JP5334776B2 - Cell stack device, fuel cell module and fuel cell device using the same - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質器と燃料電池セルに燃料ガスを供給するためのマニホールドとを具備するセルスタック装置およびこれを用いた燃料電池モジュールならびに燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a cell stack device including a reformer for generating fuel gas to be supplied to a fuel battery cell and a manifold for supplying fuel gas to the fuel battery cell, and a fuel cell module and fuel using the same. The present invention relates to a battery device.
近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス(水素含有ガス)と空気(酸素含有ガス)とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数個配列してなるセルスタックと、該セルスタックに供給する燃料ガスを生成するための改質器とを備えるセルスタック装置や、該セルスタック装置を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールが種々提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 In recent years, as a next generation energy, a fuel cell (hydrogen-containing gas) and air (oxygen-containing gas) are used, and a cell stack in which a plurality of fuel cells that can obtain electric power are arranged and supplied to the cell stack Various cell stack devices including a reformer for generating fuel gas to be produced and fuel cell modules in which the cell stack devices are housed in a housing container have been proposed (for example, see Patent Document 1). .
ところで、燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するにあたっては、例えば、天然ガス等の炭化水素系ガスと水蒸気とを反応させて燃料ガスを生成する水蒸気改質法等が知られており、そのような改質反応を行うための改質器も種々提案されている。 By the way, in generating the fuel gas to be supplied to the fuel cell, for example, a steam reforming method for generating a fuel gas by reacting a hydrocarbon-based gas such as natural gas with water vapor is known. Various reformers for performing such reforming reactions have also been proposed.
図10は従来の燃料電池モジュール70を示す外観斜視図であり、収納容器71よりセルスタック装置80を後方に引出した状態を示している。
FIG. 10 is an external perspective view showing a conventional
セルスタック装置80は、複数の燃料電池セル72を配列してなるセルスタック73を有しており、セルスタック73の上方にはUの字状の改質器75が配置されている。改質器75は、気化部78と改質触媒を備える改質部79とを具備し、原燃料供給管77より供給された原燃料は、気化部78を通り、改質部79内にて水蒸気改質等の改質反応により燃料ガス(水素含有ガス)に改質される。そして、気化部78と改質部79を具備する改質器75にて生成された燃料ガスは、燃料ガス供給管76を介してマニホールド74に供給され、マニホールド74から各燃料電池セル72に燃料ガスが供給されるようになっている。
The
しかしながら、上述の燃料電池モジュール70においては、改質器75により生成された燃料ガスが、マニホールド74の一端部とだけ接続された燃料ガス供給管76によりマニホールド74内に供給されることから、燃料ガス供給管76より遠い位置に配置された燃料電池セル72に十分な量の燃料ガスを供給することができず、セルスタック装置80の発電効率が低下するおそれがあった。
However, in the above-described
それゆえ、本発明においては、セルスタックを構成する各燃料電池セルに効率よく燃料ガスを供給することができるセルスタック装置およびこれを用いた燃料電池モジュールならびに燃料電池装置を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a cell stack device capable of efficiently supplying fuel gas to each fuel cell constituting the cell stack, a fuel cell module using the cell stack device, and a fuel cell device.
すなわち、本発明のセルスタック装置は、内部に燃料ガス流路を有し、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電する柱状の燃料電池セルを、複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなり、前記燃料電池セルの一端部側で発電に使用されなかった前記燃料ガスを燃焼させる構成のセルスタックと、前記燃料電池セルの他端部を固定するとともに、前記燃料電池セルの配列方向に沿った両端部に燃料ガス流入口を備え、前記燃料電池セルに前記燃料ガスを供給するためのマニホールドと、前記燃料電池セルの一端部側と離間して配置されており、外部より供給される原燃料に熱を与えて温度の上昇した原燃料ガスを生成するための原燃料ガス昇温部および該原燃料ガス昇温部から送られる前記原燃料ガスを前記燃料ガスに改質するための改質触媒を備える改質部を有する改質器と、前記燃料電池セルの一端部側と離間して配置されており、前記燃料電池セルの配列方向に沿った両端部に燃料ガス流出口を備え、前記燃料電池セルの配列方向に沿った中央部に前記改質器で改質された前記燃料ガスが供給される燃料ガス供給口を備える燃料ガス分岐流路と、該燃料ガス分岐流路の前記両端部に設けられた前記燃料ガス流出口と、前記マニホールドの前記両端部に設けられた前記燃料ガス流入口とをそれぞれ接続する燃料ガス供給管と、を備えることを特徴とする。 That is, the cell stack device of the present invention has an internal fuel gas flow path, and is electrically arranged by arranging a plurality of columnar fuel cells that generate electricity with the fuel gas and the oxygen-containing gas in a standing manner. A cell stack configured to burn the fuel gas that is not used for power generation on one end side of the fuel cell, and to fix the other end of the fuel cell, and to the fuel cell The fuel gas inflow ports are provided at both ends along the arrangement direction of the fuel cell, the manifold for supplying the fuel gas to the fuel cell, and the one end side of the fuel cell are spaced apart from each other, The raw fuel gas temperature raising unit for applying heat to the supplied raw fuel to generate a raw fuel gas having a raised temperature, and the raw fuel gas sent from the raw fuel gas temperature raising unit are changed to the fuel gas. To improve quality A reformer having a reforming section comprising a medium, and disposed at a distance from one end side of the fuel cell, and provided with a fuel gas outlet at both ends along the arrangement direction of the fuel cell, A fuel gas branch passage having a fuel gas supply port to which the fuel gas reformed by the reformer is supplied at a central portion along the arrangement direction of the fuel cells, and the fuel gas branch passage And a fuel gas supply pipe connecting the fuel gas outlets provided at both ends and the fuel gas inlets provided at both ends of the manifold, respectively.
