JP4965098B2 - 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セルは、800℃程度の高温環境下で効率よく発電することから、燃料電池セル群を収容する室内の温度を800℃程度の高温に維持することが重要である。セル群収容室の温度が低下すると発電効率が落ちてしまう。
燃料電池は、炭化水素系ガスを改質した改質ガスを利用する。炭化水素系ガスを改質ガスに改質する反応は吸熱反応であり、改質器を加熱し続けなければ、改質反応を持続することができない。
セル群収容室には、改質ガスと有酸素ガスが送り込まれ、両者が反応することによって発電する。その反応は発熱反応であり、その発熱を利用することによって、セル群収容室と改質器を加熱することができる。
燃料電池セルは、その特性上、送り込まれた改質ガスの全部を消費することができず、燃料電池セルを通過してしまう改質ガス(オフガス)の量をゼロにはできない。オフガスを燃焼させれば燃焼熱を得ることができる。その燃焼熱を利用することによって、セル群収容室と改質器を加熱することができる。
特許文献1の発電装置では、発電反応に伴う発電熱とオフガスの燃焼熱を効率的に利用することによって、熱自立することに成功している。
図1において、図示120はセル群収容室44に有酸素ガスを送り込む有酸素ガス供給装置を示し、図示122は燃料ガス供給装置を示し、図示124は燃料ガスの改質に必要な水分の供給装置を示し、図示26は予熱された燃料ガスと水蒸気の供給通路を示し、図示14は燃料電池セル群を示している。
有酸素ガス供給装置(具体的には空気の送風装置)120から送りだされた有酸素ガス(具体的には空気)をセル群収容室44に送り込む有酸素ガス通路34と、排気通路58の間には、熱交換装置100が設けられている。熱交換装置100は、高温の排気ガスが通過する室46(排気通路58の一部)と、有酸素ガスが通路する室48(有酸素ガス通路34の一部)と、両者間で熱交換するフィンで構成されている。高温の排気ガスは、熱交換装置100によって、セル群収容室44に送り込む有酸素ガスを予熱する。
さらに、排気通路58と、燃料ガスと水蒸気を改質器18に送り込む供給通路26の間には、熱交換装置102が設けられている。高温の排気ガスは、熱交換装置102によって、改質器18に送り込む燃料ガスと水蒸気を予熱する。
特許文献1の発電装置は、発電反応に伴う発電熱とオフガスの燃焼熱を、吸熱反応によって冷却される改質器18を加熱し、改質器18に送り込む燃料ガスと水蒸気を予熱することに利用することによって、改質器18を改質適温に維持することを可能とする。しかも、発電反応に伴う発電熱とオフガスの燃焼熱を、セル群収容室44に送り込む有酸素ガスの予熱に利用することによって、セル群収容室44を発電適温に維持することに成功している。特許文献1の発電装置は、熱効率が高く、熱自立することに成功している。
特許文献1の発電装置は、熱自立のために、発電反応に伴う発電熱とオフガスの燃焼熱(以下では発電熱と燃焼熱という)を利用している。発電熱と燃焼熱は発電量に依存して変化する。発電量が大きな状態では、発電熱と燃焼熱がともに大きい。発電量が小さな状態では、発電熱と燃焼熱がともに小さい。この結果、セル群収容室44の温度は、発電量の変化に伴って変化してしまう。
図4は、横軸に発電量を示し、縦軸にセル群収容室の温度を示している。10kWの発電時にセル群収容室の温度が750℃となるように設計すると、5kWの発電時にはセル群収容室の温度が500℃以下にまで低下してしまう。発電量の低下に追従してセル群収容室の温度まで低下してしまうと、下記の問題が発生する。
(1)図5は、燃料電池セル群で発電する電力の電圧-電流密度カーブ(右下がりのカーブ)と、発電密度-電流密度カーブ(左下がりのカーブ)を示している。いずれのカーブも、セル群収容室の温度が低下すると低下してしまう。セル群収容室の温度が低下すると、発電効率が低下してしまう。
(2)電力需要の変動に追従して発電量を変化させると、発電装置に加熱と冷却の熱サイクルがかかる。加熱と冷却の熱サイクルが繰返されることによって、発電装置の劣化が促進される。
(3)電力需要の増大に追従して発電量を増大させようとしても、セル群収容室の温度を上昇させるのに時間がかかり、電力需要の増大に追従することが難しい。
特許文献1の発電装置は、一定の発電量で運転し続ける場合には、セル群収容室を発電適温に維持して熱自立することを可能としている。しかしながら、発電量が時間的に変化する運転が実行される場合に備えて、発電量の変化に抗してセル群収容室の温度を一定に維持するための改良を必要としている。
