JP6169939B2 - 燃料電池装置 - Google Patents
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Description
また、燃料電池装置は、一般には、燃料電池セルの上方に配置されて水素含有燃料を改質して水素富化燃料を生成する改質器を更に含んで構成され、オフガス燃焼部は、燃料電池セルと共に改質器を加熱する。この改質器により燃料電池セルへの水素富化燃料の供給がなされる。
このような燃料電池装置は、特許文献1に開示されている。
また、特許文献1では、改質器において、気化部を構成する金属製の筺体の燃料電池セルに対向する側の面を構成する壁材が、改質部を構成する金属製の筺体の燃料電池セルに対向する側の面を構成する壁材よりも厚く形成されている。
図1は、本発明の第1実施形態を示す燃料電池装置の正面縦断面図であり、図2のII−II断面に対応している。図2は燃料電池装置の平面横断面図であり、図1のI−I断面に対応している。
尚、本実施形態では、燃焼室区画部材1において、一方の短側面(短側面1d)を正面(前面)とし、他方の短側面(短側面1e)を背面(後面)とし、これら一対の短側面同士を結ぶ方向を前後方向、長側面1bと長側面1cとを結ぶ方向を左右方向という。
本実施形態の燃料電池装置は、筐体内、特に燃焼室区画部材1内に、水素含有燃料と酸化剤(一般には空気)とを反応させて発電を行う複数の燃料電池セル10と、複数の燃料電池セル10の上端部から排出されるオフガスを燃焼させて燃料電池セル10を高温状態に維持するオフガス燃焼部20とを備える。
電解質は、高温下で酸化物イオンを伝導する。アノードは、酸化物イオンと燃料中の水素とを反応させて、電子及び水を発生させる。カソードは、空気中の酸素と電子とを反応させて、酸化物イオンを発生させる。
カソード: 1/2O2+2e−→O2−(電解質) ・・・(1)
アノード: O2−(電解質)+H2→H2O+2e− ・・・(2)
ここで、燃料電池セル10(セルスタック11)への水素富化燃料の供給は、台座13側(セルスタック11の下端部側)からなされ、台座13は水素富化燃料の分配機能を有している。水素富化燃料としては、改質器30から改質ガスが供給される。
また、セルスタック11の上端部側はオフガス(未反応の水素富化燃料)の排出部となり、オフガスは余剰の酸化剤供給下で燃焼する。従って、セルスタック11の上端部近傍がオフガス燃焼部20となる。
改質器30は酸化剤供給部材50を避けるように形成されており、平面視で溝形状(コ字形状)をなしている。
左側ケーシング31は、セルスタック11の左側部分の上方に配置されている。右側ケーシング32は、セルスタック11の右側部分の上方に配置されている。
左側ケーシング31と右側ケーシング32とは、互いの内部空間が、中央後側ケーシング33の内部空間を介して連通している。
左側ケーシング31の下面31aのうち前側の部分(改質部36の下流側端部36aの下面)には流出口39が設けられている。また、この流出口39からセルスタック11の台座13へ改質ガスを供給するための供給配管40も設けられている。
また、左側ケーシング31のうち流出口39を含む前側の部分(すなわち、改質部36の下流側端部36a)が、本発明の「改質器の出口部」に対応している。改質部36にて生成された改質ガスは、流出口39から供給配管40内に排出され、この供給配管40を通って、セルスタック11の台座13に供給される。
従って、改質器30は、入口部として、気化部35を備えると共に、出口部として、改質部36の下流側端部36aを備えている。
気化部35では、原燃料・改質用水供給配管38から流入口37を介して流入した水素含有燃料(原燃料)と改質用水とが、オフガス燃焼部20における燃焼熱と、セルスタック11の発電による発熱とを受けて加熱される。この加熱により、気化部35では、水素含有燃料が水蒸気改質反応に適した温度まで昇温されると共に、改質用水が気化されて水蒸気が発生する。
