である。第3室48の外形もほぼ立方体である。発電装置10は、最小表面積で最大容積を収容する6面体であり、放熱量が少ない。
後記するように、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、燃料電池セルを収納する第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。
The
Air taken from outside passes through the
The air moves through the
The outer shape of the
As will be described later, the
発電装置10内の動作を説明する。
燃料ガス導入管26から改質器18a、18bに送られた予備改質ガスは、改質器18a、18b内で、水素と一酸化炭素を含む燃料ガスに改質され、配管30a、30b、30c、30d、30eに均等な流量で分配される。改質された燃料ガスは、配管30a、30b、30c、30d、30eから各マニホールド24を経由して各燃料電池セル12へ送られ、各燃料電池セル12内の燃料ガス通路20に流入する。
空気導入管34から第3室48に送られた空気は、フィン54の間をすり抜けて上部に達し、外壁40の上面に沿って流れ、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、空気供給管50を下方に移動しながら、5つの空気供給部材16に流入し、全ての空気供給口16fから流出する。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層12bを通過して燃料極12aに至り、水素または一酸化炭素と反応し、酸素極12cと燃料極12aの間に電位差を発生させる。すなわち、発電する。
An operation in the
The preliminary reformed gas sent from the fuel
The air sent from the
Oxygen is ionized, passes through the
本実施例では、配管30a、30b、30c、30d、30eから、セルスタック14a、14b、14c、14d、14eへ均等に分配された燃料ガスが供給される。各燃料電池セル12に好適な量の燃料ガスが供給され、燃料ガス量の不足による発電量の低下や、燃料ガス量の過多による余剰燃料ガスの排出が防止される。
In the present embodiment, fuel gas that is evenly distributed to the
発電時、燃料ガスは上流から下流へ向かってセルスタック14内を水平に流れる。燃料ガスは上流から下流へ流れる間に発電熱によって徐々に加熱されていく。
本実施例の燃料電池では、燃料電池セル12が水平方向に伸びているのに対し、空気が上方に移動する関係が得られ、燃料電池セル12の温度勾配に交差する有酸素ガスの流れが生み出される。燃料電池セル12を冷却する空気に燃料電池を冷却した熱が累積していくことが抑制され、第1室44内の温度差が減少する。
During power generation, the fuel gas flows horizontally in the
In the fuel cell of this embodiment, the
本実施例では、セルスタック14の下方に配置されている空気供給部材16の広い範囲に空気供給口が分散配置されており、セルスタック14の下側全体に空気が分散して供給される。
本実施例では、加熱されやすいセルスタック14の下流側に多量の空気が供給され、加熱されにくいセルスタック14の上流側に少量の空気が供給されるように、空気供給口16fの密度と開口面積が調整されている。
In the present embodiment, the air supply ports are distributed over a wide range of the
In the present embodiment, the density and opening of the
本実施例では、セルスタック14の直下に熱伝導性の高い金属で形成された空気供給部材16が配置されている。空気供給部材16は熱伝導性が高く、加熱されやすいセルスタック14の下流側から加熱されにくいセルスタック14の上流側に伝熱する。
熱伝導性の空気供給部材16とセルスタック14の間には、パッキン62が介在しており、直接には接触していない。それでも、熱伝導性の空気供給部材16は、セルスタック14の上流側と下流側の温度差を小さく抑える。加熱されやすいセルスタック14の下流流側では、輻射が活発に起こって熱伝導性の空気供給部材16に熱を伝える。セルスタック14の下流側の温度は低下する。輻射によって加熱された熱伝導性の空気供給部材16は、熱伝導によって低温部を加熱する。加熱された空気供給部材16は、相対的に低温なセルスタック14の上流側に向けて輻射し、セルスタック14の上流部を加熱する。熱伝導性の空気供給部材16がセルスタック14に直接には接触していなくても、近接して位置しているために、熱伝導性の空気供給部材16は、セルスタック14の高温部から低温部に伝えられる熱エネルギーの移動を促進する。
In the present embodiment, an
A packing 62 is interposed between the heat conductive
本実施例では、セルスタック14が垂直方向に5段に配列されている。上下方向に隣接するセルスタック14の間は、空気供給部材16と邪魔板52a、52bによって仕切られており、下段のセルスタック14を冷却することによって自らは加熱された空気で上段のセルスタック14を冷却するものではない。各段のセルスタック14毎に、冷却兼発電用の空気が送られてくる。熱環境が等しいセルスタック14が上下方向に5段に配列されるだけであり、第1室44内の上下方向の温度差が抑制される。
In the present embodiment, the cell stacks 14 are arranged in five stages in the vertical direction. The cell stacks 14 adjacent in the vertical direction are partitioned by the
本実施例では、空気供給部材16がガス流遮断板を兼用している。余分な部材を利用しないで、空気供給部材16がガス流遮断板を形成することができる。空気供給部材16がガス流遮断板を兼用するほど広く広がっているために、空気供給部材16から供給される空気がセルスタック14の全体を加熱前の空気で一様によく冷却する。
In this embodiment, the
燃料電池セル12に供給される燃料ガスの例えば80%が発電に利用される場合、発電に利用されなかった20%の燃料ガス(オフガス)は、燃料ガス通路20を通過して先端から流出する。また、燃料電池セル12に供給される空気の例えば20%が発電に利用される場合、発電に利用されなかった80%の空気は、セルスタック14の集電部材22の隙間をすり抜ける。この空気は邪魔板52bに沿って燃料電池セル12の下流側へ誘導される。