本発明では、発電量の変化に抗してセル群収容室を発電適温に維持して熱自立できる発電装置を実現する。
発電量を低下させた状態でも熱自立可能な発電装置を実現すると、発電量を増加させたために発電熱と燃焼熱が大きくなった場合には、セル群収容室が過熱されてしまうことになる。本発明の発電装置は、過熱防止機構を備えている。
本発明の発電装置は、固体酸化物型の燃料電池を用いる発電装置であり、発電量の変化に抗してセル群収容室を発電適温に維持するために、予熱装置を通過してから燃料電池セル群に有酸素ガスを供給する第1通路と、予熱装置を通過しないで燃料電池セル群に有酸素ガスを供給する第2通路を備えている。
流量比を調整可能な分流手段を備えていると、発電量に応じて流量比を調整することによって、発電量の変化に抗してセル群収容室を発電適温に維持することができる。あるいは、燃料電池セル群収容室の温度を計測し、計測結果によって流量比を調整してもよい。
流量比を調整する方式にすると、セル群収容室に送り込む有酸素ガスの総量は、一つの装置で制御できることから、制御しやすいという利点も得られる。
第1調整手段と第2調整手段を逆に連動(一方の流量を上げれば他方を下げるように連動させる)して作動させると、第1通路と第2通路の流量比を調整することができる。あるいはそれぞれの流量を独自に制御してもよい。例えば、発電量に応じて第1通路の流量を調整し、セル群収容室の温度に応じて第2通路の流量を調整してもよい。あるいはそれぞれの流量を連動(一方の流量を上げれば他方も上げる)して作動させることも可能である。発電に必要とされる以上の量の有酸素ガス量を燃料電池セル群収容室に送り込んでも特に問題はない。燃料電池セル群収容室に送り込む有酸素ガス量を増やせば、セル群収容室の温度を下げることができる。第1通路の流量と第2通路の流量を連動して調整するようにしても、発電適温に維持することができる。
第1通路と第2通路を分岐型とするのか、あるいは独立型とするのかは、適宜に選択することができる。
グループ単位に分岐していれば、燃料電池セルに供給する有酸素ガスの温度を、グループ単位で調整することが可能となる。
燃料電池セル群の中心に位置するセルグループは熱がこもり易く過熱されやすい。そのセルグループには第1通路から供給される有酸素ガスに対する第2通路から供給される有酸素ガスの流量比を大きくすることで、比較的低温の有酸素ガスを供給することができ、過熱を防止することができる。
燃料電池セル群の周辺に位置するセルグループは熱が逃げやすく冷却されやすい。そのセルグループには第1通路から供給される有酸素ガスに対する第2通路から供給される有酸素ガスの流量比が小さくなるようにすることで、比較的高温の有酸素ガスを供給することができ、発電適温にまで加熱することができる。
第1通路と第2通路を、各々のセルグループ用に分岐させることによって、発電量の変化に起因する温度変化のみならず、セル群収容室内の位置関係の不均一性に起因する温度変化にも対策することが可能となる。
個別のセルグループにおいても、その中心部に位置するセルスタックは熱がこもりやすく過熱されやすい。このようなセルスタックには第1通路から供給される有酸素ガスに対する第2通路から供給される有酸素ガスの割合が多い有酸素ガスを供給するようにすると、比較的低温の有酸素ガスを供給することができ、過熱を防止することができる。
セルグループの周辺部に位置するセルスタックは熱が逃げやすく冷却されやすい。このようなセルスタックには第1通路から供給される有酸素ガスに対する第2通路から供給される有酸素ガスの割合が少ない有酸素ガスを供給するようにすると、比較的高温の有酸素ガスを供給することができ、発電適温にまで加熱することができる。
上記した構成によれば、各々のセルグループにおける温度勾配を抑制することが可能であり、効率的な発電を行うことができる。
上記した構成によれば、各々のセルスタックにおける温度勾配を抑制することが可能であり、効率的な発電を行うことができる。
また、上記の発電装置では、発電量が大きいときには、第1通路に供給する有酸素ガスに対する第2通路に供給する有酸素ガスの流量比を高め、発電量が小さいときには、第1通路に供給する有酸素ガスに対する第2通路に供給する有酸素ガスの流量比を低めることが好ましい。発電量に依存して混合有酸素ガスの温度を変化させる方式によると、制御を非常に単純化することができる。
あるいは、上記の発電装置では、燃料電池セル群の温度が高いときには、第1通路に供給する有酸素ガスに対する第2通路に供給する有酸素ガスの流量比を高め、燃料電池セル群の温度が低いときには、第1通路に供給する有酸素ガスに対する第2通路に供給する有酸素ガスの流量比を低めるようにしてもよい。検出した温度によって燃料電池セル群の温度をフィードバック制御することができ、燃料電池セル群を発電適温に正確に維持しやすい。
