JP4899521B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、固体酸化物形の燃料電池システムに関し、特にその特性を試験する場合に好適なものである。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell system, and is particularly suitable for testing its characteristics.
燃料である水素と空気などの酸化剤とを化学的に反応させて発電する燃料電池は、一般的に発電効率が高く、既存の燃焼型熱機関サイクル装置に比べて排出ガスがクリーンであるという特徴を持っている。この燃料電池を使用する電解質で分類すると、アルカリ形,リン酸形,溶融炭酸塩形,固体高分子形,固体酸化物形のものに分けることができる。これらの燃料電池の中で、使用可能な燃料に多様性があり、作動温度が700℃以上と比較的高く、多様な排熱利用が可能であることなどから、特許文献1に開示されたような発電効率の特に高い固体酸化物形燃料電池(SOFC)が注目されている。 Fuel cells that generate electricity by chemically reacting hydrogen, which is a fuel, and an oxidant such as air, generally have higher power generation efficiency and are cleaner than existing combustion heat engine cycle devices. Has characteristics. When the fuel cell is classified according to the electrolyte used, it can be divided into alkaline type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid polymer type, and solid oxide type. Among these fuel cells, there are a variety of fuels that can be used, the operating temperature is relatively high at 700 ° C. or higher, and various exhaust heat utilization is possible. A solid oxide fuel cell (SOFC) with particularly high power generation efficiency has attracted attention.
しかしながら、この固体酸化物形燃料電池(以下、SOFCと記述する)は、実用化に向けて未だ開発段階にある技術である。このため、これを商用化する場合、燃料および酸化剤の安全な供給などの技術的課題の克服と同時に、メインテナンス性および排熱を利用した熱自立性の確立,高温に耐えるセル本体の開発など克服しなければならない多くの課題がある。さらに、電池性能のさらなる向上に加え、高温排出ガスを利用したガスタービンなど既存の熱機関サイクル装置とのコージェネレーションシステムの最適化ならびに低価格化なども達成する必要がある。 However, this solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as SOFC) is a technology that is still in the development stage for practical use. Therefore, when commercializing this, overcoming technical issues such as the safe supply of fuel and oxidizer, establishing maintenance and thermal independence using exhaust heat, and developing cell bodies that can withstand high temperatures There are many challenges that must be overcome. Furthermore, in addition to further improving battery performance, it is necessary to achieve optimization and cost reduction of cogeneration systems with existing heat engine cycle devices such as gas turbines that use high-temperature exhaust gas.
このような技術的課題を克服してSOFCの商用化を実証するため、試験用のSOFCが開発されている。このようなSOFCの技術的試験を行う場合、各種機能の検証のためにSOFCを構成するセル本体などの交換を容易に行えることが必要である。また、試験用であることから取り扱いの容易性のためにSOFCが小型軽量であることも好ましい。 In order to overcome such technical problems and demonstrate commercialization of SOFC, a test SOFC has been developed. When performing such a technical test of SOFC, it is necessary to be able to easily replace the cell body constituting the SOFC in order to verify various functions. In addition, since it is for testing, it is also preferable that the SOFC is small and light for ease of handling.
試験用に開発された従来のSOFCは、以下に列挙するような不具合を抱えていた。すなわち、
(1)充分な断熱処理がなされていないため、高い熱応力を受ける部材が多く、比較的頻繁にこれらの部材を交換する必要がある。
(2)熱的劣化の早い部品には比較的大きなものが多く、その交換には多大の時間を要する。
(3)熱の拡散が充分に抑えられていないため、SOFCの継続的な自立発電が行われる熱平衡条件の変動が大きく、再現性の良い高精度な試験を行うことができない。
(4)燃料および酸化剤をセル本体に供給するための供給装置が重い上にかさばり、実験室などにSOFCを配備する上で機動性や操作性に欠ける。
(5)複数のセル本体を用いた場合、燃料および酸化剤を各セル本体に均一に供給されず、その発電特性を正確に把握することができない。
Conventional SOFCs developed for testing have the following problems. That is,
(1) Since sufficient heat insulation treatment has not been performed, many members receive high thermal stress, and these members need to be replaced relatively frequently.
(2) Many parts that are rapidly deteriorated in heat are relatively large, and it takes a lot of time to replace them.
(3) Since the diffusion of heat is not sufficiently suppressed, fluctuations in the thermal equilibrium conditions in which SOFC continues to perform self-sustaining power generation are large, and high-precision tests with good reproducibility cannot be performed.
(4) The supply device for supplying the fuel and oxidant to the cell body is heavy and bulky, and lacks mobility and operability in deploying the SOFC in a laboratory or the like.
(5) When a plurality of cell bodies are used, fuel and oxidant are not uniformly supplied to each cell body, and the power generation characteristics cannot be accurately grasped.
本発明の目的は、各種構成部材の交換が従来のものよりも容易かつ迅速に行い得る小型軽量なSOFCを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a small and lightweight SOFC in which various components can be easily and quickly replaced as compared with conventional ones.