各燃料電池セル12の先端近傍には夫々スパーク電極60が配設されている。スパーク電極60が火花放電することによって、燃料電池セル12の先端から流出する燃料ガスのオフガスと、燃料電池セル12の下流側へ誘導される空気のオフガスが燃焼する。改質器18は燃料電池セル12の先端に近接していることから、燃料ガスのオフガスと空気のオフガスとの燃焼によって発生する燃焼熱を改質反応の吸熱反応に効率よく利用することができる。
燃焼ガスは極めて高温であり、そのままでは熱交換器に投入しがたい。それほどの高温に耐えられる熱交換器は材質が限られ、高価である。本実施例では、燃焼熱でまず改質器18を加熱する。改質反応は吸熱反応であり、燃焼ガスの熱は吸熱され改質に利用される。燃焼熱でまず改質器18を加熱するために、燃焼ガスの温度は低下する。このために、第2室46を流れる燃焼ガスの温度は適度に冷却されており、仕切り壁36、38に特別の材料を使わなくてもすむ。
When, for example, 80% of the fuel gas supplied to the
A
The combustion gas is extremely hot and is difficult to put into the heat exchanger as it is. Heat exchangers that can withstand such high temperatures are limited in material and expensive. In this embodiment, the
燃料電池セル12の電気化学反応が効率よく進行する環境温度は約800℃の高温である。この環境温度が低下すれば、発電効率は低下する。従って、供給する空気の温度を予加熱しておく必要がある。
上昇した燃焼ガスは、第1室44の上面に沿って第2室46に流入する。第2室46内に流入した燃焼ガスは、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、燃焼ガス導出管58から発電装置10の外部に導出される。
このとき、空気導入管34から導入された予加熱された空気(約200℃)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している。従って、第2室46を通過する燃焼ガスと、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、空気を約650℃まで予加熱しておくことができる。なお、約500℃まで温度低下した燃焼ガスは、発電ユニット10の外部で実施する燃料ガスの予備改質(吸熱反応)の加熱源として利用することができ、さらには空気の予熱に利用することもできる。
The environmental temperature at which the electrochemical reaction of the
The rising combustion gas flows into the
At this time, preheated air (about 200 ° C.) introduced from the
本実施例では、燃料と空気のオフガスが燃焼する位置が、上下方向において、交互に反対側に位置する関係に設定されている。このために、燃料電池セル群を収納する第1室44内の温度分布は、水平方向にも上下方向にも均一化されている。最大温度差でも50℃程度であり、第1室44内の温度は800〜850℃の範囲に抑えられる。
In the present embodiment, the position where the off-gas of fuel and air burns is set so as to be alternately positioned on the opposite side in the vertical direction. For this reason, the temperature distribution in the
また、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ために、第1室44を高温に維持しやすい。そのために、発電に伴って発生する熱と、燃料と空気のオフガスの燃焼熱だけで、燃料電池セル群を収容する第1室44内の温度を発電適温である800〜850℃に維持することができる。すなわち、熱自立することができる。
In addition, since the highest temperature
以上の実施例では、筒状の燃料極を燃料ガス通路が貫通している燃料電池セルの例を説明したが、燃料極と燃料ガス通路の関係はそれに限らない。例えば、ポーラスの物質の中に燃料ガス通路を設け、その表面に、内側から、燃料極、固体電解質、酸素極の順に積層された積層構造を付着したような燃料電池セルであってもよい。要は、燃料極と固体電解質と酸素極の積層体の燃料極側に燃料ガスが供給され、酸素極側に有酸素ガスが供給されるものであり、かつ、燃料電池セルの外側に供給される有酸素ガスが、前記積層体を通して燃料電池セル側に用意されている燃料ガス通路に侵入するものであれば足りる。 In the above embodiment, the example of the fuel cell in which the fuel gas passage penetrates the cylindrical fuel electrode has been described, but the relationship between the fuel electrode and the fuel gas passage is not limited thereto. For example, a fuel cell may be provided in which a fuel gas passage is provided in a porous material and a laminated structure in which a fuel electrode, a solid electrolyte, and an oxygen electrode are laminated in this order from the inside. In short, the fuel gas is supplied to the fuel electrode side of the laminate of the fuel electrode, the solid electrolyte, and the oxygen electrode, the oxygen gas is supplied to the oxygen electrode side, and is supplied to the outside of the fuel cell. It is sufficient if the aerobic gas to enter the fuel gas passage prepared on the fuel cell side through the laminate.