(形態1) 燃料電池セル群は、複数のグループに分割されて配置されている。第2通路は、各セルグループに向けて分岐している。中心に位置するセルグループへの分岐通路の流量は、周辺に位置するセルグループへの分岐通路の流量よりも大きくなるように調整されている。
(形態2) 燃料電池セル群は、複数のグループに分割されて配置されている。中心に位置するセルグループに対してだけ第2通路が用意されている、周辺に位置するセルグループに対する第2通路は省略されている。
(形態3) 第2通路は、燃料電池セル群の各グループに向けて分岐しており、分岐部に可変絞りが配置されている。燃料電池セル群の各グループに温度検出装置が設けられている。温度検出装置が検出した温度が高ければ可変絞りが開けられ、温度検出装置が検出した温度が低ければ可変絞りが閉じられる。この制御は、燃料電池セル群のグループ毎に実施される。
(形態4)第1通路の流量は、発電量に応じて調整される。
(形態5)混合有酸素ガスの総量は、発電量に応じて調整される。
本発明を具現化した発電装置の第1実施例を、図面を参照しながら説明する。図6は本実施例に係わる発電装置のシステム図であり、図7は発電ユニットの縦断面図であり、図8は図7のVIII−VIII線縦断面図であり、図9は図7のIX−IX線断面図である。
図6に示すように、本実施例では、送風装置(有酸素ガス供給装置の一例)120から送風された空気(有酸素ガスの一例)が、三方弁(分流手段の一例)106によって、2つの通路34,107に分岐される。一方の通路34は、後記するように予熱した空気をセル群収容室44に供給する。他方の通路107は、後記するように予熱しない空気をセル群収容室44に供給する。以下では、通路34を予熱空気通路34(請求項でいう第1通路の一例であり、有酸素ガス通路でもある)といい、通路107を非予熱空気通路107(請求項でいう第2通路の一例であり、有酸素ガス通路でもある)という。予熱空気通路34は熱交換装置100(有酸素ガスの予熱装置の一例)を通過し、非予熱空気通路107は熱交換装置100をバイパスする。三方弁106は、予熱空気通路34と非予熱空気通路107の流量比が可変であり、非予熱空気通路107を閉じて全量を予熱空気通路34に流す状態から、非予熱空気通路107に一部を流す状態まで変化する。三方弁106は制御装置70に接続されている。その他は図1と同じであり、重複説明を省略する。
図7〜図9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(内室であり、改質器とセル群を収容するセル群収容室でもある)44、第2室(中間室)46、第3室(外室)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、複数本のセルスタック14と、酸素を含む空気をセルスタック群14に供給する空気供給部材16と、燃料ガスを水素や一酸化炭素等に改質する改質器18等が配設されている。
図10は、図8に示すセル12ないしセルスタック14の拡大断面図を示す。図10に示すように、セル12の内部に配置されている燃料極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本の改質ガス通路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。
隣接する燃料電池セル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12cは、集電部材22とインターコネクタ12dを介して、他方のセル12の燃料極12aに電気的に接続されている。多数個の燃料電池セル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、空気が通過することを禁止しない。
セルスタック14a、14c、14eの改質ガス通路20には、改質器18aで改質された改質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改質ガス通路20が開放されており、発電のために消費されなかった改質ガス(オフガス)が放出される。放出点の近傍にスパーク電極60が配置されており、放出されたオフガスは燃焼する。セルスタック14b、14dの改質ガス通路20には、改質器18bで改質された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改質ガス通路20が開放されており、発電のために消費されなかったガス(オフガス)が放出される。放出点の近傍にスパーク電極60が配置されており、放出されたオフガスは燃焼する。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。