このようなセルスタック装置においては、燃料ガス分岐流路によって、改質器で生成された燃料ガスを分岐してマニホールドの両端部から燃料ガスを供給することができる。そのため、セルスタックを構成する各燃料電池セルに十分な量の燃料ガスを供給することができる。また、改質器で改質された燃料ガスは、燃料ガス分岐流路のうち燃料電池セルの配列方向に沿った中央部に設けられた燃料ガス供給口より供給されるため、マニホールドの両端部へ供給する燃料ガスの量を均一に近づけることができる。そのため、発電効率の向上したセルスタック装置とすることができる。 In such a cell stack device, the fuel gas generated by the reformer can be branched by the fuel gas branch flow path, and the fuel gas can be supplied from both ends of the manifold. Therefore, a sufficient amount of fuel gas can be supplied to each fuel cell constituting the cell stack. In addition, since the fuel gas reformed by the reformer is supplied from the fuel gas supply port provided at the center of the fuel gas branching channel along the arrangement direction of the fuel cells, both ends of the manifold The amount of fuel gas supplied to can be made close to uniform. Therefore, a cell stack device with improved power generation efficiency can be obtained.
また、本発明のセルスタック装置において、前記改質器は、前記燃料電池セルの配列方向に沿った中央部に配置された前記原燃料ガス昇温部と、該原燃料ガス昇温部の前記燃料電池セルの配列方向に沿った両側に配置された前記改質触媒を備える第1改質部と、前記セルスタックの上方に配置され、前記各第1改質部に接続された燃料ガス混合部とを備えるとともに、該燃料ガス混合部が前記燃料ガス分岐流路の前記燃料ガス供給口と接続されていることが好ましい。 Further, in the cell stack device of the present invention, the reformer includes the raw fuel gas temperature raising portion disposed in a central portion along the arrangement direction of the fuel cells, and the raw fuel gas temperature raising portion. A first reforming unit including the reforming catalyst disposed on both sides along the arrangement direction of the fuel cells, and a fuel gas mixture disposed above the cell stack and connected to the first reforming unit. It is preferable that the fuel gas mixing part is connected to the fuel gas supply port of the fuel gas branch flow path.
このようなセルスタック装置においては、改質器が、燃料電池セルの配列方向に沿った中央部に配置された原燃料ガス昇温部と、原燃料ガス昇温部の両側に配置された改質触媒を備える第1改質部と、燃料電池セルの配列方向に沿って設けられ、各第1改質部に接続された燃料ガス混合部とを備えることから、均質な燃料ガスを効率よく生成することができる。また、原燃料ガス昇温部の両側に第1改質部を配置した場合、各第1改質部を流れる原燃料ガスの量が異なるおそれがあり、この場合に、各第1改質部で生成される燃料ガスの量やガス濃度が異なるおそれがあるが、燃料電池セルの配列方向に沿って設けられ、各第1改質部と接続された燃料ガス混合部をさらに備えることから、一方の第1改質部にて生成された燃料ガスと他方の第1改質部にて生成された燃料ガスとを混合することができるため、燃料ガス分岐流路へ供給する燃料ガスの量やガス濃度が異なることを防ぐことができる。そのため、燃料ガス分岐流路の両端部からマニホールドの両端部へ供給される燃料ガスの量やガス濃度を均一に近づけることができ、セルスタック装置の発電効率を向上させることができる。 In such a cell stack apparatus, the reformer is provided with a raw fuel gas temperature raising portion arranged at the center along the arrangement direction of the fuel cells, and a reformer arranged on both sides of the raw fuel gas temperature raising portion. Since the first reforming section including the catalyst and the fuel gas mixing section provided along the arrangement direction of the fuel cells and connected to each first reforming section are provided, the homogeneous fuel gas is efficiently obtained. Can be generated. In addition, when the first reforming units are disposed on both sides of the raw fuel gas temperature raising unit, the amount of the raw fuel gas flowing through each first reforming unit may be different. In this case, each first reforming unit may be different. There is a possibility that the amount and gas concentration of the fuel gas generated in the above will differ, but further provided with a fuel gas mixing part provided along the arrangement direction of the fuel cells and connected to each first reforming part, Since the fuel gas generated in one of the first reforming sections and the fuel gas generated in the other first reforming section can be mixed, the amount of fuel gas supplied to the fuel gas branch flow path And different gas concentrations can be prevented. Therefore, the amount and gas concentration of the fuel gas supplied from the both ends of the fuel gas branch flow path to the both ends of the manifold can be made uniform, and the power generation efficiency of the cell stack device can be improved.
さらに、本発明のセルスタック装置において、前記燃料ガス混合部にも前記改質触媒が備えられていることが好ましい。 Furthermore, in the cell stack device of the present invention, it is preferable that the fuel gas mixing section is also provided with the reforming catalyst.
このようなセルスタック装置においては、燃料ガス混合部にも改質触媒が備えられていることから、改質触媒の量を増加させることができ、改質効率を向上させることができることから、セルスタック装置の発電効率を向上させることができる。 In such a cell stack apparatus, since the reforming catalyst is also provided in the fuel gas mixing section, the amount of the reforming catalyst can be increased and the reforming efficiency can be improved. The power generation efficiency of the stack device can be improved.
さらにまた、本発明のセルスタック装置において、前記燃料ガス混合部が前記第1改質部および前記原燃料ガス昇温部の下方に接して配置されており、前記燃料ガス分岐流路が前記燃料ガス混合部の下方に接して配置されていることが好ましい。 Furthermore, in the cell stack device of the present invention, the fuel gas mixing unit is disposed below and in contact with the first reforming unit and the raw fuel gas temperature raising unit, and the fuel gas branch flow path is the fuel. It is preferable that the gas mixing part is disposed in contact with the lower part.
このようなセルスタック装置においては、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることにより生じた燃焼熱を利用して、燃料ガス分岐流路内を流れる燃料ガスを効率的に温めることができる。そのため、温度が上昇した燃料ガスを燃料電池セルに供給できることから、発電効率の向上したセルスタック装置とすることができる。 In such a cell stack device, it is possible to efficiently warm the fuel gas flowing in the fuel gas branch flow path by utilizing the combustion heat generated by burning the fuel gas that has not been used for power generation. Therefore, since the fuel gas whose temperature has increased can be supplied to the fuel cell, a cell stack device with improved power generation efficiency can be obtained.
