JP6462290B2 - Fuel cell module and fuel cell device - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell module and a fuel cell device.
近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス(水素含有ガス)と酸素含有ガス(空気)とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや、燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置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 module in which a fuel cell capable of obtaining electric power using a fuel gas (hydrogen-containing gas) and an oxygen-containing gas (air) is stored in a storage container, or a fuel cell Various fuel cell devices in which a module is housed in an outer case have been proposed (see, for example, Patent Document 1).
このような燃料電池モジュールにおいては、燃料電池セルを複数個配列してなるセルスタックが、該燃料電池セルに燃料ガスを供給するマニホールドに固定されているとともに、燃料電池セルに供給する燃料ガスを水蒸気改質にて生成するための改質器が配置されてなるセルスタック装置が、収納容器内に収納されている。 In such a fuel cell module, a cell stack formed by arranging a plurality of fuel cells is fixed to a manifold that supplies fuel gas to the fuel cells, and the fuel gas to be supplied to the fuel cells is reduced. A cell stack device in which a reformer for generating by steam reforming is disposed is accommodated in a storage container.
そして、このような改質器は、例えばセルスタックの上方に配置される例や(例えば、特許文献1参照。)、複数のセルスタックの間に配置されている例(例えば、特許文献2参照。)が知られている。
Such a reformer is, for example, disposed above the cell stack (for example, see Patent Document 1), or disposed between a plurality of cell stacks (for example, see Patent Document 2). Is known).
ところで、上記特許文献1のように改質器をセルスタックの上方にのみ配置している場合には、燃料電池装置の運転時に、燃料利用率の高い運転を行なうと、余剰の燃料ガスの量が少なく、十分な改質反応を行なうことができないという問題があった。 By the way, when the reformer is disposed only above the cell stack as in Patent Document 1, if the fuel cell device is operated at a high fuel utilization rate, the amount of excess fuel gas is increased. There is a problem that the reforming reaction cannot be performed sufficiently.
それゆえ、上記特許文献2においては、セルスタックの上方に配置された改質器に加えて、セルスタック間にも改質器を配置することが提案されているが、特許文献2に記載のセルスタック間に配置された改質器では、燃料ガスが燃料電池セルの立設方向(上下方向)を流れる構成とされているため、改質効率の点で改善の余地があり、ひいては発電効率の点で改善の余地があった。
Therefore, in the above-mentioned
そこで、本発明の目的は、改質効率を向上し、ひいては発電効率を改善した燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a fuel cell module and a fuel cell device that have improved reforming efficiency and thus improved power generation efficiency.
本発明の燃料電池モジュールは、収納容器内に、複数の燃料電池セルと、該燃料電池セルの下端を固定するとともに、前記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備えるセルスタック装置と、原燃料を改質して前記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を備え、該改質器は、該セルスタック装置の上方に配置され、前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成する第1改質器と、前記第1改質器と接続され、前記セルスタック装置の前記燃料電池セルの配列方向に沿った側面側に配置され、前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成する第2改質器とを備え、前記第1改質器および前記第2改質器は、前記燃料ガスが前記燃料電池セルの配列方向に沿って流れる流路を備えているとともに、前記第2改質器は、前記燃料電池セルの上端より低い位置に配置されていることを特徴とする。
A fuel cell module according to the present invention includes a plurality of fuel cells and a manifold for fixing a lower end of the fuel cells and supplying a fuel gas to the fuel cells in a storage container. And a reformer for reforming the raw fuel to generate fuel gas to be supplied to the fuel cell, the reformer being disposed above the cell stack device, and the fuel cell A first reformer that generates fuel gas to be supplied to the fuel cell, and the fuel cell connected to the first reformer and disposed on a side surface of the cell stack device along the arrangement direction of the fuel cells. e Bei a second reformer for generating a fuel gas supplied to the first reformer and the second reformer channel through the fuel gas along the arrangement direction of the fuel cell with and wherein the first Reformer, characterized in that it is arranged at a position lower than the upper end of the fuel cell.
また、本発明の燃料電池装置は、外装ケース内に、上記の燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを作動させるための補機とを収納してなる。 The fuel cell device of the present invention comprises the above-described fuel cell module and an auxiliary device for operating the fuel cell module in an outer case.
本発明の燃料電池モジュールは、第1改質器に加えて、燃料ガスが燃料電池セルの配列方向に沿って流れる流路を備える第2改質器を備えることから、改質器効率が向上し、ひいては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。 In addition to the first reformer, the fuel cell module of the present invention includes a second reformer having a flow path in which the fuel gas flows along the arrangement direction of the fuel cells, so that the reformer efficiency is improved. As a result, a fuel cell module with improved power generation efficiency can be obtained.
