JP5073335B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池モジュール、燃焼器、燃料ガス供給装置、酸化剤ガス供給装置、水供給装置、電力変換装置及び制御装置が筐体に収容される燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system in which a fuel cell module, a combustor, a fuel gas supply device, an oxidant gas supply device, a water supply device, a power conversion device, and a control device are housed in a casing.
通常、固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この固体電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。 In general, a solid oxide fuel cell (SOFC) uses an oxide ion conductor, for example, stabilized zirconia, as a solid electrolyte, and an electrolyte / electrode in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of the solid electrolyte. The joined body is sandwiched between separators (bipolar plates). This fuel cell is normally used as a fuel cell stack in which a predetermined number of electrolyte / electrode assemblies and separators are laminated.
上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやLNG等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料から改質原料ガスを得た後、この改質原料ガスに水蒸気改質や部分酸化改質、又はオートサーマル改質等を施すことにより、改質ガス(燃料ガス)が生成されている。 As the fuel gas supplied to the fuel cell, hydrogen gas generated from a hydrocarbon-based raw fuel by a reformer is usually used. In a reformer, generally, after obtaining a reforming raw material gas from a hydrocarbon-based raw fuel such as fossil fuels such as methane and LNG, steam reforming, partial oxidation reforming, or A reformed gas (fuel gas) is generated by performing autothermal reforming or the like.
この場合、単一のユニットケース内に、燃料電池、改質装置、前記燃料電池で発生した直流電力を電源出力仕様に変換する電力変換装置、制御装置及び補機類を内蔵した燃料電池システム(燃料電池装置)が知られている。 In this case, a fuel cell system in which a fuel cell, a reformer, a power conversion device that converts DC power generated in the fuel cell into a power output specification, a control device, and auxiliary devices are built in a single unit case ( Fuel cell devices) are known.
例えば、特許文献1に開示されている燃料電池装置では、図9に示すように、パッケージ1を備えており、メンテナンスの必要な部品である浄化装置2、イオン交換装置3及び脱硫器4が、前記パッケージ1の外面パネルである正面パネル5の近傍に配置されている。
For example, in the fuel cell device disclosed in Patent Document 1, as shown in FIG. 9, a
これにより、メンテナンスを必要とする部品は、パッケージ1の内部ではなく、装置本体の外郭をなす正面パネル5の近傍に配置されている。従って、燃料電池装置の運転を継続するのに交換や再生等が必要な部品について、メンテナンスを容易に行うことができる、としている。
As a result, the parts requiring maintenance are arranged not in the package 1 but in the vicinity of the
しかしながら、上記の特許文献1では、各機器の作動温度域や機能を考慮した配置(レイアウト)がなされていない。このため、特に、高温型燃料電池(固体酸化物形燃料電池や溶融炭酸塩形燃料電池等)や、中温型燃料電池(リン酸形燃料電池や水素分離膜形燃料電池等)が用いられる際、作動温度が低温である低温部が、熱や流体の拡散による影響を受け易いという問題がある。 However, in said patent document 1, arrangement | positioning (layout) which considered the operating temperature range and function of each apparatus is not made. For this reason, particularly when high-temperature fuel cells (solid oxide fuel cells, molten carbonate fuel cells, etc.) and medium-temperature fuel cells (phosphoric acid fuel cells, hydrogen separation membrane fuel cells, etc.) are used. There is a problem that the low temperature portion where the operating temperature is low is easily affected by diffusion of heat and fluid.
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池モジュールの耐久性及び寿命を良好に向上させ、各機器を作動温度域毎及び機能毎に配置して熱や流体の拡散を最小化するとともに、を比較的低温で使用される制御装置等に熱影響が及ぶことを可及的に阻止することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and improves the durability and life of the fuel cell module, and minimizes the diffusion of heat and fluid by arranging each device for each operating temperature range and function. In addition, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of preventing a thermal influence on a control device or the like used at a relatively low temperature as much as possible.
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールを昇温させる燃焼器と、前記燃料電池モジュールに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池モジュールに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池モジュールに水を供給する水供給装置と、前記燃料電池モジュールで発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置と、前記燃料電池モジュールの発電量を制御する制御装置とを筐体に収容する燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell module that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, a combustor that raises the temperature of the fuel cell module, and a fuel gas supply device that supplies the fuel gas to the fuel cell module An oxidant gas supply device for supplying the oxidant gas to the fuel cell module, a water supply device for supplying water to the fuel cell module, and converting direct current power generated in the fuel cell module into required specification power The present invention relates to a fuel cell system in which a power conversion device for controlling and a control device for controlling the power generation amount of the fuel cell module are housed in a casing.