本発明による燃料電池システムは、仕切り部材と、この仕切り部材によって塞がれる開口を下端に有し、当該仕切り部材とで内部に第1のチャンバを画成するセルカバーと、燃料が供給され、この燃料を改質する改質器と、前記仕切り部材によって塞がれる開口を上端に有すると共に前記改質器によって塞がれる開口を下端に有し、これら仕切り部材および改質器とで内部に第2のチャンバを画成する燃焼筒と、一端が酸化ガス供給源に連通すると共に他端が前記仕切り部材を貫通して前記第1のチャンバ内に連通し、前記燃焼筒の周面に沿って形成された酸化ガス供給通路と、上端部が半球状をなし、外周面に正極が形成されると共に内周面に負極が形成されたセル本体と、前記第1のチャンバと前記第2のチャンバとを連通するように前記仕切り部材に形成され、前記セル本体が前記仕切り部材から前記第1のチャンバ内に突出するように前記セル本体の下端部が気密に嵌着される装着孔と、前記改質器に基端部が連結されると共に前記第2のチャンバおよび前記装着孔を貫通し、上端が前記セル本体内の上端部に開口して前記改質器からの改質ガスを前記セル本体内に導く改質ガス供給管と、前記第1のチャンバと前記第2のチャンバとを連通して前記第1のチャンバ内に供給された酸化ガスを前記第2のチャンバ内に導く酸化ガス補給通路と、前記セル本体から前記第2のチャンバ内へと流れる改質ガスを燃焼させる改質ガス燃焼手段と、前記燃焼筒に形成されて前記第2のチャンバ内に介在する燃焼ガスを外部に導く燃焼ガス排出ポートとを具えたことを特徴とするものである。 The fuel cell system according to the present invention has a partition member, an opening closed by the partition member at the lower end, a cell cover that defines the first chamber in the partition member, and fuel is supplied. A reformer that reforms the fuel, and an opening that is blocked by the partition member at the upper end and an opening that is blocked by the reformer are formed at the lower end. A combustion cylinder defining a second chamber, one end communicating with the oxidizing gas supply source, and the other end passing through the partition member and communicating with the first chamber, along the circumferential surface of the combustion cylinder An oxidizing gas supply passage formed at the top, a cell body having a hemispherical upper end, a positive electrode formed on the outer peripheral surface and a negative electrode formed on the inner peripheral surface, the first chamber, and the second chamber Before communicating with the chamber A mounting hole formed in the partition member and hermetically fitting a lower end of the cell body so that the cell body protrudes from the partition member into the first chamber; and a base end portion of the reformer Are connected to each other and pass through the second chamber and the mounting hole, and an upper end opens to an upper end portion in the cell main body to guide the reformed gas from the reformer into the cell main body. A supply pipe, an oxidizing gas replenishment passage for communicating the oxidizing gas supplied into the first chamber through the first chamber and the second chamber, and the cell body; A reformed gas combustion means for combusting the reformed gas flowing from the first chamber into the second chamber, and a combustion gas discharge port formed outside the combustion cylinder and guiding the combustion gas interposed in the second chamber to the outside Characterized by having A.
本発明においては、改質器に供給される燃料が改質器により水素ガスを含む改質ガスとなり、改質ガス供給管からセル本体の内周面の負極全体に供給される。一方、酸化ガス供給源から供給される酸化ガスは、酸化ガス供給通路を通って第1のチャンバ内に導かれ、セル本体の周囲に供給される。これによりセル本体にて改質ガス中の水素と酸化ガス中の酸素とが反応して水を生成し、これに伴って正極と負極との間で電子の移動が起こる。反応後の改質ガスは第2のチャンバ側に流れ込み、同様に反応後の酸化ガスも酸化ガス補給通路を介して第1のチャンバから第2のチャンバ内に流動する。第2のチャンバ内では、改質ガス燃焼手段、例えば燃焼触媒により、ここに流れ込んだ改質ガスが酸化ガスによって燃焼し、燃焼ガス排出管から外部に排出される。第2のチャンバ内での改質ガスの燃焼により、ここを通過する先の改質ガス供給管内を流れる改質ガスおよび酸化ガス供給通路内を流れる酸化ガスも加熱され、セル本体での化学的発電反応の促進に寄与する。 In the present invention, the fuel supplied to the reformer becomes reformed gas containing hydrogen gas by the reformer, and is supplied from the reformed gas supply pipe to the entire negative electrode on the inner peripheral surface of the cell body. On the other hand, the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply source is guided into the first chamber through the oxidizing gas supply passage and supplied around the cell body. As a result, hydrogen in the reformed gas and oxygen in the oxidizing gas react with each other in the cell body to generate water, and accordingly, electrons move between the positive electrode and the negative electrode. The reformed gas after the reaction flows into the second chamber, and similarly, the oxidized gas after the reaction flows from the first chamber into the second chamber through the oxidizing gas supply passage. In the second chamber, the reformed gas flowing into the second chamber is burned by the oxidizing gas by the reformed gas combustion means, for example, a combustion catalyst, and is discharged to the outside from the combustion gas discharge pipe. Due to the combustion of the reformed gas in the second chamber, the reformed gas flowing in the reformed gas supply pipe and the oxidizing gas flowing in the oxidizing gas supply passage passing therethrough are also heated, and the chemical in the cell main body is heated. Contributes to the promotion of power generation reactions.
本発明による燃料電池システムにおいて、改質器がこの改質器に供給される燃料の改質を促進させるための加熱手段、例えば燃焼ガスバーナなどを有するものであってよい。 In the fuel cell system according to the present invention, the reformer may have heating means for promoting reforming of the fuel supplied to the reformer, such as a combustion gas burner.
セル本体が所定間隔で相互に平行に複数本配設され、酸化ガス供給通路は、第1のチャンバ内でこれらセル本体の外周面に対して酸化ガスを均一に流すための均一供給手段を含むものであってよい。この場合、均一供給手段は、各セル本体の真上に下向きに開口する酸化ガス噴射ノズルをそれぞれ有するものであってよい。あるいは、この均一化手段は、複数のセル本体を囲み、仕切り部材によって塞がれる開口を下端に有すると共にセルカバーの上端部に形成された天板部に近接する開口を上端に有する遮蔽筒を含み、この遮蔽筒は、その下端部に複数のセル本体が挿通されてこれらセル本体の外周面との間に環状の空隙をそれぞれ画成する複数の開口が形成された仕切り壁部を有し、この仕切り壁部と仕切り部材との間に酸化ガス補給通路の一端が連通する第3のチャンバが画成され、遮蔽筒とセルカバーとの間に仕切り部材に形成された酸化ガス供給通路の開口端が位置するものであってよい。 A plurality of cell bodies are arranged in parallel with each other at a predetermined interval, and the oxidizing gas supply passage includes a uniform supply means for causing the oxidizing gas to flow uniformly with respect to the outer peripheral surface of the cell bodies in the first chamber. It may be a thing. In this case, the uniform supply means may have an oxidizing gas injection nozzle that opens downward directly above each cell body. Alternatively, the uniformizing means includes a shielding cylinder that surrounds a plurality of cell bodies, has an opening at the lower end that is closed by a partition member, and has an opening at the upper end that is close to the top plate formed at the upper end of the cell cover. The shielding cylinder includes a partition wall portion in which a plurality of cell main bodies are inserted at a lower end portion thereof and a plurality of openings each defining an annular gap are formed between the outer peripheral surfaces of the cell main bodies. A third chamber in which one end of the oxidizing gas supply passage communicates between the partition wall portion and the partition member is defined, and an oxidizing gas supply passage formed in the partition member between the shielding cylinder and the cell cover is formed. The open end may be located.