また、本発明の燃料電池装置は、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 can be a fuel cell device with improved power generation efficiency.
図1は、本実施形態のセルスタック装置および改質器を、収納容器内に収納してなる燃料電池モジュール(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り、図2は図1の断面図である。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。 1 is an external perspective view showing an example of a fuel cell module (hereinafter sometimes referred to as a module) in which the cell stack device and the reformer of the present embodiment are housed in a housing container. FIG. 2 is a sectional view of FIG. 1. In the following drawings, the same numbers are assigned to the same members.
図1に示すモジュール1においては、収納容器2の内部に、内部を長手方向に貫通し、燃料ガスが流通するガス流路(図示せず)を有する燃料電池セル3を立設させた状態で一列に配列し、隣接する燃料電池セル3間が集電部材(図1においては図示せず)を介して電気的に直列に接続されているとともに、燃料電池セル3の下端をガラスシール材等の絶縁性接合材(図示せず)でマニホールド4に固定してなるセルスタック5を2つ備えるセルスタック装置12が収納されている。
In the module 1 shown in FIG. 1, the
また、セルスタック装置12の上方には、セルスタック5の上方に、燃料電池セル3に供給する燃料ガスを生成するための第1改質器6が配置され、セルスタック5間には、後述する第2改質器14が配置されている。
Further, a
また、セルスタック5の両端部には、セルスタック5(燃料電池セル3)の発電により生じた電気を集電して外部に引き出すための、電気引き出し部を有する導電部材が配置されている(図示せず)。なお、図1においては、セルスタック装置12が2つのセルスタック5を備えている場合を示しているが、適宜その個数は変更することができ、例えばセルスタック5を1つだけ備えていてもよい。
Further, at both ends of the
また、図1においては、燃料電池セル3として、内部を長手方向に貫通し、燃料ガスが流通するガス流路を複数有する中空平板型で、ガス流路を有する支持体の表面に、燃料極
層、固体電解質層および酸素極層を順に積層してなる固体酸化物形の燃料電池セル3を例示している。なお、燃料電池セル3の間に酸素含有ガスが流通する。燃料電池セル3の構成については後述する。
In FIG. 1, the
また、本実施形態のモジュール1(セルスタック装置12)においては、中空平板型の燃料電池セル3を例示しているが、例えば平板型や円筒型とすることもでき、あわせて収納容器2の形状も適宜変更することができる。
Moreover, in the module 1 (cell stack apparatus 12) of this embodiment, although the hollow flat plate
また図1においては、収納容器2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12を後方に取り出した状態を示している。ここで、図1に示したモジュール1においては、セルスタック装置12を、収納容器2内にスライドして収納することが可能である。
FIG. 1 shows a state in which a part (front and rear surfaces) of the
また、図1に示す第1改質器6においては、原燃料供給管10を介して第1改質器6の内部に天然ガスやメタンガス、さらには灯油等の原燃料が供給され、水供給管13を介して水が供給され、原燃料と水とで水蒸気改質を行ない、燃料ガスを生成する。それゆえ、第1改質器6は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行うことができる構造とされ、水を気化させるための気化部7と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒(図示せず)が配置された改質部8とを備えている。
Further, in the
第1改質器6は、燃料ガス流通管9を介して第2改質器14と接続されており、第1改質器6を流れたガスは、続いて第2改質器14に供給される。図1においては図示していないが、第2改質器14は燃料ガス流通管を介してマニホールド4と接続されており、第2改質器14を流れた燃料ガスがマニホールド4に供給され、マニホールド4より燃料電池セル3の内部に設けられたガス流路に供給される。なお、図示していないが、第1改質器6および第2改質器の改質部には、セラミックボールやペレット等からなる担持体にRuやPt等の金属を担持させた粒状や粉状の改質触媒が充填されている。
The
また、図1において、収納容器2の内部には、セルスタック5の側面側に配置され、酸素含有ガスが燃料電池セル3の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、酸素含有ガス導入部材11が配置されている。
Further, in FIG. 1, an oxygen-containing gas is disposed inside the
図2に示すように、モジュール1を構成する収納容器2は、内壁15と外壁16とを有する二重構造で、外壁16により収納容器2の外枠が形成されるとともに、内壁15によりセルスタック装置12を収納する発電室17が形成されている。さらに収納容器2においては、内壁15と外壁16との間を、燃料電池セル3に導入する酸素含有ガスが流通する酸素含有ガス流路22としている。
As shown in FIG. 2, the