天板2の上側の領域は酸化剤(空気)の供給源であり、この天板2に前後方向に延びるスリット4が形成されている。このスリット4は酸化剤入口をなす。そして、このスリット4から燃焼室区画部材1内へ酸化剤供給部材50が挿入配置されている。
従って、酸化剤(空気)は、スリット4から酸化剤供給部材50の内部に流入し、酸化剤噴出口51から噴出して、セルスタック11のカソードに供給される。
気化部35と改質部36の下流側端部36aとの間には金属製の熱伝導部材60が配置されている。ここで、熱伝導部材60については、ケーシング31〜33と同じ金属材料により形成されることが好ましい。
熱伝導部材60の左側面60b及び右側面60cの前後方向の長さについては、各々が、気化部35の前後方向の長さにほぼ等しい。また、熱伝導部材60の高さは、ケーシング31〜33の高さにほぼ等しい。
熱伝導部材60の左側面60bと改質部36の下流側端部36aの右側面との接触面積は、熱伝導部材60の右側面60cと気化部35の左側面との接触面積にほぼ等しい。
図1及び図2に示した第1実施形態と異なる点について説明する。
気化部35と改質部36の下流側端部36aとの間には金属製の熱伝導部材61が配置されている。ここで、熱伝導部材61については、ケーシング31〜33と同じ金属材料により形成されることが好ましい。
熱伝導部材61の左側面61b、右側面61c、及び上面61fについては、各々が、酸化剤供給部材50に接触しないように、各寸法が設定されている。尚、熱伝導部材61の高さは、ケーシング31〜33の高さにほぼ等しい。
熱伝導部材61の左側面61bと改質部36の下流側端部36aの右側面との接触面積は、熱伝導部材61の右側面61cと気化部35の左側面との接触面積にほぼ等しい。
図4(A)に示す第1変形例において、熱伝導部材61’は、前述の熱伝導部材61の上下を反転させることで形成され得る。それゆえ、熱伝導部材61’は正面視で上部開放の溝形状(コ字形状)をなしており、下面61a、左側面61b、及び右側面61cを有している。この第1変形例では、改質器30の出口部(改質部36の下流側端部36a)からの熱が、熱伝導部材61’の左側面61b、下面61a、及び右側面61cを介して、改質器30の入口部(気化部35)に伝熱され得る。ここで、熱伝導部材61’の下面61aが、本発明の「熱伝導部の中間部」に対応しており、改質器30の外面から離間している。
図1及び図2に示した第1実施形態と異なる点について説明する。
図5(B)に示す第1変形例において、熱伝導部材62’は、熱伝導部材62とは異なり、前面60dの左側端から左方に延びる延長面60hを有している。すなわち、熱伝導部材62の前面60dが左方に延長されて延長面60hが形成されている。また、延長面60hの左側端には左側面60bの前端が接続している。左側面60bの後端には延長面60gの前端が接続している。
この第1変形例では、改質器30の出口部(改質部36の下流側端部36a)からの熱が、熱伝導部材62’の延長面60g、左側面60b、延長面60h、前面60d、及び右側面60cを介して、改質器30の入口部(気化部35)に伝熱され得る。
この第2変形例では、改質器30の出口部(改質部36の下流側端部36a)からの熱が、熱伝導部材62’’の左側面60b、中央面60i、延長面60h、前面60d、及び右側面60cを介して、改質器30の入口部(気化部35)に伝熱され得る。
図1及び図2に示した第1実施形態と異なる点について説明する。
この第1変形例では、改質器30の出口部(改質部36の下流側端部36a)からの熱が、熱伝導部材63’の左側面60b、前面60d、右側面60c、上面60j、及び下面60kを介して、改質器30の入口部(気化部35)に伝熱され得る。
この第2変形例では、改質器30の出口部(改質部36の下流側端部36a)からの熱が、熱伝導部材63’’の左側面60b、前面60d、右側面60c、及び下面60kを介して、改質器30の入口部(気化部35)に伝熱され得る。