酸化ガス補給通路の途中に組み込まれて第2のチャンバ内への酸化ガスの供給量を制御する流量制御弁と、セル本体内に供給される改質ガス中の酸素分圧を測定するO2センサと、このO2センサによる測定結果に基づいて流量制御弁による酸化ガスの供給量を制御する弁制御手段とをさらに具えることができる。この場合、O2センサは、複数のセル本体のうちの1つに代えて仕切り部材に取り付けられるものであってよい。 A flow rate control valve that is incorporated in the middle of the oxidizing gas supply passage and controls the amount of oxidizing gas supplied into the second chamber, and O 2 that measures the partial pressure of oxygen in the reformed gas supplied into the cell body. A sensor and valve control means for controlling the supply amount of the oxidizing gas by the flow control valve based on the measurement result by the O 2 sensor can be further provided. In this case, the O 2 sensor may be attached to the partition member instead of one of the plurality of cell main bodies.
燃焼筒の周囲を囲んで内側を保温するための断熱カバーをさらに具えることができる。 A heat insulating cover can be further provided to keep the inside of the combustion cylinder warm.
燃焼ガス排出管に連結されて燃焼ガス排出管内を流れる高温の燃焼ガスによる排熱を回収する排熱回収手段、例えばガスタービンなどを用いた発電機器をさらに具えることができる。 The power generation device may further include a waste heat recovery means, for example, a gas turbine, which is connected to the combustion gas exhaust pipe and recovers exhaust heat from the high-temperature combustion gas flowing through the combustion gas exhaust pipe.
セルカバーを囲んで第1のチャンバ内に供給される酸化ガスを加熱するための電気ヒータをさらに具えることができる。 An electric heater for heating the oxidizing gas supplied to the first chamber surrounding the cell cover may be further included.
仕切り部材は、ベースと、このベースの上に重ねられる電気絶縁性のセルホルダとを有し、このセルホルダは締結部材を介して取り外し可能にベースに固定され、セル本体の下端部はこのセルホルダの装着孔に対して取り外し可能に気密に嵌着されているものであってよい。 The partition member has a base and an electrically insulating cell holder that is overlaid on the base. The cell holder is detachably fixed to the base via a fastening member, and the lower end of the cell body is attached to the cell holder. It may be removably and airtightly fitted to the hole.
本発明の燃料電池システムによると、改質器の上に第2のチャンバを画成する燃焼筒を配し、さらにその上に仕切り部材を介して第1のチャンバを画成するセルカバーをかぶせ、第1のチャンバ内に収容されるセル本体を仕切り部材に形成された装着孔に対して気密に嵌着してあるので、燃料電池システムを上下方向にコンパクトにまとめてその設置スペースを削減することができる。また、最も高温にさらされる第1のチャンバが燃料電池システムの上端部に配されているため、熱劣化による交換が必要なセル本体を交換する場合、セルカバーを取り外すだけで容易かつ迅速に交換作業を行うことができる。 According to the fuel cell system of the present invention, the combustion cylinder that defines the second chamber is disposed on the reformer, and the cell cover that defines the first chamber is placed thereon via the partition member. Since the cell body accommodated in the first chamber is airtightly fitted to the mounting hole formed in the partition member, the fuel cell system is compactly arranged in the vertical direction to reduce the installation space. be able to. In addition, since the first chamber that is exposed to the highest temperature is located at the upper end of the fuel cell system, when replacing the cell body that needs to be replaced due to thermal degradation, it can be replaced easily and quickly simply by removing the cell cover. Work can be done.
改質器がこの改質器に供給される燃料の改質を促進させるための加熱手段を有する場合、常温では改質が進みにくい燃料であっても、確実に水素を含む改質ガスに改質させることができる。 When the reformer has a heating means for promoting reforming of the fuel supplied to the reformer, even if the reforming is difficult to proceed at room temperature, the reformer is surely changed to a reformed gas containing hydrogen. Quality.
セル本体が所定間隔で相互に平行に複数本配設され、酸化ガス供給通路が第1のチャンバ内でこれらセル本体の外周面に対して酸化ガスを均一に流すための均一供給手段を含む場合、発生電圧の変更が可能となり、しかも出力の安定した発電を行うことができる。 When a plurality of cell bodies are arranged in parallel to each other at a predetermined interval, and the oxidizing gas supply passage includes a uniform supply means for uniformly flowing the oxidizing gas to the outer peripheral surface of these cell bodies in the first chamber. The generated voltage can be changed, and power generation with stable output can be performed.
均一供給手段が各セル本体の真上に下向きに開口する酸化ガス噴射ノズルをそれぞれ有する場合、セル本体の外周面に位置する正極全域に対して均一に酸化ガスを供給することかでき、より出力の安定した発電が可能となる。 When the uniform supply means has an oxidizing gas injection nozzle that opens downward directly above each cell body, the oxidizing gas can be supplied uniformly to the entire positive electrode located on the outer peripheral surface of the cell body, and more output Stable power generation is possible.
均一供給手段は、複数のセル本体を囲み、仕切り部材によって塞がれる開口を下端に有すると共にセルカバーの上端部に形成された天板部に近接する開口を上端に有する遮蔽筒を含み、この遮蔽筒は、その下端部に複数のセル本体が挿通されてこれらセル本体の外周面との間に環状の空隙をそれぞれ画成する複数の開口が形成された仕切り壁部を有し、この仕切り壁部と仕切り部材との間に酸化ガス補給通路の一端が連通する第3のチャンバが画成され、遮蔽筒と前記セルカバーとの間に仕切り部材に形成された酸化ガス供給通路の開口端が位置している場合、セル本体の外周面に位置する正極全域に対して均一に酸化ガスを供給することができ、より出力の安定した発電が可能となる。 The uniform supply means includes a shielding cylinder that surrounds a plurality of cell bodies, has an opening at the lower end that is closed by a partition member, and has an opening at the upper end that is close to the top plate formed at the upper end of the cell cover. The shielding cylinder has a partition wall portion in which a plurality of cell main bodies are inserted into the lower end portion and a plurality of openings are formed between the outer peripheral surfaces of the cell main bodies to define annular gaps, respectively. A third chamber in which one end of the oxidizing gas supply passage communicates between the wall portion and the partition member is defined, and an open end of the oxidizing gas supply passage formed in the partition member between the shielding cylinder and the cell cover Is positioned, the oxidizing gas can be uniformly supplied to the entire area of the positive electrode located on the outer peripheral surface of the cell body, and power generation with a more stable output becomes possible.