さらにまた、本発明のセルスタック装置は、前記燃料ガス混合部が前記第1改質部および前記原燃料ガス昇温部の下方に接して配置されており、前記燃料ガス分岐流路が前記燃料ガス混合部の下方に離間して配置されていることが好ましい。 Furthermore, in the cell stack device of the present invention, the fuel gas mixing section is disposed below the first reforming section and the raw fuel gas temperature raising section, and the fuel gas branch flow path is the fuel. It is preferable that the gas mixing part is disposed below the gas mixing part.
このようなセルスタック装置においては、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることにより生じた燃焼熱を利用して、燃料ガス分岐流路内を流れる燃料ガスを効率的に温めることができるとともに、燃焼熱と接する燃料ガス分岐流路および燃料ガス混合部の表面積を増加させることができ、より効率的に原燃料ガスや燃料ガスを温めることができる。それにより、発電効率の向上したセルスタック装置とすることができる。 In such a cell stack device, it is possible to efficiently heat the fuel gas flowing in the fuel gas branch flow path by utilizing the combustion heat generated by burning the fuel gas that has not been used for power generation. In addition, the surface area of the fuel gas branch passage and the fuel gas mixing portion in contact with the combustion heat can be increased, and the raw fuel gas and the fuel gas can be warmed more efficiently. Thereby, a cell stack device with improved power generation efficiency can be obtained.
さらにまた、本発明のセルスタック装置は、前記燃料ガス混合部が前記第1改質部および前記原燃料ガス昇温部の上方に接して配置されており、前記燃料ガス分岐流路が前記燃料ガス混合部の上方に接して配置されていることが好ましい。 Furthermore, in the cell stack device of the present invention, the fuel gas mixing section is disposed in contact with the first reforming section and the raw fuel gas temperature raising section, and the fuel gas branch flow path is the fuel. It is preferable that the gas mixing part is disposed in contact with the upper part.
このようなセルスタック装置においては、燃焼熱により第1改質部および原燃料ガス昇温部を温めることができ、原燃料を効率的に温めて原燃料ガスを生成することができるとともに、原燃料ガスを効率的に燃料ガスへ改質することができ、発電効率の向上したセルスタック装置とすることができる。 In such a cell stack device, the first reforming section and the raw fuel gas temperature raising section can be warmed by the combustion heat, the raw fuel can be efficiently heated to generate the raw fuel gas, and the raw fuel gas can be generated. The fuel gas can be efficiently reformed into the fuel gas, and a cell stack device with improved power generation efficiency can be obtained.
さらにまた、本発明のセルスタック装置は、前記燃料ガス混合部が前記第1改質部および前記原燃料ガス昇温部の上方に接して配置されており、前記燃料ガス分岐流路が前記燃料ガス混合部の上方に離間して配置されていることが好ましい。 Furthermore, in the cell stack device of the present invention, the fuel gas mixing section is disposed in contact with the first reforming section and the raw fuel gas temperature raising section, and the fuel gas branch flow path is the fuel. It is preferable that the gas mixing unit is spaced apart from the gas mixing unit.
このようなセルスタック装置においては、燃料ガス分岐流路および燃料ガス混合部の表面積を増加させることができ、より効率的に燃料ガスを温めることができる。それにより、発電効率の向上したセルスタック装置とすることができる。 In such a cell stack device, the surface area of the fuel gas branch channel and the fuel gas mixing part can be increased, and the fuel gas can be warmed more efficiently. Thereby, a cell stack device with improved power generation efficiency can be obtained.
本発明の燃料電池モジュールは、上記のセルスタック装置を収納容器内に収納してなることから、発電効率の向上した燃料電池モジュールとすることができる。 Since the fuel cell module of the present invention is formed by housing the cell stack device in a storage container, it can be a fuel cell module with improved power generation efficiency.
本発明の燃料電池装置は、上記の燃料電池モジュールと、セルスタック装置を作動させるための補機とを、外装ケース内に収納してなることから、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。 The fuel cell device of the present invention is a fuel cell device with improved power generation efficiency because the fuel cell module and the auxiliary machine for operating the cell stack device are housed in an outer case. Can do.
本発明のセルスタック装置によれば、燃料ガス分岐流路によって改質器で改質された燃料ガスを分岐してマニホールドの両端部より燃料ガスを供給することができ、セルスタックを構成する各燃料電池セルに十分な量の燃料ガスを供給することができる。また、改質器で改質された燃料ガスは、燃料ガス分岐流路のうち燃料電池セルの配列方向に沿った中央部に設けられた燃料ガス供給口より供給されるため、マニホールドの両端部へ供給する燃料ガスの量やガス濃度を均一化することができる。そのため、発電効率の向上したセルスタック装置とすることができる。
また、本発明の燃料電池モジュールは、発電効率の向上したセルスタック装置を収納容器内に収納してなることから、発電効率の向上した燃料電池モジュールとすることができる。さらに、本発明の燃料電池装置は、発電効率の向上した燃料電池モジュールと、前記セルスタック装置を作動させるための補機とを、外装ケース内に収納してなることから、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。
According to the cell stack device of the present invention, the fuel gas reformed by the reformer can be branched by the fuel gas branch flow path, and the fuel gas can be supplied from both ends of the manifold. A sufficient amount of fuel gas can be supplied to the fuel battery cell. In addition, since the fuel gas reformed by the reformer is supplied from the fuel gas supply port provided at the center of the fuel gas branching channel along the arrangement direction of the fuel cells, both ends of the manifold The amount of fuel gas supplied to the gas and the gas concentration can be made uniform. Therefore, a cell stack device with improved power generation efficiency can be obtained.
Moreover, the fuel cell module of the present invention can be a fuel cell module with improved power generation efficiency because the cell stack device with improved power generation efficiency is housed in the storage container. Furthermore, the fuel cell device according to the present invention has the power generation efficiency improved because the fuel cell module with improved power generation efficiency and the auxiliary machine for operating the cell stack device are housed in the outer case. A fuel cell device can be obtained.