以上の実施例では、複数の改質器が並列に配置された場合について、改質された燃料ガスの流量を均等化する例を説明した。発電装置内に複数の予備改質器を設けて、発電装置内で燃料ガスの予備改質と通常の改質の双方を行う場合には、予備改質器の下流に共通の予備改質ガス受入れ室を設けることで、予備改質ガスを均等に分配することができる。 In the above embodiment, the example in which the flow rate of the reformed fuel gas is equalized when a plurality of reformers are arranged in parallel has been described. When a plurality of pre-reformers are provided in the power generation device and both the fuel gas pre-reformation and the normal reforming are performed in the power generation device, a common pre-reform gas is provided downstream of the pre-reformer. By providing the receiving chamber, the pre-reformed gas can be evenly distributed.
(参考例)
本発明の参考例を図5に示す。発電装置100の下部に燃料電池セル群収容室118が配置され、中間高さに燃焼室122が配置され、上部に熱交換室124が配置されている。
図示されない燃料ガス供給路から受入れられた燃料ガスは、改質器108a、108b、108c、108dに分配される。
改質器108a、108b、108c、108dは、内部に改質触媒が充填された筒状部材であり、その内部を通過する燃料ガスを改質する。
改質器108a、108b、108c、108dは、図示されない燃料ガス配管によってタンク112(改質ガス受入れ室)へ連通しており、改質された燃料ガスを、タンク112へ送出する。
タンク112は、改質器108a、108b、108c、108dから流入する燃料ガスを受け入れ、燃料ガスの圧力を均等化する。タンク112で圧力を均等化された燃料ガスは、配管126a、126b、126c、126d(分配路に相当する)に分配される。
(Reference example)
A reference example of the present invention is shown in FIG. A fuel cell
Fuel gas received from a fuel gas supply path (not shown) is distributed to the
The
The
The
配管126a、126b、126c、126dは、絞り径が固定されたオリフィス128a、128b、128c、128dを備えている。オリフィス128a、128b、128c、128dの絞り径は、配管126a、126b、126c、126dの配管抵抗が互いに等しくなるように選定されている。
以下添字を略して共通に説明する。配管126(分岐路に相当する)のオリフィス128の配管抵抗は、燃料ガス通路114の配管抵抗を無視できる程度に大きい。改質された燃料ガスが、配管126、燃料ガス通路114を通過する際の圧力損失は、改質された燃料ガスが配管126のみを通過する際の圧力損失と略同程度である。上記は配管126a、126b、126c、126dに共通している。
配管126a、126b、126c、126dの入口圧力は、タンク112によって、均等化されている。配管126a、126b、126c、126dへ流入した燃料ガスが、対応する燃料ガス通路114a、114b、114c、114dの端部から放出されるまでの圧力損失は、略均等である。さらに燃料ガス通路114a、114b、114c、114dの端部は、燃焼室122内で開放されており、その出口圧力は略均等である。
上記の構成とすることにより、改質器108a、108b、108c、108dで改質された燃料ガスは、配管126a、126b、126c、126dを経由して、燃料ガス通路114a、114b、114c、114dに略均等な流量で分配される。
The
In the following description, the subscripts are omitted for common explanation. The pipe resistance of the orifice 128 of the pipe 126 (corresponding to the branch path) is so large that the pipe resistance of the fuel gas passage 114 can be ignored. The pressure loss when the reformed fuel gas passes through the pipe 126 and the fuel gas passage 114 is substantially the same as the pressure loss when the reformed fuel gas passes only through the pipe 126. The above is common to the
The inlet pressures of the
With the above configuration, the fuel gas reformed by the
燃料ガス通路114a、114b、114c、114dは、燃料電池セル116a、116b、116c、116dを貫通しており、筒状の燃料電池セル116a、116b、116c、116dの内側に形成されている燃料極に燃料ガスを供給する。燃料ガス通路114a、114b、114c、114dは、垂直方向上方に伸びている。
筒状の燃料電池セル116a、116b、116c、116dの外側に酸素極が配置されており、その酸素極に有酸素ガス(この場合は空気)を供給する有酸素ガス通路120a、120b、120cが、燃料電池セル116a、116b、116c、116dの間隙に挿入されている。有酸素ガス通路120a、120b、120cはパイプ状であり、垂直方向に伸びており、下端から有酸素ガスを噴出す。有酸素ガスを噴出す様子が矢印110で図示されている。有酸素ガス受け入れ口104から、加圧された有酸素ガスが受け入れられる。