酸化ガス補給通路の途中に組み込まれて第2のチャンバ内への酸化ガスの供給量を制御する流量制御弁と、セル本体内に供給される改質ガス中の酸素分圧を測定するO2センサと、このO2センサによる測定結果に基づいて流量制御弁による酸化ガスの供給量を制御する弁制御手段とをさらに具えている場合、第2のチャンバ内に流入する改質ガス中の可燃成分の量に応じた酸化ガスを第2のチャンバ内に供給することができる。この結果、酸化ガス供給通路から酸化ガスを余分に流す必要がなくなるため、燃料電池の熱効率を最大に保つことが可能となる。特に、O2センサが複数のセル本体のうちの1つに代えて仕切り部材に取り付けられる場合、そのための設置スペースが不要となり、燃料電池システムのコンパクト化を促進させることができる。 A flow rate control valve that is incorporated in the middle of the oxidizing gas supply passage and controls the amount of oxidizing gas supplied into the second chamber, and O 2 that measures the partial pressure of oxygen in the reformed gas supplied into the cell body. In the case of further comprising a sensor and valve control means for controlling the supply amount of the oxidizing gas by the flow rate control valve based on the measurement result by the O 2 sensor, the combustible gas in the reformed gas flowing into the second chamber An oxidizing gas corresponding to the amount of the components can be supplied into the second chamber. As a result, there is no need to flow extra oxidizing gas from the oxidizing gas supply passage, so that the thermal efficiency of the fuel cell can be kept at its maximum. In particular, when the O 2 sensor is attached to the partition member instead of one of the plurality of cell main bodies, an installation space for the O 2 sensor becomes unnecessary, and the fuel cell system can be made compact.
燃焼筒の周囲を囲んで内側を保温するための断熱カバーをさらに具えている場合、酸化ガスおよび改質ガスの温度低下を抑制することができ、発電反応を安定して行うことができる。 In the case where a heat insulating cover is further provided for surrounding the periphery of the combustion cylinder to keep the inside warm, the temperature reduction of the oxidizing gas and the reformed gas can be suppressed, and the power generation reaction can be performed stably.
燃焼ガス排出管に連結されて燃焼ガス排出管内を流れる高温の燃焼ガスによる排熱を回収する排熱回収手段をさらに具えている場合、発電効率をさらに高めることができる。 When the apparatus further includes exhaust heat recovery means for recovering exhaust heat from the high-temperature combustion gas that is connected to the combustion gas exhaust pipe and flows through the combustion gas exhaust pipe, the power generation efficiency can be further improved.
セルカバーを囲んで第1のチャンバ内に供給される酸化ガスを加熱するための電気ヒータをさらに具えている場合、起動時の発電反応を迅速に立ち上げることができる。 When the electric heater for heating the oxidizing gas supplied to the first chamber surrounding the cell cover is further provided, the power generation reaction at the time of start-up can be quickly started.
仕切り部材がベースと、このベースの上に重ねられる電気絶縁性のセルホルダとを有し、このセルホルダが締結部材を介して取り外し可能にベースに固定され、セル本体の下端部がこのセルホルダの装着孔に対して取り外し可能に気密に嵌着されている場合、ベースに対してセルホルダの交換や、セルホルダに対するセル本体の交換をそれぞれ容易に行うことができる。 The partition member has a base and an electrically insulating cell holder that is overlaid on the base. The cell holder is detachably fixed to the base via a fastening member, and the lower end of the cell body is a mounting hole of the cell holder. When the cell holder is detachably and airtightly fitted, the cell holder can be easily replaced with the base, and the cell body can be easily replaced with the cell holder.
本発明による燃料電池システムをSOFCに応用した実施形態について、図1〜図8を参照しながら詳細に説明する。しかしながら、本発明はこのような実施形態のみに限らず、特許請求の範囲に記載された本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が可能であり、従って本発明の精神に帰属する他の任意の技術にも当然応用することができる。 An embodiment in which a fuel cell system according to the present invention is applied to SOFC will be described in detail with reference to FIGS. However, the present invention is not limited to such an embodiment, and may be modified or modified in any way encompassed by the concept of the present invention described in the claims, and thus other modifications belonging to the spirit of the present invention. Of course, it can be applied to any technique.
