JP6356480B2 - Hot module - Google Patents
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Description
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行う燃料電池セルスタックを収容したホットモジュールに関する。 The present invention relates to a hot module that houses a fuel cell stack that generates power with fuel gas and oxidant gas.
燃料電池セルスタックを収容したホットモジュールとして、特許文献1〜4に開示されているものがある。 There are some which are indicated by patent documents 1-4 as a hot module which stored a fuel cell stack.
ホットモジュールには、燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行う発電セルを積層した燃料電池セルスタックが収容されている。発電セルでは燃料ガスと酸化剤ガスとが反応することで発電する際に電気と共に熱を発生する。燃料電池セルスタックは、部位によって温度が異なる場合がある。例えば、燃料電池セルスタックの上下方向中央部は、上部及び下部に比較して熱がこもり易いため、燃料電池セルスタックの上部及び下部に比較して高温となる場合がある。 The hot module contains a fuel cell stack in which power generation cells that generate power with fuel gas and oxidant gas are stacked. In the power generation cell, the fuel gas and the oxidant gas react to generate heat together with electricity when generating power. The temperature of the fuel cell stack may vary depending on the part. For example, the central part in the vertical direction of the fuel cell stack is likely to have a higher temperature than the upper part and the lower part of the fuel cell stack.
発電セルが必要以上に高温となるとセルが劣化したり、発電セルの耐久性が低下する。このため、燃料電池セルスタックの中央部が必要以上に高温とならないように冷却する必要があるが、従来技術に開示されているホットモジュールは、燃料電池セルスタックの中央部を優先的に冷却することができず、燃料電池セルスタックの温度が低下しがちな下部または上部の温度を下げてしまう場合があり、改善の余地があった。 When the temperature of the power generation cell becomes higher than necessary, the cell deteriorates or the durability of the power generation cell decreases. For this reason, it is necessary to cool the central portion of the fuel cell stack so that it does not become unnecessarily high. However, the hot module disclosed in the prior art preferentially cools the central portion of the fuel cell stack. In some cases, the temperature of the lower or upper portion where the temperature of the fuel cell stack tends to decrease may be lowered, and there is room for improvement.
本発明は、上記事実を考慮して、燃料電池セルスタックの最も高温となる部分を優先的に冷却することのできるホットモジュールを提供することを目的とする。 In view of the above facts, an object of the present invention is to provide a hot module that can preferentially cool the portion of the fuel cell stack that is at the highest temperature.
請求項1に記載のホットモジュールは、燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行う発電セルを積層した燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックで生じる発電反応熱を用いて改質反応により原料ガスから前記燃料ガスを得て前記発電セルに供給する改質器と、前記燃料電池セルスタックの水平方向の側部全体に対向するように前記燃料電池セルスタックの周囲に配置され、前記燃料電池セルスタックの最も高温となる部分と対向する位置に冷媒を流入する流入部を備え、前記流入部から前記燃料電池セルスタックの温度の低い部分と対向する位置に向けて前記冷媒を流す通路を備えた吸熱装置と、前記燃料電池セルスタック、前記改質器、及び前記吸熱装置を収納する収納容器と、を有する。 The hot module according to claim 1 is a fuel cell stack in which power generation cells that generate power with fuel gas and oxidant gas are stacked, and a raw material by a reforming reaction using power generation reaction heat generated in the fuel cell stack. A reformer that obtains the fuel gas from gas and supplies the fuel gas to the power generation cell, and is disposed around the fuel cell stack so as to face the entire horizontal side portion of the fuel cell stack, and the fuel cell An inflow portion for injecting a refrigerant at a position facing the highest temperature portion of the cell stack, and a passage through which the refrigerant flows from the inflow portion to a position facing a low temperature portion of the fuel cell stack An endothermic device, and the fuel cell stack, the reformer, and a storage container for storing the endothermic device.
請求項1に記載のホットモジュールでは、発電セルにて燃料ガスと酸化剤ガスとで発電が行われ、発電セルが発熱する。 In the hot module according to the first aspect, the power generation cell generates power with the fuel gas and the oxidant gas, and the power generation cell generates heat.