セルスタック14に供給される改質ガスの例えば80%が発電に利用される場合、発電に利用されなかった20%の改質ガス(オフガス)は、改質ガス通路20を通過して先端から流出する。また、セルスタック14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の隙間をすり抜けてセルスタック14の先端側へ誘導される。各セルスタック14の先端近傍にはスパーク電極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、セルスタック14の先端から流出するオフガスが、セルスタック14の先端側へ誘導される空気によって燃焼する。改質器18はセルスタック14の先端に近接していることから、オフガス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。
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50a、50bによって支持されており、強度が高い。図9に示すように、セルスタック14の改質ガス通路20は左右方向に伸びており、空気供給部材16は、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7から図9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。
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、そこに予熱空気通路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、そこに排気通路58が連通している。
第3室48は、三方弁106から予熱空気通路34へ送ら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。
空気は第3室48を下方から上方に移動する。排気ガスは第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。両者間に熱交換装置(空気の予熱装置)100が形成されていることが理解される。
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。発電ユニット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構造となっている。
空気供給管78aからは、空気供給部材84b、84c、84dが分岐している。空気供給管78bからは、空気供給部材86b、86c、86dが分岐している。空気供給部材84b、86bはそれぞれ空気供給部材16bの内部を伸び、先端が空気供給部材16bの長手方向(空気供給管50aと50bを結ぶ方向)における中央付近まで達している。空気供給部材84c、86cはそれぞれ空気供給部材16cの内部を伸び、先端が空気供給部材16cの長手方向における中央付近まで達している。空気供給部材84d、86dはそれぞれ空気供給部材16dの内部を伸び、先端が空気供給部材16dの長手方向における中央付近まで達している。空気供給部材84b、84c、84dはそれぞれ先端に空気供給口84fを備えている。空気供給部材86b、86c、86dはそれぞれ先端に空気供給口86fを備えている。空気供給部材84b、86bは空気供給部材16bの内部に予熱されていない空気を吹き出し、空気供給部材84c、86cは空気供給部材16cの内部に予熱されていない空気を吹き出し、空気供給部材84d、86dは空気供給部材16dの内部に予熱されていない空気を吹き出す。空気供給部材16b、16c、16dは、空気供給部材84b、84c、84d、86b、86c、86dから供給される予熱されていない空気と、空気供給管50a、50bから供給される予熱された空気を混合し、混合された空気をセルスタック14b、14c、14dに吹きだす。三方弁106で分岐した非予熱空気は、空気供給部材16b、16c、16dの内部で予熱空気と合流する。
空気供給部材16a、16eには、空気供給部材84a、84e、86a、86eに相当するものが設けられていない。空気供給部材16a、16eには、予熱された空気のみが供給される。