図1は、本発明のセルスタック装置の一例を示す外観斜視図である。図2は、図1に示すセルスタック装置1を構成する改質器6、原燃料供給管7、燃料ガス分岐流路10および燃料ガス供給管8の一部を抜粋して示す断面図である。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。
FIG. 1 is an external perspective view showing an example of the cell stack device of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a part of the
図1に示すセルスタック装置1は、内部に燃料ガス流路(図示せず)を有する燃料電池セル2を複数個立設させた状態で、燃料電池セル2間に集電部材(図示せず)を介して電気的に直列に接続してなるセルスタック3を、セルスタック3を構成する燃料電池セル2の他端部を燃料電池セル2に燃料ガスを供給するマニホールド4に絶縁性の接着材により固定し、燃料電池セル2の一端部側に、燃料電池セル2と離間して改質器6を配置するとともに、改質器6の下面に接するように配置された燃料ガス分岐流路10が設けられている。燃料ガス分岐流路10は、燃料電池セル2の配列方向(以下、セル配列方向と略す場合がある。)に沿った両端部に燃料ガス流出口11を有している。また、マニホールド4のセル配列方向に沿った両端部には、内部に燃料ガスが流入するための燃料ガス流入口18が設けられており、燃料ガス分岐流路10に設けられたそれぞれの燃料ガス流出口11とマニホールド4に設けられたそれぞれの燃料ガス流入口18とが、燃料ガス供給管8により接続されている。
A
なお、ここでいうマニホールド4のセル配列方向に沿った端部とは、セルスタック3の端部からマニホールド4の端部までの空間およびマニホールド4の側面のうちセル配列方向と直交する側面を意味し、燃料ガス分岐流路10のセル配列方向に沿った端部とは、燃料ガス分岐流路10のセル配列方向に沿った端部の底面および燃料ガス分岐流路10の側面のうちセル配列方向と直交する側面を意味する。また、セルスタック3の両端部には、燃料電池セル2の発電により生じた電流を収集して外部に引き出すための、電流引き出し部9を有する導電部材5が配置されている。
In addition, the edge part along the cell arrangement direction of the
ここで、燃料電池セル2としては、内部を燃料ガス(水素含有ガス)が燃料電池セル2の長手方向における一端部から他端部に流れる燃料ガス流路を有する中空平板状で、支持体の表面に、燃料側電極層、固体電解質層および酸素側電極層を順に設けてなる固体酸化物形の燃料電池セル2を例示している。
Here, the
また、セルスタック装置1は、燃料電池セル2の一端部側において、燃料電池セル2の発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させる構成とされている。それにより、後述する改質器6や燃料ガス分岐流路10の温度を効率よく上昇させることができる。
Further, the
図2において、セルスタック3の一端部側と離間して配置される改質器6は、箱状の形状をしており、外部より供給される原燃料に熱を与えて温度の上昇した原燃料ガスとするための原燃料ガス昇温部12と、原燃料ガス昇温部12の両側に配置され内部に原燃料ガスを燃料ガスに改質するための改質触媒14を備える第1改質部13と、第1改質部13を流れた燃料ガスを、後述する燃料ガス分岐流路10のセル配列方向に沿った中央部の上面に設けられた燃料ガス供給口16に向けて流すとともに、改質触媒14を備える第2改質部を有する燃料ガス混合部15とを備えている。なお、燃料ガス混合部15の改質触媒を備える部位が第2改質部となっている。
In FIG. 2, the
なお、図2に示す改質器6において、一方の改質部(第1改質部13および第2改質部)28および他方の改質部(第1改質部13および第2改質部)29は、改質器6の両側に左右対称となるように設けられていることが好ましい。それにより、改質器6において、原燃料ガスを効率よく燃料ガスに改質することができる。なお、左右に設けられた一方の改質部28と他方の改質部29との容積および内部に配置される改質触媒14の量が同じとなれば左右対称でなくともよい。
In the
原燃料ガス昇温部12は、上面中央部に外部より原燃料ガス昇温部12に原燃料を供給するための原燃料供給管7が接続されており、外部より供給された原燃料は、原燃料ガス昇温部12にて熱が与えられることで温度の上昇した原燃料ガスとされた後、原燃料ガス昇温部12の両側方に設けられた第1改質部13に向けて流れる。
The raw fuel gas
第1改質部13は、内部に改質触媒14を備え、改質器6の上面に沿って設けられており、原燃料ガス昇温部12から送出された原燃料ガスは、内部に備えた改質触媒14により燃料ガスに改質されつつ、改質器6のセル配列方向に沿った両端部に向けて流れる。
The first reforming
燃料ガス混合部15は、第1改質部13および原燃料ガス昇温部12の下面に接して配置され、燃料ガス混合部15(改質器6)の下面中央部にて、後述する燃料ガス分岐流路10の燃料ガス供給口16と接続される。第1改質部13を流れた燃料ガスは、改質器6の両側方より燃料ガス供給口16(改質器6のセル配列方向における中央部)に向けて流れる。
The fuel
燃料ガス分岐流路10は、燃料ガス混合部15(改質器6)の下面に接するように配置されるとともに、上面の中央部に燃料ガス供給口16が設けられ、改質器6(燃料ガス混合部15)と燃料ガス供給口16とが接続されており、セル配列方向に沿った両端部に燃料ガス流出口11が設けられている。燃料ガス混合部15に設けられたそれぞれの第2改質部から送出される混合された燃料ガスは、燃料ガス供給口16を介して燃料ガス分岐流路10に流入し、燃料ガス分岐流路10の両端部に設けられ燃料ガス流出口11へ向けて流れる。そして、燃料ガス分岐流路10を流れた燃料ガスは、燃料ガス流出口11に接続された燃料ガス供給管8を流れ、マニホールド4に供給される。
The fuel gas
なお、原燃料ガス昇温部12の両側部および燃料ガス混合部15のセル配列方向に沿った中央部に図2において破線で示した通気性のある壁が設けられている。具体的には金属製のメッシュ等を用いることができる。
In addition, the air-permeable wall shown with the broken line in FIG. 2 is provided in the both sides of the raw fuel gas
外部より原燃料ガス昇温部12に供給される原燃料としては、都市ガス等の炭化水素系ガスや灯油等の液体燃料があげられる。なお、原燃料として炭化水素系ガス等の気体燃料を用いた場合には、原燃料ガスは原燃料ガス昇温部12にて熱が与えられ温度の上昇した原燃料ガスとなる。
Examples of the raw fuel supplied from the outside to the raw fuel gas
ここで、図10に示したように従来のセルスタック装置80においては、従来の改質器75により生成された燃料ガスが、マニホールド73の一端部とだけ接続された燃料ガス供給管76よりマニホールド74内に供給されることから、燃料ガス供給管76より遠い位置に配置された燃料電池セル72に十分な燃料ガスを供給することができず、セルスタック装置80の発電効率が低下するおそれがあった。
Here, as shown in FIG. 10, in the conventional