この第3変形例では、改質器30の出口部(改質部36の下流側端部36a)からの熱が、熱伝導部材63’’’の左側面60b、前面60d、右側面60c、下面60k、及び右側面60mを介して、改質器30の入口部(気化部35)に伝熱され得る。
図1及び図2に示した第1実施形態と異なる点について説明する。
熱伝導部材64は金属製であって平板状であり、下面61a(図4参照)、下面60k(図7参照)、及び下面60nを含んで構成される。下面60kは、下面61aの右側端から右方に延びている。下面60nは、下面61aの左側端から左方に延びている。また、下面60nは、改質部36の下流側端部36aの下面(左側ケーシング31の下面31aの前側部)を下方から覆うように配置されて、当該下面に面接触している。ここで、熱伝導部材64の下面60kが、本発明の「熱伝導部の一端部」に対応しており、気化部35の下面(外面)に接続して面接触している。また、熱伝導部材64の下面60nが、本発明の「熱伝導部の他端部」に対応しており、改質部36の下流側端部36aの下面(外面)に接続して面接触している。
この第1変形例では、改質器30の出口部(改質部36の下流側端部36a)からの熱が、熱伝導部材64’の左側面60b、下面60n、下面61a、及び下面60kを介して、改質器30の入口部(気化部35)に伝熱され得る。
この第2変形例では、改質器30の出口部(改質部36の下流側端部36a)からの熱が、熱伝導部材64’’の下面60n、下面61a、右側面60c、上面60j、及び下面60kを介して、改質器30の入口部(気化部35)に伝熱され得る。
図1及び図2に示した第1実施形態と異なる点について説明する。
図10(A)及び(B)に示すように、熱伝導部材65は、前述の熱伝導部材60に、上面60j及び60pと、下面60k及び60nとを追加することで形成され得る。上面60pは、左側面60bの上端から左方に延びている。上面60pは、改質部36の下流側端部36aの上面(左側ケーシング31の上面31fの前側部)を上方から覆うように配置されて、当該上面に面接触している。尚、上面60j、下面60k及び60nについては前述したのでその説明を省略する。
この変形例では、改質器30の出口部(改質部36の下流側端部36a)からの熱が、熱伝導部材65’の延長面60h、左側面60b、上面60p、下面60n、前面60d、右側面60c、上面60j、及び下面60kを介して、改質器30の入口部(気化部35)に伝熱され得る。
図1及び図2に示した第1実施形態と異なる点について説明する。
また、セルスタック80の上端部側はオフガス(未反応の水素富化燃料)の排出部となり、オフガスは余剰の酸化剤供給下で燃焼する。従って、セルスタック80の上端部近傍がオフガス燃焼部20となる。
改質器90は、金属製のケーシング91を備えている。ケーシング91は、所定方向(図では水平一方向である前後方向)に延びる直方体状である。ここで、ケーシング91の外面は、下面91a、左側面91b、右側面91c、前面91d、及び、上面91fを含んで構成されている。
燃料電池セル10(セルスタック80)への酸化剤(空気)の供給は、図示しない酸化剤供給部材を介してなされる。
本実施形態では、改質器90のケーシング91の左側面91b及び右側面91cに、各別に、金属製の熱伝導部材70及び71が設けられている。ここで、熱伝導部材70及び71については、ケーシング91と同じ金属材料により形成されることが好ましい。
前側接触部70aは、本発明の「熱伝導部の一端部」に対応するものであり、気化部35の左側面(ケーシング91の左側面91bの前側部)に接続して面接触している。
後側接触部70cは、本発明の「熱伝導部の他端部」に対応するものであり、改質部36の下流側端部36aの左側面(ケーシング91の左側面91bの後側部)に接続して面接触している。
前側接触部71aは、本発明の「熱伝導部の一端部」に対応するものであり、気化部35の右側面(ケーシング91の右側面91cの前側部)に接続して面接触している。