冷却されやすいセルスタック14a、14eには十分に予熱された空気が供給され、熱がこもりやすいセルスタック14b、14c、14dには適度に予熱された混合空気が供給される。この結果、冷却されやすいセルスタック14a、14eと、熱がこもりやすいセルスタック14b、14c、14dの温度差を小さく抑制できる。
本実施例では、予熱された空気を供給する空気供給部材16がセルのグループに向けて分岐し、予熱されていない空気を供給する空気供給部材84、86がセルのグループに向けて分岐している。冷却されやすいセルスタックには予熱されていない空気を供給する分岐通路が省略されており、冷却されやすいセルスタックには十分に予熱された空気が供給される。過熱されやすいセルスタックには予熱されていない空気を供給する分岐通路が形成されており、過熱しやすいセルスタックには適温に冷やされた混合空気が供給される。セルスタック14a〜14eの温度差が抑制され、全部のセルスタックを発電適温に維持することが可能となる。
燃料ガス供給装置122から取り込まれた燃料ガスと、水供給装置124から送りこまれた水は、熱交換装置(予熱装置)102内で予熱されて混合され、燃料ガス導入管26へ送られる。燃料ガス導入管26から改質器18a、18bに送られた水蒸気と燃料ガスの混合ガスは、改質器18a、18b内で、水素と一酸化炭素を含む改質ガスに改質され、各マニホールド24に送られる。改質された改質ガスは、各マニホールド24から各燃料電池セル12へ送られ、各燃料電池セル12内の改質ガス通路20に流入する。
送風装置(有酸素ガス供給手段の一例)120から送り込まれた空気は、三方弁106によって予熱空気通路34と非予熱空気通路107の2通路に分岐される。予熱空気通路34の空気は、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50a、50b内に流入する。空気供給管50a、50bへ流入した予熱空気は下方へ移動し、空気供給部材16へ送られる。第3室48のフィン54の間をすり抜ける際に空気が加熱されるため、第3室48とフィン54をまとめて予熱装置100ということができる。
非予熱空気通路107の空気は、分配ダクト76を通過し、空気供給管78a、78bに流入する。空気供給管78a、78bへ流入した空気は下方へ移動し、空気供給部材84b、84c、84d、86b、86c、86dへ送られる。空気供給部材84b、84c、84d内の空気は空気供給口84fから流出し、空気供給部材86b、86c、86d内の空気は空気供給口86fから流出し、空気供給部材16b、16c、16d内で予熱空気と合流する。合流した後の空気は、空気供給部材16b、16c、16dの上面から、直近上部のセルスタック14b、14c、14dに空気を供給する。
空気供給部材16a、16eには三方弁106において予熱空気通路34に分岐された予熱空気のみが流入し、空気供給部材16a、16eの上面に形成された空気供給口16fから、直近上部のセルスタック14a、14eに空気を供給する。
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。
各セルスタック14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、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の先端側へ誘導される空気によって燃焼する。改質器18はセルスタック14の先端に近接していることから、オフガス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。
オフガスの燃焼ガスと、改質ガスと酸素が反応するときの反応熱で加熱されたガスとの混合ガス(排気ガスという)は、極めて高温であり、そのままでは熱交換装置に投入しがたい。それほどの高温に耐えられる熱交換装置は材質が限られ、高価である。本実施例では、オフガスの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、燃焼熱は吸熱に利用される。燃焼熱でまず改質器18を加熱するために、排気ガスの温度は低下する。このために、第2室46を流れる排気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。
改質器18を加熱することによって第一次的に冷却された排気ガスは、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、排気通路58から外部に導出される。