そして、筐体は、燃料電池モジュール及び燃焼器が収容され、且つ前記燃焼器が前記燃料電池モジュールの上方に配置されるモジュール部と、燃料ガス供給装置、酸化剤ガス供給装置及び水供給装置が配置される流体供給部と、電力変換装置及び制御装置が配置される電装部とに分割されるとともに、前記筐体内には、鉛直方向に配置される縦仕切り板により、平面視で3つの空間が形成され、前記3つの空間は、互いに分割される前記モジュール部、前記流体供給部及び前記電装部を構成し、平面視多角形状を有する前記モジュール部は、一の角部を挟んで第1の側面及び第2の側面を有し、前記モジュール部の前記第1の側面を構成する前記縦仕切り板に前記流体供給部が配置され、且つ前記モジュール部の前記第2の側面を構成する前記縦仕切り板に前記電装部が配置されている。 The housing includes a module unit in which the fuel cell module and the combustor are accommodated and the combustor is disposed above the fuel cell module, a fuel gas supply device, an oxidant gas supply device, and a water supply device. It is divided into a fluid supply part to be arranged and an electric part to be arranged with the power conversion device and the control device, and in the casing, there are three spaces in plan view by a vertical partition plate arranged in the vertical direction. The three spaces constitute the module part, the fluid supply part, and the electrical component part which are divided from each other, and the module part having a polygonal shape in plan view has a first corner part sandwiching one corner part. of having a side and a second side, wherein the fluid supply section to the vertical partition plate constituting said first side surface of the module part is arranged, and before forming the second side of the module portion The electrical unit is arranged in a vertical partition plate.
また、筐体は、モジュール部、流体供給部及び電装部を開閉自在な開閉扉を備えることが好ましい。従って、モジュール部、流体供給部及び電装部毎に応じた保守やメンテナンスが容易且つ確実に遂行可能になる。 Moreover, it is preferable that a housing | casing is provided with the opening / closing door which can open and close a module part, a fluid supply part, and an electrical equipment part. Therefore, maintenance and maintenance corresponding to each module unit, fluid supply unit, and electrical component unit can be performed easily and reliably.
さらに、流体供給部は、水供給装置が最下部に配置されることが好ましい。これにより、水供給装置に、例えば、水漏れが発生しても、燃料ガス供給装置及び酸化剤ガス供給装置が被水することを阻止することが可能になる。 Furthermore, it is preferable that a water supply apparatus is arrange | positioned at the lowest part of a fluid supply part. Thereby, for example, even if a water leak occurs in the water supply device, it is possible to prevent the fuel gas supply device and the oxidant gas supply device from getting wet.
さらにまた、流体供給部は、燃料ガスを検知する検知器を備えるとともに、前記検知器は、前記流体供給部の最上部に配置されることが好ましい。これにより、燃料ガス供給装置から燃料ガスの漏れが発生しても、検知器を介してガス漏れを迅速且つ確実に検出することが可能になる。 Furthermore, it is preferable that the fluid supply unit includes a detector that detects fuel gas, and the detector is disposed at the top of the fluid supply unit. Thereby, even if fuel gas leaks from the fuel gas supply device, the gas leak can be detected quickly and reliably via the detector.
また、流体供給部は、酸化剤ガス供給装置の上方に燃料ガス供給装置が配置されることが好ましい。酸化剤ガス供給装置は、エアポンプを備える一方、燃料ガス供給装置は、燃料ガスポンプを備えている。特に、A/F(空気/燃料ガス)の値が大きい燃料電池システムにおいては、エアポンプは、燃料ガスポンプに比べて体積が大きく、且つ、重量物となっている。従って、酸化剤ガス供給装置を燃料ガス供給装置の下方に配置することにより、設置安定性の向上を図ることができる。しかも、燃料ガス供給装置から燃料ガスの漏れが発生しても、この燃料ガスを酸化剤ガス供給装置により吸入することを回避することが可能になる。 Moreover, it is preferable that a fuel gas supply apparatus is arrange | positioned above an oxidizing agent gas supply apparatus at a fluid supply part. The oxidant gas supply device includes an air pump, while the fuel gas supply device includes a fuel gas pump. In particular, in a fuel cell system having a large A / F (air / fuel gas) value, the air pump has a larger volume and a heavy object than the fuel gas pump. Therefore, the installation stability can be improved by disposing the oxidant gas supply device below the fuel gas supply device. In addition, even if fuel gas leaks from the fuel gas supply device, it is possible to avoid inhaling the fuel gas by the oxidant gas supply device.
さらに、流体供給部は、検知器及び燃料ガス供給装置が配置される第1供給部と、酸化剤ガス供給装置及び水供給装置が配置される第2供給部とに分割されることが好ましい。これにより、燃料ガス供給装置から燃料ガスの漏れが発生しても、この燃料ガスを酸化剤ガス供給装置が吸入することを確実に阻止することができる。 Furthermore, the fluid supply unit is preferably divided into a first supply unit in which the detector and the fuel gas supply device are arranged, and a second supply unit in which the oxidant gas supply device and the water supply device are arranged. Thereby, even if fuel gas leaks from the fuel gas supply device, it is possible to reliably prevent the oxidant gas supply device from inhaling the fuel gas.