吸熱装置の流入部から通路内に冷媒を流入させると、冷媒は、燃料電池セルスタックの最も高温となる部分と対向する位置に最初に流入し、その後、燃料電池セルスタックの温度の低い部分と対向する位置に流れるため、燃料電池セルスタックの最も高温となる部分と対向する位置において、燃料電池セルスタックから放射された輻射熱を最も効率的に吸収することができる。 When the refrigerant is caused to flow into the passage from the inflow portion of the heat absorbing device, the refrigerant first flows into a position opposite to the portion having the highest temperature of the fuel cell stack, and then the portion having the lower temperature of the fuel cell stack. Since it flows in the position which opposes, the radiation heat radiated | emitted from the fuel cell stack can be absorbed most efficiently in the position which opposes the part which becomes the highest temperature of a fuel cell stack.
なお、吸熱装置において、燃料電池セルスタックの温度の低い部分と対向する位置の通路を流れる冷媒は、流入部付近を流れる冷媒よりも温度が高くなるため冷却効率は低下するが、燃料電池セルスタックの温度の低い部分における冷却能力は不足しない。 In the heat absorption device, the refrigerant flowing through the passage at the position facing the low temperature portion of the fuel cell stack has a higher temperature than the refrigerant flowing in the vicinity of the inflow portion, and thus the cooling efficiency is reduced. However, the fuel cell stack There is no shortage of cooling capacity in the low temperature part.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のホットモジュールにおいて、前記流入部は、前記燃料電池セルスタックの最も高温となる上下方向の中央部と対向する位置に設けられており、前記通路は、前記流入部から前記燃料電池セルスタックの上部と対応する位置、及び前記流入部から前記燃料電池セルスタックの下部と対向する位置に向けて前記冷媒を流す。 According to a second aspect of the present invention, in the hot module according to the first aspect, the inflow portion is provided at a position facing a central portion in the vertical direction that is the highest temperature of the fuel cell stack, The passage allows the refrigerant to flow from the inflow portion to a position corresponding to the upper portion of the fuel cell stack, and from the inflow portion to a position facing the lower portion of the fuel cell stack.
発電セルが積層された燃料電池セルスタックにおいては、上下方向の中央部に熱がこもり易く、上部、及び下部よりも上下方向の中央部が熱くなり易い。 In a fuel cell stack in which power generation cells are stacked, heat tends to be trapped in the central part in the vertical direction, and the central part in the vertical direction tends to be hotter than the upper part and the lower part.
請求項2に記載のホットモジュールでは、吸熱装置の流入部から通路内に冷媒を流入させると、冷媒は、燃料電池セルスタックの上下方向の中央部と対向する位置に最初に流入し、その後、燃料電池セルスタックの上部と対向する位置、及び燃料電池セルスタックの下部と対向する位置に流れるため、燃料電池セルスタックの上下方向の中央部と対向する位置において、燃料電池セルスタックから放射された輻射熱を最も効率的に吸収することができる。 In the hot module according to claim 2, when the refrigerant is caused to flow into the passage from the inflow portion of the heat absorbing device, the refrigerant first flows into a position facing the central portion in the vertical direction of the fuel cell stack, and then Since it flows to a position facing the upper part of the fuel cell stack and a position facing the lower part of the fuel cell stack, it is emitted from the fuel cell stack at a position facing the center in the vertical direction of the fuel cell stack. The radiant heat can be absorbed most efficiently.
なお、吸熱装置において、燃料電池セルスタックの上部、及び下部と対向する位置の通路を流れる冷媒は、流入部付近を流れる冷媒よりも温度が高くなるため冷却効率は低下するが、燃料電池セルスタックの上部、及び下部の温度は中央部の温度に比較して低いため、燃料電池セルスタックの上部、及び下部の冷却能力は不足しない。 In the heat absorption device, the refrigerant flowing through the passages at the positions facing the upper and lower portions of the fuel cell stack has a higher temperature than the refrigerant flowing in the vicinity of the inflow portion, and thus the cooling efficiency is reduced. However, the fuel cell stack Since the temperature of the upper part and the lower part of the fuel cell is lower than the temperature of the central part, the cooling capacity of the upper part and the lower part of the fuel cell stack is not insufficient.