筒状の燃料電池セル116a、116b、116c、116dの外側に形成されている酸素極に送り込まれた酸素は、イオン化した状態で、筒状の燃料電池セル116a、116b、116c、116dの中間に形成されている固体電解質を通過し、筒状の燃料電池セル116a、116b、116c、116dの内側に形成されている燃料極に移動し、そこで燃料ガスと反応して、酸素極と燃料極の間に電位差を発生させる。
筒状の燃料電池セル116a、116b、116c、116dの内側に送り込まれた燃料ガスの一部は、酸素と反応することなく筒状の燃料電池セル116a、116b、116c、116dを通過する。有酸素ガス通路120a、120b、120cから送り込まれた有酸素ガスの一部も消費されないで、燃料電池セル群収容室118から上方に戻っていく。発電に利用されなかった燃料ガスと有酸素ガスは燃焼室122で燃焼し、高温の燃焼ガスを生成する。
The
An oxygen electrode is disposed outside the
Oxygen fed into the oxygen electrode formed outside the
A part of the fuel gas sent to the inside of the
高温の燃焼ガスは、改質器108a、108b、108c、108dを加熱した後、熱交換室124に送り込まれる。改質器108a、108b、108c、108dは、燃焼ガスからの加熱によって、改質反応を維持する。高温の燃焼ガスは、熱交換室124に送り込まれ、有酸素ガス受け入れ口104から送り込まれた有酸素ガスを加熱し、自らは冷却されて排気口102から排気される。
The high-temperature combustion gas is fed into the
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、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。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
In addition, the technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
10・・・発電装置
12・・・燃料電池セル
12a・・・燃料極
12b・・・固体電解質層
12c・・・酸素極
12d・・・インターコネクタ
14・・・セルスタック
14a、14b、14c、14d、14e・・・セルスタック
16・・・空気供給部材
16f・・・空気供給口
18・・・改質器
18a、18b・・・改質器
20・・・燃料ガス通路
22・・・集電部材
24・・・マニホールド
24a、24b、24c、24d、14e・・・マニホールド
26・・・燃料ガス導入管
28a、28b・・・渡り配管
30・・・配管
30a、30b、30c、30d、30e・・・配管
32a、32b、32c、32d、32e・・・オリフィス
34・・・空気導入管
36・・・内仕切壁
36a・・・固定用壁
36b・・・穴
38・・・外仕切壁
38a・・・固定用壁
38b・・・穴
40・・・外壁
42・・・断熱部材
44・・・第1室
46・・・第2室
48・・・第3室
50・・・空気供給管
52a、52b・・・邪魔板
54、56・・・フィン
58・・・燃焼ガス導出管
60・・・スパーク電極
62・・・パッキン
100・・・発電装置
102・・・排気口
104・・・有酸素ガス受け入れ口
106・・・断熱材
108a、108b、108c、108d・・・改質器
110・・・矢印
112・・・タンク
114a、114b、114c、114d・・・燃料ガス通路
116・・・燃料電池セル
116a、116b、116c、116d・・・燃料電池セル
118・・・燃料電池セル群収容室
120a、120b、120c・・・有酸素ガス通路
122・・・燃焼室
124・・・熱交換室
126a、126b、126c、126d・・・配管
128a、128b、128c、128d・・・オリフィス
DESCRIPTION OF
Claims (1)
燃料ガスを受入れて改質する複数の改質器と、A plurality of reformers for receiving and reforming fuel gas; and
各々の改質器からの改質ガスを対応する各々の固体酸化物型燃料電池セルスタックに供給する複数の供給路と、を備えており、A plurality of supply passages for supplying the reformed gas from each reformer to each corresponding solid oxide fuel cell stack,
各々の改質器の内部が、燃料ガス受入れ部と、改質触媒が充填された経路と、改質ガス送出し部と、に区画されており、The interior of each reformer is divided into a fuel gas receiving part, a path filled with a reforming catalyst, and a reformed gas delivery part,
各々の改質器の燃料ガス受入れ部が第1の配管によって互いに連通しており、The fuel gas receiving portions of the respective reformers communicate with each other through the first pipe,
各々の改質器の改質ガス送出し部が第2の配管によって互いに連通していることを特徴とする発電装置。A power generation apparatus, wherein reformed gas delivery parts of each reformer communicate with each other through a second pipe.
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