さらにまた、前記筐体は、鉛直軸回りに回転可能な回転機構を備えることが好ましい。このため、筐体を回転させることにより、モジュール部、流体供給部又は電装部を開閉する開閉扉を、作業者が開閉し易い位置に配置させることができ、保守やメンテナンスの作業性が良好に向上する。 Furthermore, it is preferable that the housing includes a rotation mechanism that can rotate around a vertical axis. For this reason, by rotating the housing, the open / close door that opens and closes the module unit, fluid supply unit, or electrical unit can be placed at a position that is easy for the operator to open and close, and maintenance and workability of the maintenance are good. improves.
さらに、燃料電池モジュールは、高温型燃料電池システム、例えば、固体酸化物形燃料電池(SOFC)モジュールであることが好ましく、これにより、良好な効果が得られる。 Further, the fuel cell module is preferably a high-temperature fuel cell system, for example, a solid oxide fuel cell (SOFC) module, which can provide a good effect.
さらにまた、固体酸化物形燃料電池モジュールは、少なくとも固体電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される固体酸化物形燃料電池を設け、複数の前記固体酸化物形燃料電池が積層される固体酸化物形燃料電池スタックと、酸化剤ガスを前記固体酸化物形燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器とを備えることが好ましい。 Furthermore, a solid oxide fuel cell module is provided with a solid oxide fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly configured by sandwiching at least a solid electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode and a separator are stacked. A solid oxide fuel cell stack in which the solid oxide fuel cells are stacked, a heat exchanger that heats an oxidant gas before being supplied to the solid oxide fuel cell stack, and a hydrocarbon as a main component. In order to generate a mixed fuel of raw fuel and water vapor, it is preferable to include an evaporator that evaporates water and a reformer that reforms the mixed fuel to generate a reformed gas.
このため、燃焼器が駆動されることにより発生する熱(数百℃)は、燃料電池モジュールの所望の部位、すなわち、燃料電池スタックに供給され、前記燃料電池スタックが昇温される。しかも、燃料電池モジュールの比較的低温で機能する他の部位、すなわち、熱交換器、蒸発器及び改質器は、燃焼器からの熱に必要以上に曝されることがない。従って、特に熱交換器、蒸発器及び改質器や配管類の耐久性及び寿命が良好に向上する。 For this reason, heat (several hundred degrees C) generated by driving the combustor is supplied to a desired portion of the fuel cell module, that is, the fuel cell stack, and the temperature of the fuel cell stack is increased. In addition, other parts of the fuel cell module that function at a relatively low temperature, that is, the heat exchanger, the evaporator, and the reformer, are not exposed to the heat from the combustor more than necessary. Accordingly, the durability and life of the heat exchanger, the evaporator, the reformer and the piping are particularly improved.
さらに、燃料電池スタックの下方に、熱交換器、蒸発器及び改質器が配置されることが好ましい。これにより、燃焼器からの熱は、直接、燃料電池スタックに供給され、前記燃料電池スタックが良好に昇温される。しかも、熱交換器、蒸発器及び改質器は、燃焼器からの熱に必要以上に曝されることがないので、耐久性及び寿命の向上が図られる。 Furthermore, it is preferable that a heat exchanger, an evaporator, and a reformer are disposed below the fuel cell stack. Thereby, the heat from the combustor is directly supplied to the fuel cell stack, and the temperature of the fuel cell stack is favorably increased. In addition, since the heat exchanger, the evaporator, and the reformer are not exposed to the heat from the combustor more than necessary, the durability and the life can be improved.
本発明によれば、モジュール部において、燃焼器が燃料電池モジュールの上方に配置されているため、前記燃焼器からの熱に前記燃料電池モジュールが必要以上に曝されることがない。従って、燃料電池モジュールは、所望の部位が昇温されるとともに、比較的低温で機能する各部位の耐久性及び寿命が良好に向上する。 According to the present invention, since the combustor is disposed above the fuel cell module in the module unit, the fuel cell module is not exposed more than necessary to the heat from the combustor. Therefore, in the fuel cell module, the temperature of a desired part is raised, and the durability and life of each part that functions at a relatively low temperature are improved.
さらに、筐体内は、燃料電池モジュール及び燃焼器が収容されるモジュール部と、燃料ガス供給装置、酸化剤ガス供給装置及び水供給装置が配置される流体供給部と、電力変換装置及び制御装置が配置される電装部とに分割されている。このため、筐体内は、作動温度毎及び機能毎に分割されており、熱や流体の拡散を最小化するとともに、機能上、最適な配置が遂行可能になる。 Further, in the casing, there are a module unit in which the fuel cell module and the combustor are accommodated, a fluid supply unit in which the fuel gas supply device, the oxidant gas supply device and the water supply device are arranged, a power conversion device and a control device. It is divided into electrical parts to be arranged. For this reason, the inside of the housing is divided for each operating temperature and for each function, so that the diffusion of heat and fluid is minimized, and an optimal arrangement for the function can be performed.
