JP6311865B2 - 固体酸化物型燃料電池装置 - Google Patents
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Description
このように構成された本発明においては、蒸発器が、水供給部から供給された微量な水を蒸発器全体に適切に分散させることができる。具体的には、毛細管現象を利用した簡易な構成により、水供給部から供給された微量な水を、蒸発器で蒸発(気化)する前に、素早く蒸発器全体に広がらせることができる。その結果、当該水は、蒸発器において広がった先で蒸発して原燃料ガスと混合されるため、安定した均一な混合ガスを生成することができる。よって、S/C比の管理を適切に行うことが可能となる。また、本発明においては、蒸発器上の一部の領域に水が溜まり続けないため、蒸発器での突沸を防止することができる。そのため、燃料不足に伴う燃料電池セルの劣化などを防止することが可能となる。
特に、本発明においては、蒸発器の垂直方向に延在する内壁面を利用して、その内壁面に上方向に傾斜した傾斜板を設けることによって鋭角形状の間隙を形成するため、毛細管現象をより簡易な構成にて実現することができる。
このように構成された本発明では、蒸発器において毛細管現象によって適切に分散させた水から生成された水蒸気を、蒸発器の上方に位置する混合室において原燃料ガスと混合させるため、混合室において水蒸気と原燃料ガスとの混合性を向上させることができる。また、本発明では、混合室を蒸発器と水平方向に配置せずに、混合室を蒸発器の上方向に配置し、且つ、蒸発器において水及び原燃料ガスが供給される場所と、蒸発器から混合室へガスが供給される場所(つまり蒸発器におけるガスの出口)とが、蒸発器の中心軸を挟んで反対側に位置する。そのため、蒸発器内において水蒸気と原燃料ガスとが比較的ゆっくりと混合されるため、蒸発器内でも水蒸気と原燃料ガスとの混合性を高めることができる。したがって、本発明によれば、このような蒸発器及び混合室の両方を用いることにより、水蒸気と原燃料ガスとの混合性を大きく向上させることが可能となる。
円又は楕円環状の内部空間を形成するように構成された収容容器では、微量な水に対して蒸発器の容積が大きいために、水が分散しにくい傾向にある。本発明においては、そのような収容容器に対して、収容容器における内部空間の内周面全体に渡って設けられた円又は楕円環状の傾斜板を適用することにより、微量な水に対する安定した分散性を確保することができる。具体的には、本発明のような円又は楕円環状の傾斜板にて構成された蒸発器を用いた場合には、円又は楕円環状ではない角などがある環状(例えば矩形環状)の蒸発器を用いる構成と比較して、微量な水が速やかに蒸発器全体に行き渡るため、水を効果的に分散させることが可能となる。
このように構成された本発明においては、ヒーターによって蒸発器の全周を加熱するため、蒸発器全体で均一に水蒸気を発生させることができる。また、固体酸化物型燃料電池装置における低温からの起動時でも、ヒーターで蒸発器を加熱することにより、改質器での改質に必要な水蒸気を蒸発器で適切に発生させることができる。
このように構成された本発明においては、傾斜板に対応する収容容器の外周面上の位置を直接加熱しないため、微量な水が傾斜板を分散している最中に蒸発してしまうことを回避することができる。そのため、蒸発器全体で水蒸気を発生させることを適切に確保することができる。
図1は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置(SOFC)を示す全体構成図である。この図1に示すように、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置(SOFC)1は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。
さらに、燃料電池モジュール2には、燃料電池モジュール2により発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54が接続されている。
図2に示すように、燃料電池セル収容容器8内の空間には、複数の燃料電池セル16が同心円状に配列され、その周囲を取り囲むように燃料流路である燃料ガス供給流路20、排ガス排出流路21、酸化剤ガス供給流路22が順に同心円状に形成されている。ここで、排ガス排出流路21及び酸化剤ガス供給流路22は、酸化剤ガスを供給/排出する酸化剤ガス流路として機能する。
燃焼触媒60は、排ガス排出パイプ58よりも上方に、外側円筒部材66の外周面と内側円筒容器68の内周面の間の円環状の空間に充填された触媒である。排ガス排出流路21を下降した排気ガスは、燃焼触媒60を通過することにより一酸化炭素が除去され、排ガス排出パイプ58から排出される。
シースヒーター61は、燃焼触媒60の下方の、外側円筒部材66の外周面を取り囲むように取り付けられた電気ヒーターである。固体酸化物型燃料電池装置1の起動時において、シースヒーター61に通電することにより、燃焼触媒60が活性温度まで加熱される。
図4は排気集約室の部分を拡大して示す断面図であり、図5は、図2におけるV−V断面である。
図4に示すように、排気集約室18は、各燃料電池セル16の上端部に取り付けられたドーナツ型断面のチャンバーであり、この排気集約室18の中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ74が貫通して延びている。
集約室下部材18bは、上方が開放された円形皿状の部材であり、その中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ74を貫通させるための円筒部が設けられている。
集約室上部材18aは、下方が開放された円形皿状の部材であり、その中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ74を貫通させるための開口部が設けられている。集約室上部材18aは、集約室下部材18bの上方に開口したドーナツ型断面の領域に嵌め込まれる形状に構成されている。
まず、内側円筒部材64と外側円筒部材66の間の空間で構成されている燃料ガス供給流路20の下部には、水蒸気改質用の水を蒸発させるための蒸発部86が設けられている。蒸発部86は、外側円筒部材66の下部内周に取り付けられたリング状の傾斜板86a及び水供給パイプ88から構成されている。また、蒸発部86は、発電用の空気を導入するための酸化剤ガス導入パイプ56よりも下方で、排気ガスを排出する排ガス排出パイプ58よりも上方に配置されている。傾斜板86aは、リング状に形成された金属の薄板であり、その外周縁が外側円筒部材66の内壁面に取り付けられる。一方、傾斜板86aの内周縁は外周縁よりも上方に位置し、傾斜板86aの内周縁と、内側円筒部材64の外壁面との間には隙間が設けられている。