本発明のセルスタック装置1は、改質器6を流れた燃料ガスを、セル配列方向の両端部側に向けて流すとともに、燃料ガス流出口11および燃料ガス供給管8を介して、マニホールド4の両端部に設けられたそれぞれの燃料ガス流入口18に流すための燃料ガス分岐流路10を有することから、各燃料電池セル2に十分な量の燃料ガスを供給することができる。
The
さらに、本発明のセルスタック装置1は、改質器6の両側方に設けられたそれぞれの改質部(一方の改質部28および他方の改質部29)を流れた燃料ガスを、燃料ガス混合部15および燃料ガス分岐流路10内、特には燃料ガス供給口16近傍にて十分に混合することできるから、マニホールド4の両側部より供給される燃料ガスの量やガス濃度のばらつきを抑制することができる。それにより、発電効率の向上したセルスタック装置1とすることができる。
Furthermore, the
また、燃料ガス分岐流路10が改質器6の下面と接するように配置されることから、燃料電池セル2の一端部側(燃料ガス分岐流路10の下方側)において、燃料電池セル2の発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることにより生じる燃焼熱により、効果的に燃料ガス分岐流路10を流れる燃料ガスを温めることができる。それにより、温度の上昇した燃料ガスをマニホールドの両端部に供給することができ、セルスタック装置1の発電効率を向上させることができる。
Further, since the fuel gas
さらに、改質器6がそれぞれ一方の改質部28、他方の改質部29を有することから、効率よく改質を行なうことができる。それにより、セルスタック装置1の発電効率を向上させることができる。
Furthermore, since each
また、燃料ガス分岐流路10が改質器6の下面と接するように配置されることから、改質器6と燃料ガス分岐流路10とを一体的に作製することができ、セルスタック装置1の製造工程を簡略化することができる。なお、改質器6の作製方法としては、箱状の部材の内部に原燃料ガス昇温部12、第1改質部13、燃料ガス混合部15および燃料ガス分岐流路10を仕切るように、仕切り板を設けて作製してもよく、改質器6と燃料ガス分岐流路10とを別途作製し、溶接等により接合して作製してもよい。
Further, since the fuel gas
なお、改質触媒14としては、改質効率や耐久性に優れた改質触媒を用いることが好ましく、例えば、γ−アルミナ、α−アルミナまたはコージェライト等の多孔質担体にRu、Pt等の貴金属やNi、Fe等の卑金属を担持させた改質触媒等を用いることができる。
As the reforming
なお、図示していないが、原燃料ガス昇温部12はセラミックボール等を備えることが好ましい。それにより、原燃料ガス昇温部12内の表面積を増加させることができ、効率的に原燃料を温度の上昇した原燃料ガスとすることができるほか、改質部(一方の改質部28および他方の改質部29)にて水蒸気改質を行なうために、原燃料ガス昇温部12内に水を供給する場合には、水を効率よく昇温させ、水蒸気に気化させることができる。また、原燃料ガス昇温部12の両側部および燃料ガス混合部のセル配列方向に沿った中央部に金属製のメッシュ等からなる通気性の壁を設けた例を示したが、通気性の壁は、改質触媒14がセルスタック装置1を運搬する際等に、移動することを抑制するように適宜設ければよい。
Although not shown, the raw fuel gas
また、セルスタック装置1においては、第1改質部13および燃料ガス混合流路15の全域に改質触媒14を設けた例を示したが、第1改質部13および燃料ガス混合流路15の全域に改質触媒14を設けなくともよい。改質触媒14の量は、必要な燃料ガスの量に応じて適宜設定すればよい。
Moreover, in the
図3は本発明の他の一例のセルスタック装置を構成する改質器20、原燃料供給管7、燃料ガス分岐流路21および燃料ガス供給管8の一部を抜粋して示す断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a part of the
図3に示すセルスタック装置17は、改質器20の下方に燃料ガス分岐流路21を配置し、改質器20(燃料ガス混合部15)のセル配列方向に沿った中央部と、燃料ガス分岐流路21の上面中央部に設けられた燃料ガス供給口16とを連結部材19で接続している。それにより、改質器20および燃料ガス分岐流路21における、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることにより生じた燃焼熱と接する面積を増加させることができ、さらに改質器20および燃料ガス分岐流路21を温めることができる。そのため、燃料電池セル2に温度の上昇した燃料ガスを供給することができ、セルスタック装置17の発電効率をさらに向上させることができる。
A
より具体的には、図3に示したセルスタック装置17においては、改質器6(燃料ガス混合部15)の下面に燃料ガス分岐流路10が接するように配置されたセルスタック装置1に比べ、改質器20の底面積、燃料ガス分岐流路21の改質器20の底面積に対応する面積および連結部材19の表面積に相当する面積を増加することができる。
More specifically, in the
なお、図3に示す改質器20においては、第1改質部13のみに改質触媒14を備えた例を示したが、燃料ガス混合部15に改質触媒14を備え、第2改質部(図示せず)を設けてもよい。それにより、さらに原燃料ガスを燃料ガスに改質することができ、発電効率の向上したセルスタック装置19とすることができる。
In the
図4は、本発明のセルスタック装置のさらに他の一例を示す斜視図であり、図5は、図4に示すセルスタック装置23を構成する改質器24、原燃料供給管7、燃料ガス分岐流路25および燃料ガス供給管8の一部を抜粋して示す断面図である。
FIG. 4 is a perspective view showing still another example of the cell stack device of the present invention, and FIG. 5 is a
図5に示す改質器24は、セル配列方向に沿った中央部に原燃料ガス昇温部12を有し、第1改質部13が原燃料ガス昇温部12の両側方に改質器24の下面に沿って設けられており、さらに、第1改質部13の上面に接するように燃料ガス混合部15が配置されている。原燃料ガス昇温部12より送出された原燃料ガスは、第1改質部13をセル配列方向に沿った両端部に向けて流れ、内部に改質触媒14を備えた燃料ガス混合部15(第2改質部)をセル配列方向に沿った中央部の上面に向けて流れている。
A
燃料ガス分岐流路25は、改質器24の上面に接するように配置され、セル配列方向に沿った中央部下面に設けられた燃料ガス供給口16と改質器24(燃料ガス混合部15)とが接続されており、セル配列方向に沿った両端部に燃料ガス流出口11が設けられている。それぞれの改質部(一方の改質部28および他方の改質部29)にて生成された燃料ガスは、燃料ガス供給口16を介して燃料ガス分岐流路25の中央部に流入する。なお、燃料ガス混合部15と燃料ガス分岐流路25にて一方の改質部(第1改質部13および第2改質部)28および他方の改質部(第1改質部13および第2改質部)29にて生成された燃料ガスが混合される。より詳しくは、燃料ガス混合部15および燃料ガス分岐流路25における接続部(燃料ガス供給口16)近傍にて燃料ガスが混合される。混合された燃料ガスは、燃料ガス分岐流路25の両端部に設けられたそれぞれの燃料ガス流出口11に向けて流れ、燃料ガス供給管8を流れた後、マニホールド4に供給される。なお、燃料ガス供給口16の径は、原燃料供給管7より大きい径を有しており、平面視して原燃料供給管7と同心円状に設けられている。また、図4で示すように、燃料ガス供給管8は燃料ガス混合部15を貫通して第1改質部13に接続されている。