さらにまた、モジュール部の第1の側面には、流体供給部が配置されている。従って、流体供給部は、筐体の外壁部を構成しており、前記流体供給部の冷却が促進されて高温化し難くなっている。同様に、モジュール部の第2の側面には、電装部が配置されている。このため、電装部は、筐体の外壁部を構成しており、前記電装部の冷却が促進されて高温化し難くなっている。これにより、比較的低温で使用される機器、例えば、ポンプ類を含む流体供給部及び制御装置を含む電装部は、熱影響が及ぶことを可及的に阻止されるため、良好な機能を確実に維持して作動することが可能になる。 Furthermore, a fluid supply unit is disposed on the first side surface of the module unit. Therefore, the fluid supply part constitutes the outer wall part of the housing, and cooling of the fluid supply part is promoted, and it is difficult to increase the temperature. Similarly, an electrical component is disposed on the second side surface of the module unit. For this reason, the electrical equipment part constitutes the outer wall part of the housing, and cooling of the electrical equipment part is promoted and it is difficult to increase the temperature. As a result, devices that are used at a relatively low temperature, for example, a fluid supply unit including pumps and an electrical component including a control device are prevented from being affected by heat as much as possible. It is possible to operate while maintaining the above.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システム10の概略斜視説明図であり、図2は、前記燃料電池システム10の平面説明図であり、図3は、前記燃料電池システム10の正面説明図であり、図4は、前記燃料電池システム10の回路図である。
FIG. 1 is a schematic perspective view of a
燃料電池システム10は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池システム10は、燃料ガス(水素ガス)と酸化剤ガス(空気)との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール12と、前記燃料電池モジュール12を昇温させる燃焼器14と、前記燃料電池モジュール12に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置(燃料ガスポンプを含む)16と、前記燃料電池モジュール12に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置(エアポンプを含む)18と、前記燃料電池モジュール12に水を供給する水供給装置(水ポンプを含む)20と、前記燃料電池モジュール12で発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置22と、前記燃料電池モジュール12の発電量を制御する制御装置24とを備え、これらが単一の筐体26に収容される。
The
燃料電池モジュール12は、図示しないが、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される固体電解質(固体酸化物)をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体28とセパレータ30とが積層される固体酸化物形の燃料電池32を設け、複数の前記燃料電池32が鉛直方向に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック34を備える(図5参照)。
Although not shown, the
図3に示すように、燃料電池スタック34の積層方向下端側には、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック34に供給する前に加熱する熱交換器36と、炭化水素を主体とする原燃料(例えば、都市ガス)と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器38と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器40とが配設される。
As shown in FIG. 3, on the lower end side in the stacking direction of the
燃料電池スタック34の積層方向上端側には、前記燃料電池スタック34を構成する燃料電池32に積層方向(矢印A方向)に沿って締め付け荷重を付与するための荷重付与機構42が配設される(図4参照)。
At the upper end side in the stacking direction of the
改質器40は、都市ガス中に含まれるエタン(C2H6)、プロパン(C3H6)及びブタン(C4H10)等の高級炭化水素(C2+)を、主としてメタン(CH4)を含む原燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。
The
燃料電池32は、作動温度が数百℃と高温であり、電解質・電極接合体28では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素が得られ、この水素がアノード電極に供給される。
The
熱交換器36は、図5に示すように、燃料電池スタック34から排出される使用済み反応ガス(以下、排ガス又は燃焼排ガスともいう)を流すための第1排ガス通路44と、被加熱流体である空気を排ガスと対向流に流すための空気通路46とを有する。第1排ガス通路44は、蒸発器38に水を蒸発させるための熱源として排ガスを供給するための第2排ガス通路48に連通する。この第2排ガス通路48は、排気管50に連通する。空気通路46の上流側は、空気供給管52に連通するとともに、前記空気通路46の下流側は、燃料電池スタック34の酸化剤ガス供給連通孔53に連通する。
As shown in FIG. 5, the
蒸発器38は、互いに同軸上に配設される外管部材54aと内管部材54bとを備える2重管構造を採用し、この2重管は、第2排ガス通路48内に配置される。外管部材54aと内管部材54bとの間には、原燃料通路56が形成されるとともに、前記内管部材54b内には、水通路58が形成される。蒸発器38の第2排ガス通路48は、主排気管60に連通する。
The