このとき、予熱空気通路34から導入された空気が第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、空気を約650℃まで予加熱しておくことができる。一方、空気を余熱した排気ガスは、空気を余熱することによって第二次的に冷却され、約500℃程度まで冷却される。排気ガスは、なおも高温であり、発電ユニット10の外部に配設されている熱交換装置(燃焼ガスと水分の予熱装置)102の加熱に利用することができる。
一方で非予熱空気通路107を経由する空気は、加熱されないままに非予熱空気通路107を通過し、室温の状態でセル群収容室44内へ供給される。
本実施例では、発電量が大きな状態では、三方弁106によって、予熱空気の流入量を減少させ、非予熱空気の流入量を増加させるよう設定されている。発電量が小さい状態では、三方弁106によって、予熱空気の流入量を増加させ、非予熱空気の流入量を減少させる。
図11(A)は発電量と、全供給空気量に対する非予熱空気通路107からの非予熱空気の流入量の割合を示した図である。5kWの発電量では非予熱空気の流入量を0%とし、全量を予熱空気とする。10kWの発電量では非予熱空気の流入量を25%とする。
図11(B)は図11(A)に従って非予熱空気の比率を調節した場合に、空気供給材16b、16c、16dから供給される空気の温度である。5kWの場合では全供給空気を予熱空気通路34へ送るよう設定するため、セルスタック14へ供給される空気の温度は約640℃となる。10kWの場合では全供給空気の25%を非予熱空気とするため、16b、16c、16dから供給される供給空気の温度は約475℃となる。三方弁106にて非予熱空気と予熱空気の流量比を調節することによってセルスタック14へ供給する空気の温度を変化させ、発電量の増減に抗して発電ユニット内の温度を一定に保つことが可能となる。実験によって、図11の関係に従うと、発電量が5kW〜10kWのいずれの状態においても、セル群収容室44を約800℃に維持できることが確認できた。
本発明を具現化した発電装置の第2実施例を、図面を参照しながら説明する。なお第1実施例と重複する説明は繰り返さない。
図12は、第2実施例に係る発電装置の空気供給系を示す図であり、図13は第2実施例に係わる発電装置のシステム図である。
図12に示すように、非予熱空気のダクト76の左端から、5本の空気供給管83a、83b、83c、83d、83eが伸びている。空気供給管83a、83b、83c、83d、83eは、左側の空気供給管50a(明瞭化のために図示しない)の内部を下方へ伸びている。左側の5本の空気供給管83a、83b、83c、83d、83eの先端は、上下5段の空気供給部材16a、16b、16c、16d、16eの各々に対応する高さにおいて開口しており、空気供給材16a、16b、16c、16d、16eに非予熱空気を吹き込む。空気供給管83a、83b、83c、83d、83eの上端には、ダクト76を外すと交換可能なしぼり80a、80b、80c、80d、80eが配設されている。
非予熱空気のダクト76の右端からも、5本の空気供給管85a、85b、85c、85d、85eが伸びている(明瞭化のために図12では図示しないが、図13には示されている)。右側の5本の空気供給管85a、85b、85c、85d、85eは、右側の空気供給管50bの内部を下方へ伸びている。右側の5本の空気供給管85a、85b、85c、85d、85eの先端も、上下5段の空気供給部材16a、16b、16c、16d、16eの各々に対応する高さにおいて開口しており、空気供給材16a、16b、16c、16d、16eに非予熱空気を吹き込む。右側の5本の空気供給管85a、85b、85c、85d、85eの上端には、ダクト76を外すと交換可能な位置にしぼり82a、82b、82c、82d、82eが配設されている。通路自体の系統図は、図13に示されている。
本発明を具現化した発電装置の第3実施例を、図面を参照しながら説明する。なお第1実施例と重複する説明は繰り返さない。
図14は第3実施例に係わる発電装置のシステム図である。図14に示すように、各段のセルスタック14a、14b、14c、14d、14eの上部に、発電時のセルの温度を測定する熱電対72a、72b、72c、72d、72eが配置されている。
図12と同様に、非予熱空気の供給管は、左側に空気供給管83a、83b、83c、83d、83eが配置されており、右側に空気供給管85a、85b、85c、85d、85eが配置されている。
図15に示すように、熱電対72a、72b、72c、72d、72eは制御装置70に接続されており、制御装置70は可変絞り110a〜110e、112a〜112eを制御する。