本実施形態における発電システムを図1に模式的に示し、その外観を図2に示し、架台部分を分解状態で図3に示し、主要部の内部構造を図4に断面状態で示す。すなわち、本実施形態のSOFCシステム10は、SOFCユニット11と、このSOFCユニット11を支持する架台部12と、SOFCユニット11に水素ガスを含む燃料を供給するための燃料供給装置13と、本発明における酸化ガスとしての空気を供給する空気供給装置14と、窒素などの不活性ガスを安全のための防爆ガスとして供給する防爆ガス供給装置15と、これらの作動を統合制御する図示しないコントローラとを具えている。
The power generation system in the present embodiment is schematically shown in FIG. 1, its external appearance is shown in FIG. 2, the gantry part is shown in an exploded state in FIG. 3, and the internal structure of the main part is shown in a sectional state in FIG. That is, the
本実施形態における架台部12は、キャスタ16が端部に取り付けられた十字型の脚部17と、脚部17の外周端部から立ち上がる縦壁状のフレーム18と、これらフレーム18の上端に連結された環状の受け環19とを具えている。脚部17の中央には、後述する改質器20の一部を構成するガスバーナ21が上向きに設置され、基端が図示しないガスボンベなどの燃焼ガス供給源に連結される図示しないガス供給管の先端部が取り外し可能に連結される。ガスバーナ21に対する燃焼ガスの供給,燃焼ガスの点火,火力の調整などは、ガスバーナ21と共に脚部17に搭載される図示しない燃焼ガスコントローラにより、先のコントローラを介して行われる。架台部12のフレーム18には、先の燃料供給装置13,空気供給装置14,防爆ガス供給装置15などが組み付けられ、受け環19にはSOFCユニット11が搭載される。
The
本実施形態におけるSOFCユニット11は、仕切り部材22と、この仕切り部材22とで内部に第1のチャンバ23を画成するセルカバー24と、燃料を改質するための改質器20と、この改質器20および仕切り部材22との間に第2のチャンバ25を画成する燃焼筒26と、上端部が半球状となって塞がれた円筒状のセル本体27と、セルカバー24を囲む電気ヒータ28とを具えている。
The
仕切り部材22は、外周縁部が受け環19に載置されて複数の図示しない締結部材により受け環19に対して一体的に固定される耐熱金属製の円板状をなすベース29と、このベース29の上に重ねられるセラミックスなどの電気絶縁材料、例えばアルミナにて形成されるセルホルダ30と、このセルホルダ30をベース29に対して一体的に固定するための耐熱金属製の押さえ板31とを有する。セルホルダ30は、それぞればね座金32が装着された複数本の締結ボルト33により、押さえ板31を介して取り外し可能にベース29に固定される。
The
本実施形態におけるセル本体27の取り付け部を抽出拡大して図5に示し、その分解状態を図6に示す。すなわち、仕切り部材22の中央部には、第1のチャンバ23と第2のチャンバ25とを連通する複数(図示例では7個)の装着孔34a〜34cが所定間隔で形成され、セルホルダ30に形成された装着孔34bにはセル本体27の下端部の後述する嵌合保持筒35が気密に嵌着されるようになっている。なお、ベース29および押さえ板31にそれぞれ形成される装着孔34a,34cは、セルホルダ30に形成された装着孔34bよりも大径に設定され、セル本体27に対して非接触状態に保たれる。また、ベース29に形成された装着孔34cの周囲には、環状のシール用突起36が形成され、ベース29とセルホルダ30との対向面を機械的にシールしている。
The attachment part of the cell
金属製のセルカバー24は、仕切り部材22によって塞がれる開口を下端に有し、この下端部がセルホルダ30に対して取り外し可能に嵌合され、この下端部に形成されたフランジ部37が締結部材38を介してセルホルダ30に固定されるようになっている。セルホルダ30に対するセルカバー24の嵌合面およびそのフランジ部37とセルホルダ30との当接面は、図示しないシール材を介して気密にシールされている。
The
燃料供給装置13の途中に組み込まれる本実施形態における改質器20は、改質触媒39を用いて都市ガスやジメチルエーテル(DME)などの炭化水素系燃料に燃料改質用の酸化剤、具体的には水(水蒸気)や二酸化炭素を添加することにより、水素ガスを含む改質ガスを得る形式のものである。内部に改質触媒39が収容された改質器20の底板部20aには、燃料導入ポート40と防爆ガス導入ポート41とが形成され、天板部20bには改質ガスの供給ポート42が形成されている。底板部20aの直下には、ガスバーナ21による火炎を遮蔽する受熱板43が底板部20aに連結されており、このSOFCシステム10の起動時に受熱板43を介して改質器20の改質触媒39を所定温度まで加熱することにより、燃料を効率よく改質ガスに変換することができる。燃焼筒26内の温度が上昇すると、その熱の一部が改質器20側に伝わり、ガスバーナ21を用いずとも改質触媒39を所定温度以上に昇温させることが可能となるため、この場合にはガスバーナ21を消火することができる。このような観点から、改質器20に改質触媒39の温度を検出する温度センサを組み込み、この温度センサからの情報に基づいてコントローラが燃焼ガスコントローラの作動を自動的に制御することも可能である。
The
本発明における改質ガス燃焼手段としての燃焼触媒44、例えば多孔質のアルミナにパラジウムを担持させたものが収容された燃焼筒26は、その上端の開口が仕切り部材22のベース29に対して気密に接合され、その下端の開口には改質器20の天板部20bとの間にバッファ室45を画成する管板46が気密に接合される。燃焼筒26の下端の一部には燃焼ガス排出ポート47が形成され、図示しない排気管をここに連結するようになっている。この排気管には、比較的高温の燃焼ガスが流れるため、本発明の排熱回収手段として図示しないガスタービンなどを用いた二次的な発電装置を接続し、その排熱を回収して発電効率を高めるように配慮することが好ましい。管板46には、バッファ室45に連通する複数の改質ガス供給管48の下端がそれぞれ気密に接合され、これらは燃焼触媒44を貫通して装着孔34からセル本体27の内側に入り、これらの上端がセル本体27の上端部にまで達している。この場合、各改質ガス供給管48がセル本体27と同心状に配され、改質ガス供給管48の上端からセル本体27内に噴出する改質ガスをその内周面の全域に亙って均一に流下させることが特に望ましい。
In the present invention, a
図示しない燃料改質用酸化剤供給手段および先の改質ガス供給管48を含む本実施形態の燃料供給装置13は、図示しない燃料貯溜タンクから改質器20の燃料導入ポート40に至る燃料供給通路49と、この燃料供給通路49の途中に順に配される圧力調整器50と、燃料供給通路49内を流れる燃料中の異物を捕捉するフィルタ51と、燃料供給通路49の開閉を行うための手動開閉弁52と、図示しないSOFCシステム10のオン/オフスイッチに連動して燃料供給通路49を自動的に開閉する自動開閉弁53と、燃料供給通路49内を流れる燃料の質量流量を所定値に保持するマスフローコントローラ54と、燃料供給通路49内の燃料の逆流を防止する逆止め弁55とを有する。圧力調整器50は、燃料供給通路49内を流れる燃料の圧力を所定の圧力に調圧するためのものであり、自動開閉弁52は手動開閉弁52の開閉操作に対する安全装置として組み込まれている。
The
なお、燃料改質用酸化剤供給手段から供給される水(水蒸気)または二酸化炭素は、燃料供給通路49内を流れる燃料と共に燃料導入ポート40から改質器20内に供給されるようになっている。
The water (steam) or carbon dioxide supplied from the fuel reforming oxidant supply means is supplied into the