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載のホットモジュールにおいて、前記通路は、前記流入部を備え前記燃料電池セルスタックの上下方向中央部と対向する位置を1周する中央通路と、前記中央通路の下流側端部に接続され前記中央通路の上側に配置されて前記燃料電池セルスタックの上部と対向する位置を周回する上側通路と、前記中央通路の下流側端部に接続され前記中央通路の下側に配置されて前記燃料電池セルスタックの下部と対向する位置を周回する下側通路と、を備えている。 According to a third aspect of the present invention, in the hot module according to the second aspect, the passage includes a central passage that includes the inflow portion and makes a round around a position facing the central portion in the vertical direction of the fuel cell stack; An upper passage that is connected to the downstream end of the central passage and is disposed on the upper side of the central passage and circulates at a position facing the upper portion of the fuel cell stack, and is connected to the downstream end of the central passage and A lower passage that is disposed below the central passage and circulates in a position facing the lower portion of the fuel cell stack.
請求項3に記載のホットモジュールでは、燃料電池セルスタックの上下方向の中央部から放射される輻射熱を、燃料電池セルスタックの上下方向中央部と対向する位置で1周する中央通路の冷媒で効果的に吸収することができる。また、燃料電池セルスタックの上部から放射される輻射熱は、上側通路の冷媒で吸収することができ、燃料電池セルスタックの下部から放射される輻射熱は下側通路に流れる冷媒で吸収することができる。 In the hot module according to claim 3, the radiant heat radiated from the central portion in the vertical direction of the fuel cell stack is effective with the refrigerant in the central passage that makes one round at a position facing the vertical central portion of the fuel cell stack. Can be absorbed. The radiant heat radiated from the upper part of the fuel cell stack can be absorbed by the refrigerant in the upper passage, and the radiant heat radiated from the lower part of the fuel cell stack can be absorbed by the refrigerant flowing in the lower passage. .
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載のホットモジュールにおいて、前記上側通路、及び前記下側通路は、前記燃料電池セルスタックの周りを螺旋状に複数周回している。 According to a fourth aspect of the present invention, in the hot module according to the third aspect, the upper side passage and the lower side passage are spirally wound around the fuel cell stack.
上側通路、及び下側通路は燃料電池セルスタックの周囲を螺旋状に複数周回しているため、上下方向に長い燃料電池セルスタックから放射される輻射熱を効果的に吸収することが出来る。 Since the upper passage and the lower passage are spirally wound around the fuel cell stack, the radiant heat radiated from the fuel cell stack that is long in the vertical direction can be effectively absorbed.
請求項5に記載の発明は、請求項1〜請求項4の何れか1項に記載のホットモジュールにおいて、前記吸熱装置は、前記燃料電池セルスタックの周囲を囲む内壁と、前記内壁の外側に配置されて前記内壁を囲む外壁との間に前記通路が設けられている。 According to a fifth aspect of the present invention, in the hot module according to any one of the first to fourth aspects, the heat absorption device includes an inner wall surrounding the fuel cell stack and an outer side of the inner wall. The passage is provided between the outer wall which is arranged and surrounds the inner wall.
請求項5に記載のホットモジュールでは、燃料電池セルスタックから放射される輻射熱を吸熱装置の内壁の面で受けるため、受熱面積を大きくとることができる。 In the hot module according to the fifth aspect, since the radiant heat radiated from the fuel cell stack is received by the surface of the inner wall of the heat absorbing device, the heat receiving area can be increased.
請求項6に記載の発明は、請求項1〜請求項5の何れか1項に記載のホットモジュールにおいて、前記吸熱装置は、前記燃料電池セルスタックと対向する面に輻射熱を吸収する熱吸収層が設けられている。 A sixth aspect of the present invention is the hot module according to any one of the first to fifth aspects, wherein the heat absorption device absorbs radiant heat on a surface facing the fuel cell stack. Is provided.
請求項6に記載のホットモジュールでは、吸熱装置の燃料電池セルスタックと対向する面に熱吸収層が設けられているため、熱吸収層が設けられていない場合に比較して燃料電池セルスタックからの輻射熱を効率的に吸収することができる。 In the hot module according to claim 6, since the heat absorption layer is provided on the surface of the heat absorption device facing the fuel cell stack, the fuel cell stack is separated from the case where the heat absorption layer is not provided. Can be efficiently absorbed.