The fuel gas
ここで、改質器24において水蒸気改質をする場合において、原燃料供給管7に原燃料および水を供給し、原燃料ガス昇温部12にて、原燃料に熱を与えて温度の上昇した原燃料ガスとするとともに、水を水蒸気に気化させて、それぞれの改質部28、29に原燃料ガスおよび水蒸気を供給し、所定の改質触媒14により水蒸気改質を行なう。その際、原燃料ガス昇温部12の温度が水を水蒸気に気化させるのに十分な温度でないと、気化されていない水が改質部に供給されてしまい、改質触媒14の気孔中に水が入り込むこみ、それにより、改質触媒14中の水の気化に伴って改質触媒14が破損することにより、改質触媒14を劣化させてしまうおそれがある。
Here, when steam reforming is performed in the
図4および図5に示したセルスタック装置23においては、原燃料ガス昇温部12を発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させて生じる燃焼熱により直接温めることができるため、原燃料ガス昇温部12に供給された原燃料を効率よく温度の上昇した原燃料ガスとするとともに、水を水蒸気に効率よく気化することができ、効率のよい改質を行なうことができるとともに、改質触媒14の劣化を抑制することができる。それにより、セルスタック装置23の発電効率を向上させることができる。
In the
なお、原燃料ガス昇温部12に水を供給するにあたり、原燃料供給管7とは別に水供給管を設けることもできる。この場合、原燃料供給管7と水供給管を2重管とすることが好ましい。
In addition, when water is supplied to the raw fuel gas
ここで、セルスタック3の発電に伴って、セルスタック3のセル配列方向における中央部の温度が高く、端部の温度が低いという温度分布を生じる場合がある。その場合においても、セル配列方向の中央部に設けられた原燃料ガス昇温部12における原燃料を温度の上昇した原燃料ガスとするとするための吸熱や、水が気化する際の気化熱等により、セルスタック3のセル配列方向における中央部の温度を低下させることができ、セルスタック3の燃料電池セル2の配列方向における温度分布を抑制することができる。それにより、温度の高い燃料電池セル2に生じる電流集中を抑制することができ、燃料電池セル2の劣化を抑制することができる。そのため、発電効率の向上したセルスタック装置23とすることができる。
Here, accompanying the power generation of the
また燃料ガス混合部15の上方に接するように燃料ガス分岐流路25が設けられていることから、改質器24と燃料ガス分岐流路25を一体化することができ、セルスタック装置23の製造工程を簡略化することができる。
Further, since the fuel gas
なお、改質器24の作製方法としては、箱状の部材の内部に仕切り部材等により原燃料ガス昇温部12、第1改質部13、燃料ガス混合部15および燃料ガス分岐流路25が設けられるように、仕切り板を設けて作製してもよく、改質器6と燃料ガス分岐流路10とを別途作製し、溶接等により接合して作製してもよい。また、燃料ガス供給管8を改質器24の内部(第1改質部13および燃料ガス混合部15)を貫通するように設けてもよく、改質器24の外側に設けてもよい。
As a method for producing the
なお、原燃料ガス昇温部12が水を気化するために十分な温度かどうかを確認するために熱電対等を設けてもよい。
A thermocouple or the like may be provided in order to check whether the raw fuel gas
図6は、本発明のさらに他の一例を示すセルスタック装置26を構成する改質器24、原燃料供給管7、燃料ガス分岐流路25および燃料ガス供給管8の一部を抜粋して示す断面図である。
FIG. 6 is a partial extract of the
セルスタック装置26は、燃料ガス分岐流路27が改質器24の上方に離間して配置されており、改質器24の上面中央部と、燃料ガス分岐流路27のセル配列方向における中央部下面に設けられた燃料ガス供給口16とが連結部材19によって接続されており、燃料ガス分岐流路27の燃料ガス流入口11に接続された燃料ガス供給管8が、改質器24のセル配列方向に沿った外側に設けられている。
In the
それにより、改質器24および燃料ガス分岐流路27における発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることにより生じた燃焼熱と接する面積を増加させることができ、さらに改質器24および燃料ガス分岐流路27を温めることができる。そのため、燃料電池セル2に温度の上昇した燃料ガスを供給することができ、セルスタック装置26の発電効率をさらに向上させることができる。
Thereby, the area in contact with the combustion heat generated by burning the fuel gas that has not been used for power generation in the
より具体的には、図6に示したセルスタック装置26においては、改質器24(燃料ガス混合部15)の上面に燃料ガス分岐流路25が接するように配置されたセルスタック装置23に比べ、改質器24の上面積、燃料ガス分岐流路27の改質器24の上面積に対応する面積および連結部材19の表面積に相当する面積を増加することができる。
More specifically, in the
図7は、収納容器31内に、上述したセルスタック装置1を収納してなる本発明の燃料電池モジュール30(以下、モジュールという場合がある。)の一例を示す外観斜視図である。図7に示すモジュール30においては、収納容器31の一部(前後面)を取り外し、内部に収納されるセルスタック装置1(図7においては改質器6を取りはずして示している)を後方に取り出した状態を示している。なお、改質器6は収納容器31の上壁の内面に接続されている。以下に、まずモジュール30を構成する収納容器31について説明する。
FIG. 7 is an external perspective view showing an example of the fuel cell module 30 (hereinafter sometimes referred to as a module) of the present invention in which the above-described
図8は、モジュール30の一例を概略的に示す断面図である。モジュール30を構成する収納容器31は、外壁32にて収納容器31の外枠が形成され、内部に燃料電池セル2(セルスタック3)を収納する発電室49が形成されている。
FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing an example of the
このような収納容器31においては、セルスタック3を構成する燃料電池セル2の配列方向に沿う側部と、該側部に対向する収納容器31の外壁との間に、空気や排ガスを流すための流路を備えている。
In such a
ここで、収納容器31は、外壁32の内側に所定間隔をあけて第1の壁33が形成されており、第1の壁33の内側に所定間隔をあけて第2の壁34が配置されており、さらに第2の壁34の内側に所定間隔をあけて第3の壁35が配置されている。