外管部材54aには、改質器40の入口部に連結される混合燃料供給管62が接続される。改質器40の出口側には、改質ガス供給路64の一端が連結されるとともに、前記改質ガス供給路64の他端は、燃料電池スタック34の燃料ガス供給連通孔66に連通する。燃料電池モジュール12及び燃焼器14は、断熱材68に囲繞される(図3参照)。
A mixed
図4に示すように、燃料ガス供給装置16は、原燃料通路56に接続されるとともに、前記原燃料通路56の途上には、切換弁70を介して原燃料分岐通路72が設けられる。この原燃料分岐通路72は、燃焼器14に接続される。
As shown in FIG. 4, the fuel
酸化剤ガス供給装置18は、空気供給管52に接続されるとともに、前記空気供給管52の途上に設けられた切換弁74には、空気分岐通路76が接続される。この空気分岐通路76は、燃焼器14に接続される。燃焼器14は、例えば、バーナを備えており、上記のように、原燃料及び空気が供給される。なお、このバーナに代えて他の手段(電気ヒータ等)を用いることができ、その際、必要に応じて原燃料、空気、電力の供給を選択的に行うように構成すればよい。
The oxidant gas supply device 18 is connected to an
水供給装置20には、水通路58が連通する。燃料ガス供給装置16、酸化剤ガス供給装置18及び水供給装置20は、制御装置24により制御されるとともに、前記制御装置24には、燃料ガスを検知する検知器78が電気的に接続される。電力変換装置22には、例えば、商用電源80(又は、負荷や2次電池等)が接続される。
A
図1〜図3に示すように、筐体26は、全体として矩形状を有する外枠82を有する。この外枠82内には、筐体26内を矢印B方向(水平方向)に分割するための第1縦仕切り板84と、矢印C方向(矢印B方向に交差する水平方向)に分割するための第2縦仕切り板86とが、設けられる。
As shown in FIGS. 1-3, the housing | casing 26 has the
図1及び図2に示すように、平面視四角形状(多角形状)を有するモジュール部88は、一の角部を挟んで第1の側面である第1縦仕切り板84及び第2の側面である第2縦仕切り板86を有する。第1縦仕切り板84には、流体供給部90が配置される一方、第2縦仕切り板86には、電装部92が配置されることにより、前記流体供給部90及び前記電装部92は、それぞれ筐体26の外壁部を構成する。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
図1及び図3に示すように、モジュール部88には、燃料電池モジュール12及び燃焼器14が収容されるとともに、前記燃焼器14は、前記燃料電池モジュール12の上方に配置される。なお、燃料電池モジュール12及び燃焼器14は、断熱材68内に収容されている。電装部92には、電力変換装置22及び制御装置24が配置される。
As shown in FIGS. 1 and 3, the
流体供給部90は、横仕切り板94を介して第1供給部96と第2供給部98とに、上下に2分割される。第1供給部96には、燃料ガス供給装置16及び検知器78が収容されるとともに、前記検知器78は、前記燃料ガス供給装置16の上方に配置される。第2供給部98には、酸化剤ガス供給装置18及び水供給装置20が配置されるとともに、前記水供給装置20は、流体供給部90の最下部に配置される。酸化剤ガス供給装置18は、第2供給部98内で載置台100を介して保持される。
The
図1及び図2に示すように、筐体26は、平面視四角形状を有し、この筐体26の各側面を開閉自在な第1開閉扉102a、第2開閉扉102b、第3開閉扉102c及び第4開閉扉102dを備える。第1開閉扉102a〜第4開閉扉102dの一端部は、蝶番(又は、ヒンジ)104を介して、筐体26の外枠82に対し開閉自在に支持される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
第1開閉扉102aは、モジュール部88及び電装部92の一部を一体に開閉し、第2開閉扉102bは、前記モジュール部88及び流体供給部90の一部を一体に開閉する。第3開閉扉102cは、流体供給部90及び電装部92の一部を一体に開閉し、第4開閉扉102dは、前記電装部92を開閉する。
The first opening /
筐体26は、図1及び図3に示すように、回転機構110を介して鉛直軸回りに回転可能に構成される。この回転機構110は、例えば、回転テーブル等の公知の構造を採用している。
As shown in FIGS. 1 and 3, the
このように構成される燃料電池システム10の動作について、以下に説明する。
The operation of the
図4に示すように、燃料ガス供給装置16の駆動作用下に、原燃料通路56には、例えば、都市ガス(CH4、C2H6、C3H8、C4H10を含む)等の原燃料が供給される。一方、水供給装置20の駆動作用下に、水通路58には、水が供給されるとともに、空気供給管52には、酸化剤ガス供給装置18を介して酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。
As shown in FIG. 4, under the driving action of the fuel
図5に示すように、蒸発器38では、原燃料通路56を流れる原燃料に水蒸気が混在されて混合燃料が得られ、この混合燃料は、混合燃料供給管62を介して改質器40の入口部に供給される。混合燃料は、改質器40内で水蒸気改質され、C2+の炭化水素が除去(改質)されてメタンを主成分とする改質ガス(燃料ガス)が得られる。この改質ガスは、改質器40の出口部に連通する改質ガス供給路64を通って燃料電池スタック34の燃料ガス供給連通孔66に供給される。このため、改質ガス中のメタンが改質されて水素ガスが得られ、この水素ガスを主成分とする燃料ガスは、アノード電極(図示せず)に供給される。
As shown in FIG. 5, in the
一方、空気供給管52から熱交換器36に供給される空気は、この熱交換器36の空気通路46に沿って移動する際、第1排ガス通路44に沿って移動する後述する排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器36で加温された空気は、燃料電池スタック34の酸化剤ガス供給連通孔53に供給され、図示しないカソード電極に供給される。
On the other hand, when the air supplied from the
従って、電解質・電極接合体28では、燃料ガスと空気との電気化学反応により発電が行われる。各電解質・電極接合体28の外周部に排出される高温(数百℃)の排ガスは、熱交換器36の第1排ガス通路44を通って空気と熱交換を行い、この空気を所望の温度に加温して温度低下が惹起される。
Therefore, in the electrolyte /
この排ガスは、第2排ガス通路48に沿って移動することにより、水通路58を通過する水を蒸発させる。蒸発器38を通過した排ガスは、主排気管60を介して外部に排出される。
The exhaust gas moves along the second
この場合、第1の実施形態では、図1及び図3に示すように、筐体26内に水平方向に分割形成されているモジュール部88には、燃料電池モジュール12と燃焼器14とが配置されるとともに、前記燃焼器14は、前記燃料電池モジュール12の上方に配置されている。
In this case, in the first embodiment, as shown in FIG. 1 and FIG. 3, the