請求項7に記載の発明は、請求項6に記載のホットモジュールにおいて、前記吸熱装置は前記燃料電池セルスタックと対向する部分が金属で形成され、前記熱吸収層は前記金属の表面に形成された酸化皮膜である。 According to a seventh aspect of the present invention, in the hot module according to the sixth aspect, the heat absorbing device is formed of a metal facing a portion of the fuel cell stack, and the heat absorption layer is formed on a surface of the metal. Oxide film.
熱吸収層を酸化皮膜としたので、金属を加熱するだけで金属表面に熱吸収層を簡単に形成できる。 Since the heat absorption layer is an oxide film, the heat absorption layer can be easily formed on the metal surface simply by heating the metal.
請求項8に記載の発明は、請求項1〜請求項7の何れか1項に記載のホットモジュールにおいて、前記冷媒は、前記発電セルに供給する前の酸化剤ガスである。 The invention according to claim 8 is the hot module according to any one of claims 1 to 7, wherein the refrigerant is an oxidant gas before being supplied to the power generation cell.
請求項8に記載のホットモジュールでは、発電セルに供給する前の酸化剤ガスを吸熱装置で余熱することができる。 In the hot module according to the eighth aspect, the oxidant gas before being supplied to the power generation cell can be preheated by the heat absorption device.
以上説明したように、請求項1に記載のホットモジュールによれば、燃料電池セルスタックの最も高温となる部分を優先的に冷却することができる、という優れた効果を有する。
請求項2に記載のホットモジュールによれば、燃料電池セルスタックの中央部を優先的に冷却することができる。
請求項3に記載のホットモジュールによれば、上側通路と下側通路とを用いることで、燃料電池セルスタックの上部分の熱と下部分の熱を各々同一条件で効率的に吸収することができる。
請求項4に記載のホットモジュールによれば、燃料電池セルスタックの外周に沿って途切れなく熱を吸収することができる。
請求項5に記載のホットモジュールによれば、内壁によって効率的に熱を吸収することができる。
請求項6に記載のホットモジュールによれば、効率的に熱を吸収することができる。
請求項7に記載のホットモジュールによれば、熱吸収層を金属の酸化皮膜としたので、熱に強く、耐久性に優れた熱吸収層となる。
請求項8に記載のホットモジュールによれば、酸化剤ガスを余熱する装置を別途必要としないため、部品点数の増加を抑えることができる。
As described above, the hot module according to claim 1 has an excellent effect of preferentially cooling the portion of the fuel cell stack that has the highest temperature.
According to the hot module of the second aspect, the central portion of the fuel cell stack can be preferentially cooled.
According to the hot module of claim 3, by using the upper passage and the lower passage, the heat of the upper part and the heat of the lower part of the fuel cell stack can be efficiently absorbed under the same conditions. it can.
According to the hot module of the fourth aspect, heat can be absorbed without interruption along the outer periphery of the fuel cell stack.
According to the hot module of the fifth aspect, heat can be efficiently absorbed by the inner wall.
According to the hot module of the sixth aspect, heat can be efficiently absorbed.
According to the hot module of the seventh aspect, since the heat absorption layer is a metal oxide film, the heat absorption layer is strong against heat and excellent in durability.
According to the hot module of the eighth aspect, since no separate device for preheating the oxidant gas is required, an increase in the number of parts can be suppressed.