Here, in the
それにより、外壁32と第1の壁33とで形成された空間が第1の収納容器流路36となり、第2の壁34と第3の壁35とで形成された空間が第2の収納容器流路37となり、第1の壁33と第2の壁34とで形成された空間が第3の収納容器流路38となる。
Thereby, the space formed by the
なお、図8に示した収納容器31においては、第1の壁33の上端部が第2の壁34に接続されており、第2の壁34が収容容器31の上壁(外壁32)と接続されており、第3の壁35の上端部が第2の壁34と接続されている。
In the
また、収納容器31の底部には、空気(酸素含有ガス)を収納容器31内に供給するための空気供給管39が接続されており、空気供給管39より供給される空気は空気導入部40に流れる。空気導入部40は空気導入口41により第1の収納容器流路36とつながっているため、空気導入部40を流れる空気は、空気導入口41を通して、第1の収納容器流路36に流れる。第1の収納容器流路36を上方に向けて流れた空気は、第2の壁34に設けられた空気流通口42を通して、第2の収納容器流路37に流れる。そして、第2の収納容器流路37を下方に向けて流れた空気は、第3の壁35に設けられた空気吹き出し口43を通して、発電室49内に供給される。
In addition, an
一方、燃料電池セル2より排出される排ガスや、燃料電池セル2の上端部側で発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることにより生じる排ガスは、第2の壁34に設けられた排ガス流通口44を通して第3の収納容器流路38に流入する。そして、第3の収納容器流路38を下方に向けて流れた排ガスは、排ガス収集口45を通して排ガス収集部46に流れた後、排ガス収集部46に接続された排ガス排気管47を通して収納容器31の外部に排気される。
On the other hand, the exhaust gas discharged from the
それゆえ、空気導入管39より供給される空気は、空気導入部40を流れる間に、排ガス収集部46を流れる排ガスと熱交換され、第1の収納容器流路36を流れる間に、第3の収納容器流路38を流れる排ガスと熱交換され、第2の収納容器流路37を流れる間に、発電室49内の熱とで熱交換されることとなる。
Therefore, the air supplied from the
なお、図8において、空気導入管39の内部に排ガス排気管47が位置するように設けた例を示しているが、排ガス排気管47の内部に空気導入管39が位置するように設けることもでき、さらには、空気導入管39と排ガス排気管47とは、それぞれ位置をずらして設けることもできる。
8 shows an example in which the exhaust
ここで、図8に示すモジュール30においては、第3の収納容器流路38のうち、第2の壁38側に断熱材48(図中において断熱材48は斜線にて示している)が固着して配置されている。それにより、第2の収納容器流路37を流れる空気と第3の収納容器流路38を流れる排ガスとの熱交換を抑制することができ、第2の収納容器流路37を流れる空気の温度が低下することを抑制できる。それにより、高温の空気を燃料電池セル2に供給することができることから、発電効率の高いモジュール30とすることができる。
Here, in the
なお、第3の収納容器流路38に配置される断熱材48は、好ましくは、セルスタック3を構成する燃料電池セル2の配列方向に沿う側部の外形以上の大きさとすることが好ましい。それにより、第2の収納容器流路37を流れる空気と第3の収納容器流路38を流れる排ガスとの熱交換を効率よく抑制することができる。
The
また断熱材48は、第3の収納容器流路38以外にも、収納容器31内の熱が極端に放熱され、燃料電池セル2(セルスタック3)の温度が低下して発電量が低減しないように適宜設けることができ、図7においては、第3の収納容器流路38以外に、マニホールド4の底部と、燃料電池セル2(セルスタック3)の両側面側と、収納容器31の上壁(外壁32)と改質器6との間とに設けている例を示している。
In addition to the third storage
ここで、セルスタック3(燃料電池セル2)の両側面側に配置されている断熱材48においては、空気吹き出し口36に対応して、空気を燃料電池セル2側に流すための孔が設けられている。
Here, in the
そして空気吹き出し口43より発電室49内に供給された空気は、燃料電池セル2の下端側から上端部側に向けて流れることとなり、効率よく燃料電池セル2の発電を行なうことができる。
The air supplied from the
図7および図8に示すモジュール30においては、発電効率の向上したセルスタック装置1を上述のような収納容器の発電室49内に収納することにより、発電効率の向上したモジュール30とすることができる。
In the
そして、本発明においては上述したモジュール30とセルスタック装置1を動作させるための補機とを外装ケース内に収納することで、本発明の燃料電池装置とすることができる。なお、外装ケースは仕切部材により上下に区分し、上側の部屋にモジュール30を収納し、下側の部屋にセルスタック装置1を動作させるための補機を収納することで、コンパクトな燃料電池装置とすることができる。
And in this invention, it can be set as the fuel cell apparatus of this invention by accommodating the
図9は、外装ケース内に図8で示したモジュール30と、モジュール30を動作させるための補機(図示せず)とを収納してなる本発明の燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図9においては一部構成を省略して示している。
FIG. 9 is an exploded perspective view showing an example of the fuel cell device of the present invention in which the
図9に示す燃料電池装置55は、支柱56と外装板57から構成される外装ケース内を仕切板58により上下に区画し、その上方側を上述したモジュール30を収納するモジュール収納室59とし、下方側をモジュール30を動作させるための補機を収納する補機収納室60として構成されている。なお、補機収納室60に収納する補機を省略して示している。
The
また、仕切板58には、補機収納室60の空気をモジュール収納室59側に流すための空気流通口61が設けられており、モジュール収納室59を構成する外装板57の一部に、モジュール収納室59内の空気を排気するための排気口62が設けられている。
In addition, the
このような燃料電池装置55においては、上述したように、発電効率の向上したモジュール30をモジュール収納室59に収納し、モジュール30を動作させるための補機を補機収納室60に収納して構成されることにより、発電効率の向上した燃料電池装置55とすることができる。
In such a
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。 Although the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and improvements can be made without departing from the scope of the present invention.