このため、燃焼器14が駆動されることにより発生する熱(数百℃)は、燃料電池モジュール12の所望の部位、すなわち、燃料電池スタック34に供給され、前記燃料電池スタック34が昇温される。
For this reason, heat (several hundred degrees Celsius) generated by driving the
しかも、燃料電池モジュール12の比較的低温で機能する他の部位、すなわち、熱交換器36、蒸発器38及び改質器40は、燃焼器14からの熱に必要以上に曝されることがない。熱交換器36、蒸発器38及び改質器40は、燃料電池スタック34の下方に配置されているからである。従って、特に熱交換器36、蒸発器38及び改質器40や配管類の耐久性及び寿命が良好に向上するという効果が得られる。
Moreover, other parts of the
さらに、筐体26内は、燃料電池モジュール12及び燃焼器14が収容されるモジュール部88と、燃料ガス供給装置16、酸化剤ガス供給装置18及び水供給装置20が配置される流体供給部90と、電力変換装置22及び制御装置24が配置される電装部92とに分割されている。このため、筐体26内は、作動温度毎及び機能毎に分割されており、熱や流体の拡散を最小化するとともに、機能上、最適な配置が遂行可能になる。
Further, in the
さらにまた、第1の実施形態では、モジュール部88の第1の側面(第1縦仕切り板84)には、流体供給部90が配置されている。従って、流体供給部90は、実質的に筐体26の外壁部を構成しており、前記流体供給部90の冷却が促進されて高温化し難くなっている。同様に、モジュール部88の第2の側面(第2縦仕切り板86)には、電装部92が配置されている。このため、電装部92は、実質的に筐体26の外壁部を構成しており、前記電装部92の冷却が促進されて高温化し難くなっている。
Furthermore, in the first embodiment, the
これにより、低温部(40℃前後)に維持する必要がある制御装置24を含む電装部92及びポンプ類を含む流体供給部90は、良好な機能を確実に維持して作動することが可能になるという利点がある。
As a result, the
さらにまた、第1の実施形態では、図1及び図2に示すように、筐体26を構成する各側面に対応して第1開閉扉102a、第2開閉扉102b、第3開閉扉102c及び第4開閉扉102dが設けられている。従って、例えば、モジュール部88のメンテナンスを行う際には、第1開閉扉102a及び/又は第2開閉扉102bを開放するだけでよく、前記モジュール部88内のメンテナンス作業が容易に行われる。
Furthermore, in the first embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, the first opening /
一方、電装部92内の制御装置24の保守点検等を行う際には、第4開閉扉102dのみを開放させるだけでよく、前記制御装置24の保守点検作業が迅速且つ容易に遂行される。さらに、流体供給部90のポンプ類の保守点検等を行う際には、第3開閉扉102cのみを開放させるだけでよく、前記ポンプ類の保守点検作業が迅速且つ容易に遂行される。これにより、モジュール部88、流体供給部90及び電装部92毎に応じた保守やメンテナンスが、効率的に遂行可能になるという効果がある。
On the other hand, when performing maintenance and inspection of the
その際、筐体26は、回転機構110を介して鉛直軸回りに回転可能に構成されている。このため、筐体26を回転させることにより、第1開閉扉102a、第2開閉扉102b、第3開閉扉102c又は第4開閉扉102dを、作業者が開閉し易い位置に配置させることができ、保守やメンテナンスの作業性が一層向上するという利点がある。
At that time, the
また、筐体26の内部は、第1縦仕切り板84及び第2縦仕切り板86を介してモジュール部88、流体供給部90及び電装部92に分割されている。そして、モジュール部88には、燃料電池モジュール12及び燃焼器14が配置され、流体供給部90には、検知器78、燃料ガス供給装置16、酸化剤ガス供給装置18及び水供給装置20が配置され、電装部92には、電力変換装置22及び制御装置24が配置されている。
Further, the inside of the
このため、筐体26内は、作動温度毎及び機能毎にモジュール部88、流体供給部90及び電装部92に分割されており、熱や流体の拡散を最小化し得るとともに、機能上、良好に配置することが可能になる。なお、高温部であるモジュール部88において、例えば、燃料電池モジュール12及び燃焼器14を囲繞して断熱する断熱材68を相当に肉厚に構成することにより、外部への熱影響を抑制することも考えられる。
For this reason, the inside of the
さらにまた、第1の実施形態では、水供給装置20が流体供給部90の最下部に配置されている。従って、水供給装置20に、例えば、水漏れが発生しても、燃料ガス供給装置16及び酸化剤ガス供給装置18が被水することを阻止することが可能になる。
Furthermore, in the first embodiment, the
さらに、流体供給部90では、検知器78がこの流体供給部90の最上部に配置されている。このため、燃料ガス供給装置16から燃料ガスの漏れが発生しても、検知器78を介してガス漏れを迅速且つ確実に検出することが可能になる。
Further, in the
また、流体供給部90では、酸化剤ガス供給装置18の上方に燃料ガス供給装置16が配置されている。酸化剤ガス供給装置18は、エアポンプを備える一方、燃料ガス供給装置16は、燃料ガスポンプを備えている。特に、A/Fの値が大きい燃料電池システム10においては、エアポンプは、燃料ガスポンプに比べて体積が大きく、且つ、重量物となっている。
In the
従って、酸化剤ガス供給装置18を燃料ガス供給装置16の下方に配置することにより、設置安定性の向上を図ることができる。しかも、燃料ガス供給装置16から燃料ガスの漏れが発生しても、この燃料ガスを酸化剤ガス供給装置18により吸入することを回避することが可能になる。
Therefore, the installation stability can be improved by disposing the oxidant gas supply device 18 below the fuel
ここで、流体供給部90は、横仕切り板94を介して検知器78及び燃料ガス供給装置16が配置される第1供給部96と、酸化剤ガス供給装置18及び水供給装置20が配置される第2供給部98とに分割されている。これにより、特に、燃料ガス供給装置16から燃料ガスの漏れが発生しても、この燃料ガスを酸化剤ガス供給装置18が吸入することを確実に阻止することができる。
Here, the
さらにまた、燃料電池モジュール12では、高温型燃料電池システム、例えば、固体酸化物形燃料電池(SOFC)モジュールにより構成されることにより、良好な効果が得られるが、固体酸化物形燃料電池モジュールに代えて、他の高温型燃料電池モジュールや中温型燃料電池モジュールにも好適に用いることができる。例えば、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、リン酸形燃料電池(PAFC)及び水素分離膜形燃料電池(HMFC)等が良好に採用可能である。
Furthermore, the