前記改質器20および燃焼筒26の周囲には、これらを囲んでその内側を保温するための断熱カバー56が配され、その上端が仕切り部材22のベース29に一体的に固定されている。これにより、SOFCシステム10の運転温度、つまり第1のチャンバ23内の温度が850℃であっても、断熱カバー56の周囲の雰囲気温度を100℃以下に抑えることができ、放熱に伴う損失を最小限にすることができる。
A
本実施形態におけるセル本体27は、安定ジルコニア(YZS)などのセラミックスにて形成される円筒状をなす多孔質の電解質体57と、この電解質体57の外周面に形成された多孔質の正極58と、この正極58に導通するように接合される図示しない白金導線と、電解質体57の内周面に形成された多孔質の負極59と、この負極59が導通するように電解質体57の下端部が気密に嵌着されるニッケルなどの耐熱金属にて形成された段付きの嵌合保持筒35とを有する。各セル本体27の嵌合保持筒35がセルホルダ30の装着孔34bに対して気密に挿通されて第2のチャンバ25内に位置する状態となる。本実施形態では、6本のセル本体27が相互に平行に所定間隔でセルホルダ30に環状に配設される。従って、何れか1つのセル本体27の正極58が図示しない白金導線を介して仕切り部材22に組み込まれた集電端子60に接続し、これに隣接する1つのセル本体27の負極59が図示しない白金導線を介して仕切り部材22に組み込まれたもう一つの集電端子61に接続し、これら2つのセル本体27を含めて残りのセル本体27の正極58と負極59とが図示しない白金導線を介して順に直列に接続されている。
The
このセル本体27において、雰囲気温度を750℃以上に保持することにより、正極58では空気中の酸素が酸素イオンとなって負極59に移動し、負極59ではこの酸素イオンによって改質ガス中の水素および一酸化炭素が酸化され、水および二酸化炭素に化学変化を起こす。この化学反応に伴い、電解質体57を介して電子の移動が生じて周知の発電が行われることとなる。
In the
第1のチャンバ23内に供給される空気を加熱するための環状をなす電気ヒータ28は、セルカバー24を囲むように仕切り部材22の上に配される断熱部材62の内周に保持されており、第1のチャンバ23内を所定温度、例えば700℃以上に保持する。このSOFCシステム10の始動時には第1のチャンバ23内の温度が低いため、発電が円滑に立ち上がるまで電気ヒータ28に通電を行い、第1のセル内が所定温度以上になった時点で電気ヒータ28に対する通電を切るような使用方法を採用する。このため、第1のチャンバ23内の温度を検出する温度センサを組み込み、この温度センサからの検出信号に応じてコントローラにより電気ヒータ28に対する通電の制御を自動的に行うようにしてもよい。
An
本実施形態においては、この断熱部材62を囲む保護カバー63が仕切り部材22の外周縁部に締結ボルト64を介して取り外し可能に接合されており、セルカバー24との間に防爆ガスを介在させるための防爆チャンバ65を仕切り部材22と共に画成する。仕切り部材22には、この防爆チャンバ65に連通する防爆ガス導入通路66と、防爆ガス補給通路67とが形成されており、これらの通路66,67は防爆ガス供給装置15の一部を構成する。
In the present embodiment, a
本実施形態における空気供給装置14は、基端が本発明における酸化ガス供給源としての図示しない高圧エアタンクに連通すると共に他端が仕切り部材22を貫通して第1のチャンバ23内に連通し、燃焼筒26の周面に沿って形成された空気供給通路68と、この空気供給通路68の途中に順に配される圧力調整器69と、空気供給通路68内を流れる空気中の異物を捕捉するフィルタ70と、空気供給通路68の開閉を行うための手動開閉弁71と、図示しないSOFCシステム10のオン/オフスイッチに連動して空気供給通路68を自動的に開閉する自動開閉弁72と、空気供給通路68内を流れる空気、つまり酸素の質量流量を所定値に保持するマスフローコントローラ73と、空気供給通路68内の空気の逆流を防止する逆止め弁74と、第1のチャンバ23内でこれらセル本体27の外周面に対して空気を均一に流すための均一供給手段75とを有する。圧力調整器69は、空気供給通路68内を流れる空気の圧力を所定の圧力に調圧するためのものであり、自動開閉弁72は手動開閉弁71の開閉操作に対する安全装置として組み込まれている。本実施形態における空気供給通路68を画成する空気供給配管76は、上述した断熱カバー56の内側では燃焼筒26を囲むように螺旋状に配され、仕切り部材22を気密に貫通し、第1のチャンバ23内にてセル本体27を囲むように螺旋状に配され、その上端が均一供給手段75に接続している。
The
燃焼筒26を内筒とこれよりも大径の外筒とが同心状に配された二重管構造とし、内筒の内側を第2のチャンバ25として用いると共に内筒と外筒との間を空気供給通路68として利用することも可能である。
The
本実施形態における均一供給手段75の部分を模式的に図7に示す。すなわち、本実施形態における均一供給手段75は、空気供給配管76の上端に連通して各セル本体27の真上にバッファ室77を画成する分配部材78と、各セル本体27の真上に位置するようにこの分配部材78から下向きに開口する複数のエア噴射ノズル79とを有する。この場合、各セル本体27の正極58の全域に亙って均一に空気が供給されるように、各エア噴射ノズル70の開口径や開口形状などが設定されており、基本的には空気供給配管76に近いエア噴射ノズル79ほど開口径が大きく設定されている。
A portion of the uniform supply means 75 in the present embodiment is schematically shown in FIG. That is, the uniform supply means 75 in the present embodiment communicates with the upper end of the
第1のチャンバ23と第2のチャンバ25とに連通して第1のチャンバ23内に供給された空気を第2のチャンバ25内に導く本発明の酸化ガス補給通路としての空気補給通路80は、仕切り部材22に形成されており、セル本体27内から第2のチャンバ25内に流下する改質ガスの燃焼に必要な酸素が第2のチャンバ25内に供給される。この空気補給通路80の途中には、仕切り部材22のベース29に取り付けられた流量制御弁81が組み込まれており、改質ガス中に含まれる未燃成分の量に応じた適切な量の空気が流量制御弁81によって設定される。このため、本実施形態では、仕切り部材22の中央に形成された装着孔34に装着されるセル本体27に代え、改質ガス供給管48から供給される改質ガス中の酸素分圧を測定する図示しないO2センサがこの装着孔34に装着され、その検出情報をコントローラに出力するようになっている。コントローラは、このO2センサからの検出情報に基づいて空気補給通路80の通路断面積を調整して適切な量の空気が第2のチャンバ25内に供給されるようになっている。このように、セル本体27用の装着孔34を利用してO2センサを装着することにより、O2センサのための独立した取り付け部を形成する必要を無くすことができる。余剰の空気は、流量制御弁81から外部に排出することも可能であるが、比較的高温の空気であることから、これを再び空気供給通路68に戻すようにしてもよい。
An
本実施形態における防爆ガス供給装置15は、基端が防爆ガス供給源としての図示しない高圧窒素タンクに連通すると共に他端が仕切り部材22を貫通して防爆チャンバ65内に連通する防爆ガス供給通路82と、この防爆ガス供給通路82の途中に順に配される圧力調整器83と、防爆ガス供給通路82内を流れる窒素ガス中の異物を捕捉するフィルタ84と、防爆ガス供給通路82の開閉を行うための手動開閉弁85と、図示しないSOFCシステム10のオン/オフスイッチに連動して防爆ガス供給通路82を自動的に開閉する自動開閉弁86と、防爆ガス供給通路82内を流れる窒素の質量流量を所定値に保持するマスフローコントローラ87と、防爆ガス供給通路82内を流れる窒素の流量を調整するための流量調整弁88と、防爆ガス供給通路82内の窒素の逆流を防止する逆止め弁89とを有する。圧力調整器83は、防爆ガス供給通路82内を流れる窒素の圧力を所定の圧力に調圧するためのものであり、自動開閉弁86は手動開閉弁85の開閉操作に対する安全装置として組み込まれている。