このように、改質部94内に充填された改質触媒96に、改質部94の上流側の燃料ガス供給流路20で混合された原燃料ガス及び水蒸気が接触すると、改質部94内においては、式(1)に示す水蒸気改質反応SRが進行する。
CmHn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (1)
本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池装置1においては、燃料電池セル16として、固体酸化物を用いた円筒横縞型セルが採用されている。各燃料電池セル16上には、複数の単セル16aが横縞状に形成されており、これらが電気的に直列に接続されることにより1本の燃料電池セル16が構成されている。各燃料電池セル16は、その一端がアノード(陽極)、他端がカソード(陰極)となるように構成され、複数の燃料電池セル16のうちの半数は上端がアノード、下端がカソードとなるように配置され、残りの半数は上端がカソード、下端がアノードとなるように配置されている。
多孔質支持体97は、本実施形態においては、フォルステライト粉末、及びバインダーの混合物を押し出し成形し、焼結することにより形成されている。
燃料極層98は、本実施形態においては、NiO粉末及び10YSZ(10mol%Y2O3−90mol%ZrO2)粉末の混合物により構成された導電性の薄膜である。
固体電解質層100は、本実施形態においては、La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3の組成のLSGM粉末により構成された薄膜である。この固体電解質層100を介して酸化物イオンと水素又は一酸化炭素が反応することにより電気エネルギーが生成される。
インターコネクタ層102は、本実施形態においては、SLT(ランタンドープストロンチウムチタネート)により構成された導電性の薄膜である。燃料電池セル16上の隣接する単セル16aはインターコネクタ層102を介して接続される。
電極層103a、103bは、本実施形態においては、燃料極層98と同一の材料で形成されている。
リード膜層104a、104bは、本実施形態においては、固体電解質層100と同一の材料で形成されている。
まず、固体酸化物型燃料電池装置1の起動工程において、燃料ブロア38が起動され、燃料の供給が開始されると共に、シースヒーター61への通電が開始される。シースヒーター61への通電が開始されることにより、その上方に配置された燃焼触媒60が加熱されると共に、内側に配置された蒸発部86も加熱される。燃料ブロア38により供給された燃料は、脱硫器36、熱交換器34、電磁弁35を介して、燃料ガス供給パイプ90から燃料電池セル収容容器8の内部に流入する。流入した燃料は、燃料ガス供給流路20内を上端まで上昇した後、改質部94内を下降し、内側円筒部材64の下部に設けられた小穴64bを通って燃料ガス分散室76に流入する。なお、固体酸化物型燃料電池装置1の起動直後においては、改質部94内の改質触媒96の温度が十分に上昇していないため、燃料の改質は行われない。
2 燃料電池モジュール
10 発電室
20 燃料ガス供給流路(燃料ガス供給通路)
22 酸化剤ガス供給流路(酸化剤ガス供給通路)
61 シースヒーター
64 内側円筒部材
65 中間円筒部材
66 外側円筒部材(収容容器)
86 蒸発部(蒸発器)
86a 傾斜板(毛細管現象発生部)
88 水供給パイプ(水供給部)
90 燃料ガス供給パイプ
94 改質部(改質器)
94a 仕切り部材
96 改質触媒
110 混合板
110a 連通孔
111 混合板
111a 連通孔
112 分散板
112a 連通孔
113 分散板
113a 連通孔
201 第1の下部第2混合室
202 第2の下部第2混合室
203 上部第2混合室
204 第1混合室
Claims (5)
- 燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して反応させることにより発電する固体酸化物型燃料電池装置であって、
互いに電気的に接続された複数の燃料電池セルと、
上記複数の燃料電池セルを収容する収容容器と、
上記酸化剤ガスを上記複数の燃料電池セルに供給する酸化剤ガス供給通路と、
上記燃料ガスを上記複数の燃料電池セルに供給する燃料ガス供給通路と、
上記燃料ガス供給通路内に設けられ、水蒸気により原燃料ガスを改質して上記燃料ガスを生成する改質器と、
上記改質器に供給する水蒸気を生成する蒸発器と、
上記蒸発器に蒸発させる水を供給する水供給部と、を有し、
上記蒸発器は、当該蒸発器の垂直方向に延在する内壁面に対する角度が鋭角となるように当該内壁面に固定された傾斜板を備え、上記水供給部から供給された水が、これら傾斜板と内壁面とにより形成された間隙を毛細管現象によって水平方向に移動するように構成されていることを特徴とする固体酸化物型燃料電池装置。 - 更に、上記蒸発器の上方に位置し、下方から供給される水蒸気と原燃料ガスとを混合する混合室を有し、
上記蒸発器は、水及び原燃料ガスが供給される位置と蒸発器の中心軸を挟んで対向する反対側の位置から、水蒸気及び原燃料ガスを上記混合室に対して供給する請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池装置。 - 上記収容容器は、円又は楕円環状の内部空間を形成するように構成され、
上記傾斜板は、円又は楕円環状に形成され、上記内部空間の内周面全体に渡って設けられている請求項2に記載の固体酸化物型燃料電池装置。 - 上記収容容器の外周面上で、且つ上記蒸発器と対応する位置の周囲全体に設けられた、円又は楕円環状のヒーターを更に備える請求項3に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
- 上記ヒーターは、上記毛細管現象発生部の上方に設けられている請求項4に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
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