また、第1の実施形態では、燃料電池スタック34の下部側に、熱交換器36、蒸発器38及び改質器40が配置される一方、前記燃料電池スタック34の上部に、燃焼器14が配置されている。このため、燃焼器14からの熱は、燃料電池スタック34に供給され、前記燃料電池スタック34が昇温される。しかも、熱交換器36、蒸発器38及び改質器40は、燃焼器14からの熱に必要以上に曝されることがないので、耐久性及び寿命の向上が図られる。
In the first embodiment, the
図6は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システム120の平面説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池システム10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第3及び第4の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
FIG. 6 is an explanatory plan view of a
燃料電池システム120を構成する筐体122は、平面視四角形状を有する。この筐体122は、モジュール部88の他の側面のみを開閉自在な第1モジュール部開閉扉124aと、前記モジュール部88の別の側面のみを開閉自在な第2モジュール部開閉扉124bと、流体供給部90のみを開閉自在な流体供給部開閉扉126と、電装部92のみを開閉自在な電装部開閉扉128とを有する。これにより、第2の実施形態では、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
The
また、このように構成される第2の実施形態では、例えば、モジュール部88の保守点検を行う際には、第1モジュール部開閉扉124a及び/又は第2モジュール部開閉扉124bを開放させることにより、前記モジュール部88のみが外部に開放される。これにより、特に、燃料電池システム120の運転停止直後にモジュール部88の保守点検等を行う際、このモジュール部88内の高温流体が電装部92や流体供給部90に拡散することがない。
Further, in the second embodiment configured as described above, for example, when performing maintenance and inspection of the
さらにまた、流体供給部90のメンテナンス等を行う際には、流体供給部開閉扉126を開放することにより、この流体供給部90のみが外部に開放される。従って、流体供給部90と電装部92との間では、熱の移動や流体の拡散を惹起することがない。このため、モジュール部88、流体供給部90及び電装部92を、個別に保守及びメンテナンスすることができるとともに、熱の移動や流体の拡散を可及的に阻止することが可能になるという効果が得られる。
Furthermore, when performing maintenance or the like of the
図7は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池システム130の平面説明図である。
FIG. 7 is an explanatory plan view of a
燃料電池システム130は、筐体132を備え、この筐体132は、平面視四角形状を有するとともに、第1縦仕切り板134及び第2縦仕切り板136を介してモジュール部88、流体供給部90及び電装部92に分割される。第1縦仕切り板134は、第2縦仕切り板136よりも長尺に構成されることにより、流体供給部90は、電装部92よりも大きな容積に設定される。
The
筐体132の各側面に対応して、第1開閉扉138a、第2開閉扉138b、第3開閉扉138c及び第4開閉扉138dが設けられる。第1開閉扉138aは、モジュール部88と電装部92の一部を一体に開閉し、第2開閉扉138bは、前記モジュール部88と流体供給部90の一部を一体に開閉する。第3開閉扉138cは、流体供給部90を一体に開閉し、第4開閉扉138dは、前記流体供給部90の一部及び電装部92を開閉する。これにより、第3の実施形態では、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
A first opening /
図8は、本発明の第4の実施形態に係る燃料電池システム150の平面説明図である。なお、第3の実施形態に係る燃料電池システム130と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
FIG. 8 is an explanatory plan view of a
燃料電池システム150は、筐体152を備え、この筐体152は、モジュール部88のみを開閉する第1モジュール部開閉扉154a及び第2モジュール部開閉扉154bと、流体供給部90のみを開閉する流体供給部開閉扉156と、電装部92のみを開閉する電装部開閉扉158とを設ける。従って、この第4の実施形態では、上記の第2の実施形態と同様の効果が得られる。
The
10、120、130、150…燃料電池システム
12…燃料電池モジュール 14…燃焼器
16…燃料ガス供給装置 18…酸化剤ガス供給装置
20…水供給装置 22…電力変換装置
24…制御装置 26、122、132、152…筐体
28…電解質・電極接合体 30…セパレータ
32…燃料電池 34…燃料電池スタック
36…熱交換器 38…蒸発器
40…改質器 78…検知器
80…商用電源 82…外枠
84、86、134、136…縦仕切り板
88…モジュール部 90…流体供給部
92…電装部 94…横仕切り板
96、98…供給部
102a〜102d、138a〜138d…開閉扉
110…回転機構
124a、124b、154a、154b…モジュール部開閉扉
126、156…流体供給部開閉扉 128、158…電装部開閉扉
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記燃料電池モジュールを昇温させる燃焼器と、
前記燃料電池モジュールに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
前記燃料電池モジュールに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池モジュールに水を供給する水供給装置と、
前記燃料電池モジュールで発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置と、
前記燃料電池モジュールの発電量を制御する制御装置と、
を筐体に収容する燃料電池システムであって、
前記筐体は、前記燃料電池モジュール及び前記燃焼器が収容され、且つ前記燃焼器が前記燃料電池モジュールの上方に配置されるモジュール部と、
前記燃料ガス供給装置、前記酸化剤ガス供給装置及び前記水供給装置が配置される流体供給部と、
前記電力変換装置及び前記制御装置が配置される電装部と、
に分割されるとともに、
前記筐体内には、鉛直方向に配置される縦仕切り板により、平面視で3つの空間が形成され、前記3つの空間は、互いに分割される前記モジュール部、前記流体供給部及び前記電装部を構成し、