The explosion-proof
なお、本実施形態では防爆ガスの一部を改質器20および第2のチャンバ25内にそれぞれ供給することができるようにしてあり、マスフローコントローラ87と流量調整弁88との間の防爆ガス供給通路82から分岐して改質器20の防爆ガス導入ポート41に連通する分岐通路90と、仕切り部材22に形成されて防爆チャンバ65と空気補給通路80とに連通する防爆ガス補給通路67とをさらに具えている。
In the present embodiment, a part of the explosion-proof gas can be supplied into the
上述した実施形態では、均一供給手段75として、各セル本体27の真上にエア噴射ノズル79を下向きに配したが、他の構成を採用することも可能である。図8はこのような本発明における均一供給手段75の他の実施形態の概略構造を示している。すなわち、この実施形態における均一供給手段75は、複数のセル本体27を囲み、仕切り部材22によって塞がれる開口を下端に有すると共にセルカバー24の天板部24aに近接する開口を上端に有する遮蔽筒91を具えている。この遮蔽筒91は、その下端部に複数のセル本体27が挿通されてこれらセル本体27の外周面との間に環状の空隙92をそれぞれ画成する複数の開口が形成された仕切り壁部93を有する。仕切り壁部93と仕切り部材22との間に空気補給通路80の一端が連通する第3のチャンバ94が画成される。遮蔽筒91とセルカバー24との間で空気供給通路68を画成する図示しない空気供給配管が仕切り部材22を気密に貫通している。仕切り壁部93に形成された開口とセル本体27の嵌合保持筒35との間の環状の間隙92を絞ることにより、遮蔽筒91の上端からその内側に流入する空気をセル本体27の正極58全域に亙って均一に流すことが可能となる。
In the embodiment described above, the
10 SOFCシステム
11 SOFCユニット
12 架台部
13 燃料供給装置
14 空気供給装置
15 防爆ガス供給装置
16 キャスタ
17 脚部
18 フレーム
19 受け環
20 改質器
20a 底板部
20b 天板部
21 ガスバーナ
22 仕切り部材
23 第1のチャンバ
24 セルカバー
24a 天板部
25 第2のチャンバ
26 燃焼筒
27 セル本体
28 電気ヒータ
29 ベース
30 セルホルダ
31 押さえ板
32 ばね座金
33 締結ボルト
34a〜34c 装着孔
35 嵌合保持筒
36 シール用突起
37 フランジ部
38 締結部材
39 改質触媒
40 燃料導入ポート
41 防爆ガス導入ポート
42 供給ポート
43 受熱板
44 燃焼触媒
45 バッファ室
46 管板
47 燃焼ガス排出ポート
48 改質ガス供給管
49 燃料供給通路
50 圧力調整器
51 フィルタ
52 手動開閉弁
53 自動開閉弁
54 マスフローコントローラ
55 逆止め弁
56 断熱カバー
57 電解質体
58 正極
59 負極
60,61 集電端子
62 断熱部材
63 保護カバー
64 締結ボルト
65 防爆チャンバ
66 防爆ガス導入通路
67 防爆ガス補給通路
68 空気供給通路
69 圧力調整器
70 フィルタ
71 手動開閉弁
72 自動開閉弁
73 マスフローコントローラ
74 逆止め弁
75 均一供給手段
76 空気供給配管
77 バッファ室
78 分配部材
79 エア噴射ノズル
80 空気補給通路
81 流量制御弁
82 防爆ガス供給通路
83 圧力調整器
84 フィルタ
85 手動開閉弁
86 自動開閉弁
87 マスフローコントローラ
88 流量調整弁
89 逆止め弁
90 分岐通路
91 遮蔽筒
92 空隙
93 仕切り壁部
94 第3のチャンバ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 SOFC system 11 SOFC unit 12 Mount part 13 Fuel supply apparatus 14 Air supply apparatus 15 Explosion-proof gas supply apparatus 16 Caster 17 Leg part 18 Frame 19 Receiving ring 20 Reformer 20a Bottom plate part 20b Top plate part 21 Gas burner 22 Partition member 23 1st 1 chamber 24 cell cover 24a top plate portion 25 second chamber 26 combustion cylinder 27 cell body 28 electric heater 29 base 30 cell holder 31 holding plate 32 spring washer 33 fastening bolts 34a to 34c fitting hole 35 fitting holding cylinder 36 for sealing Projection 37 Flange portion 38 Fastening member 39 Reforming catalyst 40 Fuel introduction port 41 Explosion-proof gas introduction port 42 Supply port 43 Heat receiving plate 44 Combustion catalyst 45 Buffer chamber 46 Tube plate 47 Combustion gas discharge port 48 Reformed gas supply pipe 49 Fuel supply passage DESCRIPTION OF SYMBOLS 0 Pressure regulator 51 Filter 52 Manual on-off valve 53 Automatic on-off valve 54 Mass flow controller 55 Check valve 56 Heat insulation cover 57 Electrolyte body 58 Positive electrode 59 Negative electrode 60, 61 Current collection terminal 62 Heat insulation member 63 Protective cover 64 Fastening bolt 65 Explosion-proof chamber 66 Explosion-proof gas introduction passage 67 Explosion-proof gas supply passage 68 Air supply passage 69 Pressure regulator 70 Filter 71 Manual on-off valve 72 Automatic on-off valve 73 Mass flow controller 74 Check valve 75 Uniform supply means 76 Air supply piping 77 Buffer chamber 78 Distribution member 79 Air Injection nozzle 80 Air supply passage 81 Flow control valve 82 Explosion-proof gas supply passage 83 Pressure regulator 84 Filter 85 Manual on-off valve 86 Automatic on-off valve 87 Mass flow controller 88 Flow control valve 89 Check valve 90 Branch passage 91 Shield tube 9 Cavity 93 partition wall portion 94 third chamber
Claims (11)