以下、本発明を実施するための形態を図面に基づき説明する。
(ホットモジュールの全体構成)
図1に示すように、燃料電池システム8のホットモジュール10は、箱状の断熱容器12を備えており、断熱容器12の内部には、燃料電池セルスタック14、気化器15、改質器16、第1熱交換器18A、第2熱交換器18B、第3熱交換器18C等が収容されている。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
(Overall configuration of hot module)
As shown in FIG. 1, the
燃料電池セルスタック14は、例えば、平板状の発電セルを上下方向に複数集積して立方体状に形成したものである。発電セルは、アノード、カソード、電解質等を備え、電気化学的反応により燃料ガスと酸化剤ガスとから電気を生成する固体酸化物燃料電池として周知の構造のものである。なお、燃料電池セルスタック14は、本実施形態の構造に限らず、固体高分子形燃料電池、りん酸形燃料電池、アルカリ電解質形燃料電池、溶融炭酸塩方燃料電池等、公知の他の構造、他の形状のものであっても良い
The
気化器15は、外部より供給された水を後述する排ガスの熱で気化して水蒸気を生成する。改質器16は、外部より供給された原料ガス(例えば、都市ガス)と、気化器15で生成された水蒸気とを混合して後述する排ガスの熱を付与し、原料ガスを水蒸気改質法によって改質して水素を含んだ燃料ガスを生成する。
The
図2に示すように、第1熱交換器18A、第2熱交換器18Bは、外部より供給された空気を後述する排気管58を通る排ガスの熱H1で加熱する。また、第3熱交換器18Cは、燃料電池セルスタック14からの輻射熱H2を吸収して燃料電池セルスタック14へ供給する空気を加熱する。
As shown in FIG. 2, the
ホットモジュール10の外部には、空気を送風するブロア20が設けられており、ブロア20の空気出口には、空気配管22を介して分岐24に接続され、分岐24は、第1バルブ26を備えた空気配管28を介して第1熱交換器18Aの空気流入口に接続され、第2バルブ30を備えた空気配管32を介して第2熱交換器18Bの空気流入口に接続され、第3バルブ34を備えた空気配管36を介して第3熱交換器18Cの空気流入口に接続されている。
A
ブロア20から送風された空気は、第1バルブ26、第2バルブ30、及び第3バルブ34の開閉により、第1熱交換器18Aと第2熱交換器18Bと第3熱交換器18Cとを通過して予熱された状態で燃料電池セルスタック14に供給される場合、第2熱交換器18Bと第3熱交換器18Cとを通過して予熱された状態で燃料電池セルスタック14に供給される場合、及び第3熱交換器18Cのみを通過して予熱された状態で燃料電池セルスタック14に供給される場合とがある。
The air blown from the
第1熱交換器18Aの空気排出口と第2熱交換器18Bの空気流入口とは空気配管38を介して接続され、第2熱交換器18Bの空気排出口と第3熱交換器18Cの空気流入口とは空気配管40を介して接続されている。また、第3熱交換器18Cの空気排出口と燃料電池セルスタック14の空気流入口とは空気配管42を介して接続されている。
The air outlet of the
ホットモジュール10は、断熱容器12の外部より供給される原料ガスを改質器16に供給するガス配管44と、断熱容器12の外部より供給される水を気化器15に供給する水配管46を備えている。水配管46は気化器15の流入口に接続されている。また、気化器15の排出口には水配管48の一端部が接続されている。
The
ガス配管44と水配管48は分岐50に接続され、分岐50は配管52を介して改質器16の流入口に接続されている。改質器16では、気化器15で生成された水蒸気と外部から供給された原料ガスとが供給されて加熱されることで、水素を含んだ燃料ガス(改質ガス)が生成される。
The
改質器16のガス排出口と燃料電池セルスタック14のガス流入口とはガス配管54を介して接続されている。図1に示すように、燃料電池セルスタック14の上部には、燃料電池セルスタック14から排出されたオフガスと空気とが供給される燃焼部56が設けられている。本実施形態の燃焼部56では、拡散燃焼が行われる。
The gas outlet of the
図2に示すように、燃焼部56で生成された排ガスは、排気管58を介して断熱容器12の外部に排出されるが、排気管58は断熱容器12から外部へ排出されるまでの間に、改質器16、気化器15、第2熱交換器18B、及び第1熱交換器18Aの順に接触して、排ガスの熱H1を改質器16、気化器15、第2熱交換器18B、及び第1熱交換器18Aに順に付与することができる。
As shown in FIG. 2, the exhaust gas generated in the
(第3熱交換器)
図1、及び図3に示すように、断熱容器12の内部には、燃料電池セルスタック14の水平方向の周囲を囲むように形成された第3熱交換器18Cが配置されている。第3熱交換器18Cは、4枚のステンレス板で平面視で矩形に形成された内壁120と、内壁120の外側に間隔を開けて配置される4枚のステンレス板で形成された外壁122とを備えている。内壁120の上端と外壁122の上端と間に形成される角枠状の開口部分はステンレス板で角枠状に形成された上蓋124で塞がれている。また、内壁120の下端と外壁122の下端との間に形成される角枠状の開口部分はステンレス板で角枠状に形成された下蓋126で塞がれている。これにより、第3熱交換器18Cには、内壁120、外壁122、上蓋124、及び下蓋126との間に密閉された内部空間128が形成されている。