平面視多角形状を有する前記モジュール部は、一の角部を挟んで第1の側面及び第2の側面を有し、前記モジュール部の前記第1の側面を構成する前記縦仕切り板に前記流体供給部が配置され、且つ前記モジュール部の前記第2の側面を構成する前記縦仕切り板に前記電装部が配置されることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell module that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas;
A combustor for heating the fuel cell module;
A fuel gas supply device for supplying the fuel gas to the fuel cell module;
An oxidant gas supply device for supplying the oxidant gas to the fuel cell module;
A water supply device for supplying water to the fuel cell module;
A power converter for converting direct current power generated in the fuel cell module into required specification power;
A control device for controlling the power generation amount of the fuel cell module;
A fuel cell system for housing
The housing includes a module unit in which the fuel cell module and the combustor are accommodated, and the combustor is disposed above the fuel cell module;
A fluid supply unit in which the fuel gas supply device, the oxidant gas supply device, and the water supply device are disposed;
An electrical component in which the power conversion device and the control device are disposed;
Is divided into
In the housing, three spaces are formed in a plan view by vertical partition plates arranged in the vertical direction, and the three spaces include the module portion, the fluid supply portion, and the electrical component portion that are divided from each other. Configure
The module portion having a polygonal shape in plan view has a first side surface and a second side surface across one corner portion, and the fluid is disposed on the vertical partition plate constituting the first side surface of the module portion. A fuel cell system, characterized in that a supply section is disposed and the electrical section is disposed on the vertical partition plate constituting the second side surface of the module section.
前記検知器は、前記流体供給部の最上部に配置されることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the fluid supply unit includes a detector that detects the fuel gas,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the detector is disposed at an uppermost part of the fluid supply unit.
前記酸化剤ガス供給装置及び前記水供給装置が配置される第2供給部と、
に分割されることを特徴とする燃料電池システム。 In claim 4 Symbol mounting of the fuel cell system, the fluid supply unit includes a first feed unit for the detectors and the fuel gas supply device is arranged,
A second supply unit in which the oxidant gas supply device and the water supply device are disposed;
A fuel cell system that is divided into two parts.
酸化剤ガスを前記固体酸化物形燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、
炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器と、
前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 9. The fuel cell system according to claim 8, wherein the solid oxide fuel cell module comprises a solid oxide in which at least a solid electrolyte is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode and a separator is laminated. A solid oxide fuel cell stack in which a solid fuel cell is provided and a plurality of the solid oxide fuel cells are stacked;
A heat exchanger that heats oxidant gas before supplying it to the solid oxide fuel cell stack;
An evaporator for evaporating water in order to produce a mixed fuel of raw fuel mainly composed of hydrocarbon and water vapor;
A reformer for reforming the mixed fuel to generate a reformed gas;
A fuel cell system comprising:
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