この仕切り部材によって塞がれる開口を下端に有し、当該仕切り部材とで内部に第1のチャンバを画成するセルカバーと、
燃料が供給され、この燃料を改質する改質器と、
前記仕切り部材によって塞がれる開口を上端に有すると共に前記改質器によって塞がれる開口を下端に有し、これら仕切り部材および改質器とで内部に第2のチャンバを画成する燃焼筒と、
一端が酸化ガス供給源に連通すると共に他端が前記仕切り部材を貫通して前記第1のチャンバ内に連通し、前記燃焼筒の周面に沿って形成された酸化ガス供給通路と、
上端部が半球状をなし、外周面に正極が形成されると共に内周面に負極が形成されたセル本体と、
前記第1のチャンバと前記第2のチャンバとを連通するように前記仕切り部材に形成され、前記セル本体が前記仕切り部材から前記第1のチャンバ内に突出するように前記セル本体の下端部が気密に嵌着される装着孔と、
前記改質器に基端部が連結されると共に前記第2のチャンバおよび前記装着孔を貫通し、上端が前記セル本体内の上端部に開口して前記改質器からの改質ガスを前記セル本体内に導く改質ガス供給管と、
前記第1のチャンバと前記第2のチャンバとを連通して前記第1のチャンバ内に供給された酸化ガスを前記第2のチャンバ内に導く酸化ガス補給通路と、
前記セル本体から前記第2のチャンバ内へと流れる改質ガスを燃焼させる改質ガス燃焼手段と、
前記燃焼筒に形成されて前記第2のチャンバ内に介在する燃焼ガスを外部に導く燃焼ガス排出ポートと
を具えたことを特徴とする燃料電池システム。 A partition member;
A cell cover that has an opening that is closed by the partition member at the lower end and that defines the first chamber with the partition member;
A reformer that is supplied with fuel and reforms the fuel;
A combustion cylinder having an opening closed by the partition member at an upper end and an opening closed by the reformer at a lower end, and defining a second chamber inside the partition member and the reformer; ,
An oxidizing gas supply passage formed along the peripheral surface of the combustion cylinder, one end communicating with the oxidizing gas supply source and the other end penetrating the partition member and communicating with the first chamber;
A cell body in which the upper end is hemispherical, the positive electrode is formed on the outer peripheral surface and the negative electrode is formed on the inner peripheral surface,
A lower end portion of the cell body is formed on the partition member so as to communicate the first chamber and the second chamber, and the cell body protrudes from the partition member into the first chamber. A mounting hole that fits in an airtight manner,
A base end portion is connected to the reformer and penetrates through the second chamber and the mounting hole, and an upper end opens to an upper end portion in the cell body, and the reformed gas from the reformer is supplied to the reformer. A reformed gas supply pipe leading into the cell body;
An oxidizing gas replenishment passage that communicates the first chamber with the second chamber and guides the oxidizing gas supplied into the first chamber into the second chamber;
A reformed gas combustion means for burning the reformed gas flowing from the cell body into the second chamber;
A fuel cell system comprising: a combustion gas discharge port that is formed in the combustion cylinder and guides the combustion gas interposed in the second chamber to the outside.
前記セル本体内に供給される前記改質ガス中の酸素分圧を測定するO2センサと、
このO2センサによる測定結果に基づいて前記流量制御弁による酸化ガスの供給量を制御する弁制御手段と
をさらに具えたことを特徴とする請求項1から請求項5の何れかに記載の燃料電池システム。 A flow rate control valve that is incorporated in the middle of the oxidizing gas supply passage and controls the amount of oxidizing gas supplied into the second chamber;
An O 2 sensor for measuring an oxygen partial pressure in the reformed gas supplied into the cell body;
The fuel according to any one of claims 1 to 5, further comprising valve control means for controlling a supply amount of oxidizing gas by the flow control valve based on a measurement result by the O 2 sensor. Battery system.
The partition member includes a base and an electrically insulating cell holder that is overlaid on the base. The cell holder is detachably fixed to the base via a fastening member, and the lower end portion of the cell body The fuel cell system according to any one of claims 1 to 10, wherein the fuel cell system is removably and airtightly fitted into the mounting hole of the cell holder.
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