(Third heat exchanger)
As shown in FIGS. 1 and 3, a
内壁120は、燃料電池セルスタック14から放射される輻射熱を効率的に吸収するために燃料電池セルスタック14の側面と対向する面に熱吸収層(図示せず)が設けられている。本実施形態の熱吸収層は、ステンレスの表面を酸化させた青黒い酸化皮膜である。
The
外壁122と内壁120との間には、ステンレス板からなる角枠状に形成された通路隔壁130、132、134、136が上方に向けて間隔を開けて順番に配置されている。
通路隔壁130、132、134、136の内周部は内壁120に密着固定され、通路隔壁130、132、134、136の外周部は外壁122に密着固定されている。このため、内部空間128は、これらの通路隔壁130、132、134、136によって上下方向に5分割されており、下蓋126と通路隔壁130との間が第1通路138、通路隔壁130と通路隔壁132との間が第2通路140、通路隔壁132と通路隔壁134との間が第3通路142、通路隔壁134と通路隔壁136との間が第4通路144、通路隔壁136と上蓋124との間が第5通路146とされている。
Between the
The inner peripheral portions of the
第1通路138、第2通路140、第3通路142、第4通路144、及び第5通路146は、内壁120の周囲を略1周しており、第1通路138の長手方向の一端部と他端部との間には仕切壁148が設けられ、第2通路140の長手方向の一端部と他端部との間には仕切壁150が設けられ、第3通路142の長手方向の一端部と他端部との間には仕切壁152が設けられ、第4通路144の長手方向の一端部と他端部との間には仕切壁154が設けられ、第5通路146の長手方向の一端部と他端部との間には仕切壁156が設けられ、各通路の長手方向一端部と他端部とが仕切壁を介して隣接している。
The
第3熱交換器18Cの上下方向中間部に対向する第3通路142は、長手方向一端部に外壁122に形成された空気流入口158を備えている。この空気流入口158には空気配管42が接続されている。この第3通路142は、燃料電池セルスタック14の上下方向中間部と対向する位置に配置されている。
The
第3熱交換器18Cの長手方向他端部は、通路隔壁132に形成された開口160を介して第2通路140の長手方向一端部に接続されると共に、通路隔壁134に形成された開口162を介して第4通路144の長手方向一端部と接続されている。
The other end portion in the longitudinal direction of the
第2通路140の長手方向他端部は、通路隔壁130に形成された開口164を介して第1通路138の一端部に接続されている。第1通路138の長手方向他端部は、外壁122に形成された下部空気排出口166を備えている。
The other end in the longitudinal direction of the
また、第4通路144の長手方向他端部は、通路隔壁136に形成された開口168を介して第5通路146の一端部に接続されている。第5通路146の長手方向他端部は、外壁122に形成された上部空気排出口170を備えている。なお、下部空気排出口166、及び上部空気排出口170は、図2に示すように、配管172を介して燃焼部56と接続されている。
The other end in the longitudinal direction of the
以上のように構成された第3熱交換器18Cでは、空気流入口158から空気を流入させると、空気は第3通路142を通過して燃料電池セルスタック14を1周し、その後、燃料電池セルスタック14の下部(下側部)と対向する位置を2周するように第2通路140、第1通路138を通過して下部空気排出口166から排出されると共に、燃料電池セルスタック14の上部(上側部)と対向する位置を2周するように第4通路144、第5通路146を通過して上部空気排出口170から排出される。
In the
第3熱交換器18Cでは、第3通路142から上方、及び下方に向けて螺旋状に通路が形成されており、空気流入口158から流入した空気は、第3熱交換器18Cの内部を上方に向けて螺旋状に流れると共に、下方に向けて螺旋状に流れる。
In the
(作用)
次に、本実施形態の作用を説明する。
ブロア20から送風された空気(酸化剤ガス)は、第1熱交換器18A、第2熱交換器18B、及び第3熱交換器18Cを通過して予熱されて燃料電池セルスタック14に供給される。
一方、外部より供給された水は気化器15で水蒸気とされ、改質器16は、外部より供給されたガスと、気化器15で生成された水蒸気とが混合され、排ガスの熱が付与されて燃料ガスに改質されて燃料電池セルスタック14に供給される。
(Function)
Next, the operation of this embodiment will be described.