しかしながら、厳密に温度分布を測定すると、セルスタック群の段ごとの温度分布が一様とならないことがある。中心近傍の段では高温になりやすく、最上段と最下段の段では低温になりやすい傾向にある。本実施例では、各段のセルスタックに設けられた熱電対72a〜72eによって各段のセルスタックの温度を求め、温度が高い場合には対応する可変絞りを開けて非予熱空気の供給量を増加させ、温度が低い場合には減少させる。即ち、熱電対72a〜72eによって測定された温度に基づいて、可変絞り110a〜110e、112a〜112eをフィードバック制御する。
この結果、セル群収容室の平均温度が発電量の変動に抗してほぼ一定に維持されて発電適温に保たれるのみならず、各段毎の温度分布も一様化される。
この実施例では、三方弁106によって予熱空気と非予熱空気に分流される流量比が発電量に応じて調節されるが、可変絞り110a〜110e、112a〜112eについては対応するセルスタック群の温度に応じて調節される。
可変絞り110a〜110e、112a〜112eは、ダクト76を外せば点検可能な位置に配置されている。しかも、非予熱空気が通過する低温環境で用いられる。特に高い耐熱性が必要とされない。
本発明を具現化した発電装置の第4実施例を、図面を参照しながら説明する。なお第1実施例と重複する説明は繰り返さない。
図16に示すように発電ユニット210は、内側から外側に向かって、第1室(セル群収容室)44、第2室(排気通路の一部)46、第3室(予熱空気通路の一部)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210の中心部の第1室44内には、複数の燃料電池セル12が直線状に配列されて構成されているセルスタック214a、214b、214c、214dと、空気(有酸素ガスの一例)をセルスタック214a、214b、214c、214dに供給する予熱空気供給管216と、非予熱空気供給管281と、燃料となる水素や一酸化炭素等の改質ガスをセルスタック214a、214b、214c、214dに供給するマニホールド224a、224b、224c、224d等が配設されている。改質ガスは、発電ユニット210の外部に配置された改質器(図示省略)によって、プロパンやメタン等の燃料ガスを水素や一酸化炭素に改質したガスである。
非予熱空気の供給管281は細長い円筒状の部材であり、上端部がセルスタック214214bと214cの間に配置されており、下端部はユニット210の外部まで伸び、非予熱空気通路107を経て三方弁106に接続されている。非予熱空気の供給管281の上端部には空気供給口281fが形成されている。
水素と一酸化炭素を含む改質ガスは、燃料ガス導入管26からマニホールド224a、224b、224c、224dへ供給され、マニホールド224a、224b、224c、224dから各燃料電池セルスタック214a、214b、214c、214dへ送られ、各燃料電池セル12内の改質ガス通路20に流入する。三方弁106によって、予熱空気通路34に送られた空気は、第3室48を通過する間に予熱され、予熱空気の供給管216へ流入する。予熱された空気は、空気供給管216内を上端部から下端部へ向かって移動し、空気供給口216fから流出する。流出する空気は、第3室48を通過する間にフィン54で予熱されており、空気供給管216を下降する間に排気ガスでさらに加熱されることによって高温となっている。三方弁106によって非予熱空気通路107に送られた非予熱空気は、空気供給管281を通過して空気供給口281fから流出する。空気供給口216f、281fから噴出した空気は、対流によって斜め上方向に上昇し、セルスタック214a、214b、214c、214dと接触しながら、燃料電池セル12の下端から上端、すなわち改質ガス通路20の上流側から下流側へ分散される。
空気中の酸素は、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。
セルスタック214a、214b、214c、214dを通過したオフガスは、セルスタック214a、214b、214c、214dの先端から流出して燃焼する。第3室48の上部と空気供給管216は、セルスタック214a、214b、214c、214dの先端に近接していることから、オフガスの燃焼熱を空気の予熱に利用することができる。空気の予熱に利用された排気ガスは排気通路58を通りユニット外部へ送られる。