例えば、原燃料ガス昇温部12に接続された原燃料供給管7に、原燃料または水を原燃料ガス昇温部12の両側方に設けられたそれぞれの改質部28、29側に流すための流通方向調整部材を設けることも可能である。
For example, the raw fuel or water is supplied to the raw fuel
なお流通方向調整部材としては、底部を有する筒状の容器の左右に穴を有する部材のほか、先端が二手に分かれたパイプ等、適宜左右2方向に空気を流すことのできる部材とすることができる。 As the flow direction adjusting member, in addition to a member having holes on the left and right sides of a cylindrical container having a bottom, a member that can appropriately flow air in two directions on the left and right, such as a pipe whose tip is divided into two hands, is used. it can.
また、この場合において流通調整方向部材の吹き出し口は、原燃料ガス昇温部12の下面と対向しないように設けることが好ましい。それにより、原燃料ガス昇温部12の一部の温度が急激に低下し、原燃料ガス昇温部12での水の気化効率が悪くなることを抑制できる。
In this case, it is preferable that the outlet of the flow adjustment direction member is provided so as not to face the lower surface of the raw fuel gas
また例えば、収納容器31は、外壁32と第1の壁33とで第1の収納容器流路36を形成し、第4の壁34と第3の壁35とで第2の収納容器流路37を形成し、第1の壁33と第2の壁34とで第3の収納容器流路38を形成していればよく、適宜空気流通口47や排ガス流通口49の位置を変更することもできる。
Further, for example, in the
また、例えば第1の壁33と第2の壁34との間に第1の収納容器流路36と第2の収納容器流路37とをつなぐ空気流通路を設けてもよく、第2の壁34と第3の壁35との間に、発電室49と第3の収納容器流路38とをつなぐ排ガス流通路を設けてもよい。
Further, for example, an air flow passage that connects the first storage
1、17、23、26、78:セルスタック装置
2、72:燃料電池セル
3、73:セルスタック
4、74:マニホールド
6、20、24、75:改質器
7、76:原燃料供給管
8、76:燃料ガス供給管
10、21、25、27:燃料ガス分岐流路
11:燃料ガス流出口
13:第1改質部
14:改質触媒
15:燃料ガス混合部
16:燃料ガス供給口
18:燃料ガス流入口
19:連結部材
28:一方の改質部
29:他方の改質部
30、70:燃料電池モジュール
55:燃料電池装置
1, 17, 23, 26, 78:
Claims (9)
前記燃料電池セルの他端部を固定するとともに、前記燃料電池セルの配列方向に沿った両端部に燃料ガス流入口を備え、前記燃料電池セルに前記燃料ガスを供給するためのマニホールドと、
前記燃料電池セルの一端部側と離間して配置されており、外部より供給される原燃料に熱を与えて温度の上昇した原燃料ガスを生成するための原燃料ガス昇温部および該原燃料ガス昇温部から送られる前記原燃料ガスを前記燃料ガスに改質するための改質触媒を備える改質部を有する改質器と、
前記燃料電池セルの一端部側と離間して配置されており、前記燃料電池セルの配列方向に沿った両端部に燃料ガス流出口を備え、前記燃料電池セルの配列方向に沿った中央部に前記改質器で改質された前記燃料ガスが供給される燃料ガス供給口を備える燃料ガス分岐流路と、
該燃料ガス分岐流路の前記両端部に設けられた前記燃料ガス流出口と、前記マニホールドの前記両端部に設けられた前記燃料ガス流入口とをそれぞれ接続する燃料ガス供給管と、を備えることを特徴とするセルスタック装置。 A plurality of columnar fuel cells each having a fuel gas flow path and generating electricity with fuel gas and oxygen-containing gas are arranged and electrically connected in a standing state, and the fuel cell A cell stack configured to burn the fuel gas that was not used for power generation on one end side of the
Fixing the other end portion of the fuel cell, and having a fuel gas inlet at both ends along the arrangement direction of the fuel cell, and a manifold for supplying the fuel gas to the fuel cell,
A raw fuel gas temperature raising unit that is disposed apart from one end side of the fuel battery cell and generates raw fuel gas having an increased temperature by applying heat to the raw fuel supplied from the outside, and the raw fuel gas A reformer having a reforming section including a reforming catalyst for reforming the raw fuel gas sent from the fuel gas temperature raising section to the fuel gas;
The fuel cell is disposed away from one end side of the fuel cell, and has fuel gas outlets at both ends along the arrangement direction of the fuel cell, and at a central portion along the arrangement direction of the fuel cell. A fuel gas branch passage provided with a fuel gas supply port to which the fuel gas reformed by the reformer is supplied;
A fuel gas supply pipe for connecting the fuel gas outlets provided at both ends of the fuel gas branch flow path and the fuel gas inlets provided at both ends of the manifold, respectively. A cell stack device characterized by the above.
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