後側接触部71cは、本発明の「熱伝導部の他端部」に対応するものであり、改質部36の下流側端部36aの右側面(ケーシング91の右側面91cの後側部)に接続して面接触している。
改質器90の出口部(改質部36の下流側端部36a)からの熱は、熱伝導部材70及び71を介して、改質器90の入口部(気化部35)に伝熱され得る。
また、本実施形態では、改質器90には熱伝導部材70及び71が設けられているが、改質器90に設けられる熱伝導部材の個数はこれに限らない。例えば、改質器90には、熱伝導部材70及び71のいずれか一方が設けられてもよい。
図11及び図12に示した第7実施形態と異なる点について説明する。
前側接触部72aは、本発明の「熱伝導部の一端部」に対応するものであり、気化部35の上面(ケーシング91の上面91fの前側部)に接続して面接触している。
後側接触部72cは、本発明の「熱伝導部の他端部」に対応するものであり、改質部36の下流側端部36aの上面(ケーシング91の上面91fの後側部)に接続して面接触している。
改質器90の出口部(改質部36の下流側端部36a)からの熱は、熱伝導部材72を介して、改質器90の入口部(気化部35)に伝熱され得る。
また、本実施形態において、前述の熱伝導部材70及び71の少なくとも一方を、改質器90のケーシング91の外面に設けてもよい。
2 天板
3 空隙
4 スリット
10 燃料電池セル
11 セルスタック
13 台座
20 オフガス燃焼部
30 改質器
31 左側ケーシング
32 右側ケーシング
33 中央後側ケーシング
35 気化部
36 改質部
36a 下流側端部
37 流入口
38 原燃料・改質用水供給配管
39 流出口
40 供給配管
41 貫通孔
50 酸化剤供給部材
51 酸化剤噴出口
60、61、61’、61’’、62、62’、62’’、63、63’、63’’、64、64’、64’’、65、65’、70、71、72 熱伝導部材(熱伝導部)
80 セルスタック
90 改質器
91 ケーシング
Claims (7)
- 入口部及び出口部を備え、前記入口部に流入する水素含有燃料を改質して水素富化燃料を生成し、この水素富化燃料を前記出口部より排出する改質器と、
前記水素富化燃料と酸化剤とを反応させて発電を行う複数の燃料電池セルと、
互いに離間する前記入口部の外面と前記出口部の外面とを連結するように延びる熱伝導部と、
を含んで構成され、
前記熱伝導部は、前記入口部の外面に接続する一端部、前記出口部の外面に接続する他端部、及び、前記一端部と前記他端部との間の部分である中間部からなり、
前記熱伝導部の中間部が、前記改質器の外面から離間している、燃料電池装置。 - 前記改質器の前記入口部は前記出口部に対して空隙を空けて対向配置され、
前記熱伝導部は、前記入口部と前記出口部との間の最短距離で各々の外面同士を連結するように延びる、請求項1に記載の燃料電池装置。 - 前記改質器は所定方向に延び、その一側に前記入口部が位置し、他側に前記出口部が位置し、
前記熱伝導部は、前記改質器における前記入口部と前記出口部との間の部分の外面を跨いで、前記入口部の外面と前記出口部の外面とを連結するように延びる、請求項1に記載の燃料電池装置。 - 前記熱伝導部の前記一端部と前記入口部の外面との接触面積は、前記熱伝導部の前記他端部と前記出口部の外面との接触面積よりも大きい、請求項1〜請求項3のいずれか1つに記載の燃料電池装置。
- 前記熱伝導部の前記他端部と前記出口部の外面との接触面積は、前記熱伝導部の前記一端部と前記入口部の外面との接触面積よりも大きい、請求項1〜請求項3のいずれか1つに記載の燃料電池装置。
- 前記改質器の前記入口部は、液体を気化する気化部である、請求項1〜請求項5のいずれか1つに記載の燃料電池装置。
- 前記複数の燃料電池セルの上端部から排出されるオフガスを燃焼させるオフガス燃焼部を更に含んで構成され、
前記改質器は、前記複数の燃料電池セルの上方に配置される、請求項1〜請求項6のいずれか1つに記載の燃料電池装置。
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