三方弁106から非予熱空気通路107へ送られた空気は予熱装置を通らず、非予熱空気供給通路281を通過し、非予熱空気供給口218fから供給される。加熱された空気のみでなく、非予熱空気をも供給することによって、ユニット内210内の温度が過熱されるのを防止する。特に熱がこもりやすい中心近傍に、非予熱空気が送り込まれることから、中心近傍の過熱を防止することができる。
三方弁106によって、非予熱空気通路107と予熱空気通路34に分流する割合が調節可能であるため、発電量の変化に抗して、ユニット210内の温度を一定に保つことが可能となる。
例えば、三方弁によって第1通路と第2通路に分岐とするのではなく、第1通路と第2通路の流量を独立に調整可能としてもよい。また、発電量に基づいて流量調整を行う方式と、セルの温度に基づいて流量調整を行う方式を併用することもできる。
本実施例では、第1通路と第2通路がそれぞれにセル収容室に挿入され、セル収容室内の温度分布を均質化しているが、セル群収容室の外部で第1通路と第2通路を合流させてもよい。それだけでも、発電量の変化に抗してセル群収容室の平均温度をほぼ一定に維持して発電適温に維持することが可能となる。
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。
12・・・燃料電池セル
14・・・セルスタック
14a、14b、14c、14d、14e・・・セルスタックのグループ
16・・・予熱された空気の供給部材
18・・・改質器
34・・・予熱空気通路
84、86・・・予熱されていない空気の供給部材
107・・非予熱空気通路
100・・熱交換装置(空気の予熱装置であり有酸素ガスの予熱装置でもある)
102・・熱交換装置(燃料ガスと水分の予熱装置でもある)
Claims (5)
- 固体酸化物型の燃料電池を用いる発電装置であり、
複数の燃料電池セルが直線状に整列してセルスタックを形成しており、
複数のセルスタックが互いに平行となるように面内に配置されてセルグループを形成しており、
複数のセルグループが互いに平行となるように多段に配置されて燃料電池セル群を形成しており、
予熱装置を通過してから燃料電池セル群に有酸素ガスを供給する第1通路と、
予熱装置を通過しないで燃料電池セル群に有酸素ガスを供給する第2通路と、
を備えており、
第1通路と第2通路は、各々のセルグループに有酸素ガスを供給するように分岐しており、
燃料電池セル群の中心に位置するセルグループには、第1通路から供給される有酸素ガスに対する第2通路から供給される有酸素ガスの流量比が大きく、燃料電池セル群の周辺に位置するセルグループには、第1通路から供給される有酸素ガスに対する第2通路から供給される有酸素ガスの流量比が小さくなるように、第1通路と第2通路が構成されており、
各々のセルグループにおいて、第1通路と第2通路は合流してから有酸素ガスを供給するように配置されており、
セルグループの中心に位置するセルスタックには、第1通路から供給される有酸素ガスに対する第2通路から供給される有酸素ガスの割合が多い有酸素ガスを供給し、セルグループの周辺に位置するセルスタックには、第1通路から供給される有酸素ガスに対する第2通路から供給される有酸素ガスの割合が少ない有酸素ガスを供給するように、第1通路と第2通路の合流位置が設定されていることを特徴とする発電装置。 - セルスタックの内部に、長手方向に沿って改質ガスが流れる改質ガス通路が形成されており、
セルスタックの下流側に位置する燃料電池セルには、第1通路から供給される有酸素ガスに対する第2通路から供給される有酸素ガスの割合が多い有酸素ガスを供給し、セルスタックの上流側に位置する燃料電池セルには、第1通路から供給される有酸素ガスに対する第2通路から供給される有酸素ガスの割合が少ない有酸素ガスを供給するように、第1通路と第2通路の合流位置が設定されていることを特徴とする請求項1の発電装置。 - 燃料電池セル群を収容するセル群収容室内において、第2通路が第1通路の内部に収容されていることを特徴とする請求項1または2の発電装置。
- 発電量が大きいときには、第1通路に供給する有酸素ガスに対する第2通路に供給する有酸素ガスの流量比を高め、発電量が小さいときには、第1通路に供給する有酸素ガスに対する第2通路に供給する有酸素ガスの流量比を低めることを特徴とする請求項1から3の何れか一項の発電装置。
- 燃料電池セル群の温度が高いときには、第1通路に供給する有酸素ガスに対する第2通路に供給する有酸素ガスの流量比を高め、燃料電池セル群の温度が低いときには、第1通路に供給する有酸素ガスに対する第2通路に供給する有酸素ガスの流量比を低めることを特徴とする請求項1から3の何れか一項の発電装置。
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