Air (oxidant gas) blown from the
On the other hand, water supplied from the outside is converted into water vapor by the
燃料電池セルスタック14の各発電セルに燃料ガスと空気とが供給されると、発電セルは発電をすると共に発熱する。燃料電池セルスタック14は、発電セルが複数積層されて立法体形状に形成されているため、燃料電池セルスタック14の中央部の熱は外部に放出され難く、中央部に熱がこもるため上下方向中央部が上下方向両端部よりも高温となり易い。
When fuel gas and air are supplied to each power generation cell of the
第3熱交換器18Cでは、空気流入口158から空気が導入され、燃料電池セルスタック14の上下方向中間部に対向する第3通路142から空気が導入され、その後、第2通路140、第1通路138を介して燃料電池セルスタック14へ供給されると共に、第4通路144、第5通路146を介して燃料電池セルスタック14へ供給される。これによって燃料電池セルスタック14の上下方向中間部を優先的に冷却することができる。
In the
また、本実施形態の第3熱交換器18Cは、燃料電池セルスタック14と対向する内壁120の表面に、燃料電池セルスタック14からの輻射熱を吸収する熱吸収層が設けられているため、熱吸収層が設けられていない場合に比較して輻射熱を効率的に吸収することができ、燃料電池セルスタック14を効率的に吸収することができる。本実施形態の熱吸収層は、ステンレスの酸化皮膜としたので、簡単に形成でき、また、熱に強く、耐久性にも優れている。
Further, the
このように、本実施形態のホットモジュール10では、燃料電池セルスタック14の中でも最も高温となる上下方向中間部を優先的に冷却できるので、上下方向中間部の発電セルが上下方向両端部よりも高温となって上下方向中間部の発電セルが劣化することが抑えられ、発電セルの耐久性を向上できる。
As described above, in the
なお、第3熱交換器18Cにおいて、燃料電池セルスタック14の上部、及び下部と対向する位置の通路(第1通路138、第2通路140、第4通路144、第5通路146)を流れる冷媒は、第3通路142を流れる冷媒よりも温度が高くなるため冷却効率は低下するが、燃料電池セルスタック14の上部、及び下部の温度は中央部の温度に比較して低いため、燃料電池セルスタック14の上部、及び下部の冷却能力は不足しない。
In the
燃料電池セルスタック14の中で高温となる上下方向中間部を優先的に冷却することにより、燃料電池セルスタック14の上下方向中央部と上下方向両端部との温度差を少なくすることができ、各発電セルの発電能力を均一化して効率的な発電を行うことができる。
By preferentially cooling the vertical middle portion that is high in the
(その他の実施形態)
上記実施形態の第3熱交換器18Cでは、燃料電池セルスタック14を周回する通路が上下方向に5段形成されていたが、本発明はこれに限らず、通路の段数は4段以下であっても良く、5段以上であっても良い。また、第3熱交換器18Cは、長手方向全体が水平方向に対して傾斜した単一の螺旋状の通路が形成されていても良い。この場合、通路の上下方向中央部から空気を流入し、螺旋状の通路の上端、及び下端から空気を排出すれば良い。単一の螺旋状の通路としては、例えば、丸パイプ、角パイプ等を螺旋状に曲げ加工したものを挙げることができる。
(Other embodiments)
In the
上記実施形態では、燃料電池セルスタック14を冷却するために燃料電池セルスタック14に供給する空気を用いたが、本発明はこれに限らず、燃料電池セルスタック14に供給する空気以外の冷媒を用いても良い。
In the above embodiment, air supplied to the
例えば、水を加熱する気化器15を第3熱交換器18Cと同様の構造に形成して燃料電池セルスタック14の周囲に配置し、燃料電池セルスタック14の輻射熱を水に吸収させて燃料電池セルスタック14を冷却しても良い。
For example, the
また、改質器16を第3熱交換器18Cと同様の構造に形成して燃料電池セルスタック14の周囲に配置し、燃料電池セルスタック14の輻射熱を水蒸気とガスとの混合気体に吸収させて燃料電池セルスタック14を冷却しても良い。
Further, the
また、第2熱交換器18Bの空気流出口と燃料電池セルスタック14の空気流入口とを空気配管40を介して接続し、第3熱交換器18Cには水道水を供給して、燃料電池セルスタック14の輻射熱で加熱した水道水を給湯に利用しても良い。
In addition, the air outlet of the
上記実施形態では、熱吸収層として、酸化皮膜を用いたが、本発明はこれに限らず、輻射熱の吸収率を高めるものであれば、熱吸収層は酸化皮膜に限らず、内壁120を構成する材料よりも輻射熱を吸収し易い金属(例えば銅等)、酸化皮膜以外のコーティング等の公知のものを用いることができる。なお、熱吸収層は黒体に近いものが好ましい。
In the above embodiment, an oxide film is used as the heat absorption layer. However, the present invention is not limited to this, and the heat absorption layer is not limited to the oxide film, and constitutes the
なお、本実施形態の燃料電池システム8は、第1バルブ26、第2バルブ30、及び第3バルブ34を調整して第3熱交換器18Cに供給する空気の熱交換量を調整して燃料電池セルスタック14の温度を制御することもできる。
In the fuel cell system 8 of the present embodiment, the
