JP5109253B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
また、高さ方向に延びる燃料熱交換器の下端部より導入された燃料ガスが上方に流通する過程で燃料電池スタックの輻射熱により昇温され、高温の燃料ガスとなって上記燃料改質器のガス入口に供給されるため、燃料改質器において安定した改質反応が行われる。
尚、上述した燃料ガスマニホールド13と空気マニホールド14は、何れも各燃料電池スタック3の内部に形成されており、スタック内において、燃料マニホールド13は、後述する燃料バッファタンク45の燃料分配管28に接続され、空気マニホールド14は後述する空気バッファタンク55の空気分配管29に接続されている。
尚、図2に示すように、発電反応室21の上部と下部の中央には、各燃料電池スタック3より発電反応室21内に放出された高温の排ガスを外部に排出するための排気管19a、19bが設けられている。
そして、側部燃料熱交換器40と側部空気熱交換器50は、燃料電池スタック3の周囲において燃料改質器30の各翼部30a〜30dに対向するようにそれぞれ4基配置され、且つ、平面視、縦2列の燃料電池スタック3、および平面視、横2列の燃料電池スタック3を挟んで、側部燃料熱交換器40と側部空気熱交換器50が対向するように、それぞれが燃料電池スタック3の周方向に交互に配置されている。
上部空気熱交換器51は、上述した側部空気熱交換器50の下流側熱交換器であり、その入口が配管35により側部空気熱交換器50の上端部に接続されると共に、出口が配管36により上述した空気バッファタンク55の上端部に接続されている。
燃料バッファタンク45からの燃料分配管28は各々燃料電池スタック3の上端部と下端部に接続され、空気バッファタンク55からの空気分配管29は、上側2段の燃料電池スタック3においてはスタック下端部に接続され、下側2段の燃料電池スタック3においてはスタック上端部に接続されている。
これは、下方に位置する燃料電池スタック3の昇温速度を向上し、起動時間を短縮するためであり、スタックが予熱バーナ24の輻射熱を直接的に効率良く受熱できるよう、側部燃料熱交換器40および側部空気熱交換器50は、その下端が予熱バーナ24よりも上方に位置する長さに形成されており、これにより、バーナ前面にこれら熱交換器40、50が位置しないようにしている。
本実施形態では、これらバーナ24の側面と背面に冷却ジャケット(図示せず)を設けると共に、空気供給管16によりジャケット内部に外部空気を導入してバーナ本体を冷却することにより、バーナ本体が過度の高温に加熱されるのを防止している。この冷却ジャケットからの冷却空気(温空気)は温空気配管25を介して上述した側部空気熱交換器50に導入されるようになっている。
この水蒸気発生器60は、燃料改質用の高温水蒸気を得るための熱交換器であって、水蒸気の発生には高温よりも寧ろ多量の熱量を必要とすることから、発電反応室21から離隔し、且つ、上述した熱交換器40、50より外側の低温部位となる下部排気管19b内に配設されている。
尚、本実施形態では、発電反応室21内から外部に排出される排ガスを熱源として効率良く利用できるように、下部排気管19bの口径を上部排気管19aより大きくして下部排気管19bより多量の排ガスが排出されるようになっている。
混合ガスは、これら側部燃料熱交換器40内を上方に流通する過程で対向する燃料電池スタック3からの輻射熱を受熱して昇温されると共に、より雰囲気温度が高いスタック上部に誘導され、上部燃料熱交換器41において、さらに昇温されて高温の混合ガスとなる。
導入ガスは各翼部30a〜30d内を下方に流通する過程で改質触媒による改質反応が行われる。この改質反応は吸熱反応であって、改質反応に必要な熱は、燃料電池スタック3からの輻射熱を回収して得られる。改質反応による吸熱量は温度の高い改質器上部において多く、改質器下方に向かって減少するため、この吸熱量の変化により、燃料電池スタック3の高さ方向の熱的バランスを均一化することができる。
ここで、燃料バッファタンク45内の燃料ガスは、図4に示すように、それぞれ各燃料電池スタック3の上端部および下端部から供給される。このように、燃料ガスをスタック上下(スタック両端)より供給することで、ガス流通過程での圧損差を緩和し、各発電セル7へ等分配された燃料ガスを安定的に供給することができる。これにより、各発電セルの発電性能を均一にし、発電効率を向上できる。
冷却空気は、各側部空気熱交換器50内を上方に流通する過程でそれぞれ対向する燃料電池スタック3からの輻射熱を効率良く受熱して昇温されると共に、スタック上部において、上部空気熱交換器51にてさらに昇温された後、配管を介して空気バッファタンク55に導入・貯留され、そこから、各燃料電池スタック3(詳しくは、空気マニホールド14)に分配される。
ここで、空気バッファタンク55内の空気は、図4に示すように、温度の高い燃料電池モジュール1の中央部より供給(上側2段のスタックは下端部から、下側2段のスタックは上端部から供給する)され、そこから上下方向に流通する過程で昇温された空気が比較的温度の低いスタック両端側を昇温する。これにより、スタックの高さ方向の温度を均一化できる。
この予熱空気と外部空気との供給割合でスタック温度をコントロールすることも可能である。
3 燃料電池スタック
7 発電セル
10 セパレータ
15 燃料ガス供給管
18 架台
21 発電反応室
24 予熱バーナ
29 空気分配管
30 燃料改質器
32 排出管
34 導入管
40 燃料熱交換器
50 空気熱交換器
Claims (5)
- 複数の発電セルとセパレータを交互に積層し、架台に固定して燃料電池スタックを構成し、発電反応室に収容すると共に、運転時、前記燃料電池スタックに改質された燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して発電反応を生じさせる燃料電池において、
前記燃料電池スタックは、前記発電反応室の中央付近において少なくとも高さ方向に複数積層されると共に、これら燃料電池スタックに近接して高さ方向に燃料改質器が配置され、当該燃料改質器の上端部に未改質燃料ガスの導入管が接続され、下端部に改質された燃料ガスの排出管が接続され、
前記発電反応室には、高さ方向に延びる燃料熱交換器が設けられ、当該燃料熱交換器の下端部に外部からの未改質燃料ガスが導入される燃料ガス供給管が接続されると共に、上端部に前記未改質燃料ガスの導入管が接続されることを特徴とする燃料電池。 - 前記燃料改質器は、最上段の燃料電池スタックから最下段の燃料電池スタックに至るまで近接して配置されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
- 各燃料電池スタックには、燃料電池スタック内に酸化剤ガスを供給するための空気分配管が接続されており、且つ、高さ方向中央より上側の燃料電池スタックにおいては、前記空気分配管が燃料電池スタック下端部に接続されると共に、下側の燃料電池スタックにおいては、前記空気分配管が燃料電池スタック上端部に接続されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池。
- 前記発電反応室の最下段の燃料電池スタックに対向する部位に、予熱バーナが配設されていることを特徴とする請求項1から請求項3までの何れかに記載の燃料電池。
- 前記燃料電池は、発電反応に使用されなかった残余のガスを発電セルの外周部より放出するシールレス構造の固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする請求項1から請求項4までの何れかに記載の燃料電池。
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