上記実施形態では、燃料電池セルスタック14の中で上下方向中間部が最も高温となる場合を例として上げたが、燃料電池セルスタック14の構成、及びその周辺機器の配置等によっては、最も高温となる部分が燃料電池セルスタック14の上下方向中間部ではない場合(例えば、上下方向中間部よりも上側、または下側が最も高温となる場合)も考えられる。その場合には、燃料電池セルスタック14の中で最も高温となる部分と対向する位置に空気流入口158を配置し、最も高温となる部分を優先的に冷却すれば良い。
また、高温となる部分が複数ある場合には、高温部分毎に空気流入口158を複数設けても良い。
In the above embodiment, the case where the middle part in the vertical direction becomes the highest temperature in the
In addition, when there are a plurality of high temperature portions, a plurality of
以上、本発明の一例について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。 Although an example of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. .
10 ホットモジュール
12 断熱容器
14 燃料電池セルスタック
16 改質器
18C 第3熱交換器(吸熱装置)
120 内壁
122 外壁
138 第1通路(下側通路)
140 第2通路(下側通路)
142 第3通路(中央通路)
144 第4通路(上側通路)
146 第5通路(上側通路)
158 空気流入口(流入部)
DESCRIPTION OF
120
140 Second passage (lower passage)
142 3rd passage (central passage)
144 4th passage (upper passage)
146 5th passage (upper passage)
158 Air inlet (inlet)
Claims (8)
前記燃料電池セルスタックで生じる発電反応熱を用いて改質反応により原料ガスから前記燃料ガスを得て前記発電セルに供給する改質器と、
前記燃料電池セルスタックの水平方向の側部全体に対向するように前記燃料電池セルスタックの周囲に配置され、前記燃料電池セルスタックの最も高温となる部分と対向する位置に冷媒を流入する流入部を備え、前記流入部から前記燃料電池セルスタックの温度の低い部分と対向する位置に向けて前記冷媒を流す通路を備えた吸熱装置と、
前記燃料電池セルスタック、前記改質器、及び前記吸熱装置を収納する収納容器と、を有するホットモジュール。 A fuel cell stack in which power generation cells that generate power with fuel gas and oxidant gas are stacked;
A reformer that obtains the fuel gas from a raw material gas by a reforming reaction using power generation reaction heat generated in the fuel cell stack and supplies the fuel gas to the power generation cell;
An inflow portion that is arranged around the fuel cell stack so as to face the entire horizontal side portion of the fuel cell stack and into which a refrigerant flows into a position facing the highest temperature portion of the fuel cell stack An endothermic device comprising a passage through which the refrigerant flows from the inflow portion toward a position facing a low temperature portion of the fuel cell stack,
The fuel cell stack, the reformer, and the hot module having a container, a housing the endothermic device.
前記通路は、前記流入部から前記燃料電池セルスタックの上部と対応する位置、及び前記流入部から前記燃料電池セルスタックの下部と対向する位置に向けて前記冷媒を流す、請求項1に記載のホットモジュール。 The inflow portion is provided at a position facing the central portion in the vertical direction that is the highest temperature of the fuel cell stack,
2. The passage according to claim 1, wherein the refrigerant flows from the inflow portion to a position corresponding to an upper portion of the fuel cell stack, and from the inflow portion to a position facing a lower portion of the fuel cell stack. Hot module.
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