ここで、収納容器2内には、収納容器2の上部より、上端側に酸素含有ガスが流入するための酸素含有ガス流入口を備え、下端部に燃料電池セル3の下端部に酸素含有ガスを導入するための酸素含有ガス流出口24が設けられてなる酸素含有ガス導入部材11が、内壁15を貫通して挿入されて固定されている。
Here, the
なお、図2においては、酸素含有ガス導入部材11を2つ設け、それぞれの酸素含有ガス導入部材11が収納容器2の内部に並置された2つのセルスタック5の両側面側に位置するように配置されているが、セルスタック5の数により、適宜配置することができる。
In FIG. 2, two oxygen-containing
また発電室17内には、モジュール1内の熱が極端に放散され、燃料電池セル3(セルスタック5)の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール1内の温度を高温に維持するための断熱部材18が適宜設けられている。
Also, in the
断熱部材18は、セルスタック5の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル3の配列方向に沿ってセルスタック5の側面側に配置するとともに、セルスタック5の側面における燃料電池セル3の配列方向に沿った幅と同等またはそれ以上の幅を有する断熱部材18を配置することが好ましい。なお、セルスタック5の両側面側に断熱部材18を配置することが好ましい。それにより、セルスタック5の温度が低下することを効果的に抑制できる。さらには、酸素含有ガス導入部材11より導入される酸素含有ガスが、セルスタック5の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック5を構成する燃料電池セル3間の酸素含有ガスの流れを促進することができる。なお、セルスタック5の両側面側に配置された断熱部材18においては、燃料電池セル3に供給される酸素含有ガスの流れを調整し、セルスタック5の長手方向および燃料電池セル3の積層方向における温度分布を低減するための開口部19が設けられている。
The
また、燃料電池セル3の配列方向に沿った内壁15の内側には、排ガス用内壁20が設けられており、内壁15と排ガス用内壁20との間が、発電室17内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流路23とされている。なお、排ガス流路23は、収納容器2の底部に設けられた排気孔21と通じている。また、排ガス用内壁20のセルスタック5側にも断熱部材18が設けられている。
Further, an exhaust gas
それにより、モジュール1の稼動(起動処理時、発電時、停止処理時)に伴って生じる排ガスは、排ガス流路23を流れた後、排気孔21より排気される構成となっている。なお、排気孔21は収納容器2の底部の一部を切り欠くようにして形成してもよく、また管状の部材を設けることにより形成してもよい。
As a result, the exhaust gas generated during operation of the module 1 (during start-up processing, power generation, and stop processing) flows through the
なお、図示していないが、酸素含有ガス導入部材11の内部には、セルスタック5近傍の温度を測定するための熱電対が、その測温部が燃料電池セル3の長手方向の中央部でかつ燃料電池セル3の配列方向における中央部に位置するように配置されていることが好ましい。
Although not shown, a thermocouple for measuring the temperature in the vicinity of the
また、上述の構成のモジュール1においては、燃料電池セル3で発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとを、燃料電池セル3の上端側、すなわち燃料電池セル3と第1改質器6との間で燃焼させることができる。それにより、燃料電池セル3の温度を上昇・維持させることができる。あわせて、燃料電池セル3(セルスタック5)の上方に配置された第1改質器6を温めることができ、第1改質器6で効率よく改質反応を行なうことができる。なお、通常発電時においては、上記燃焼や燃料電池セル3の発電に伴い、モジュール1内の温度は500〜800℃程度となる。
In the module 1 having the above-described configuration, the fuel gas and the oxygen-containing gas that have not been used for power generation in the
図3は、本実施形態のセルスタック装置の一例を示し、(a)は側面図であり、(b)は(a)の破線枠で囲った部分の平面図である。 3A and 3B show an example of the cell stack device according to the present embodiment, in which FIG. 3A is a side view, and FIG. 3B is a plan view of a portion surrounded by a broken line frame in FIG.
図3に示すセルスタック装置12は、内部にガス流路28を有して、一対の対向する平坦面をもつ断面が扁平状で全体として柱状の導電性支持体27の一方の平坦面上に内側電極層としての燃料極層29と、固体電解質層30と、外側電極層としての空気極層31とを順次積層してなるとともに、他方の平坦面のうち空気極層31が形成されていない部位にインターコネクタ32を積層してなる柱状の燃料電池セル3の複数個を備えるセルスタック5を有している。そして、隣接する燃料電池セル3間に導電部材24を介して配置することで、燃料電池セル3同士を電気的に直列に接続される。なお、インターコネクタ32の外面および空気極層31の外面には、導電性の接合材33が設けられており、導電部材24を、接合材33を介して空気極層31およびインターコネクタ32に接続させることより、両者の接触がオーム接触となって電位降下を少なくし、導電性能の低下を有効に
抑制することができる。
The
そして、セルスタック5を構成する各燃料電池セル3の下端が、ガス流路28を介して燃料電池セル3に反応ガスを供給するためのマニホールド4にガラス等のシール材34により固定されている。
The lower end of each
また、燃料電池セル3の配列方向(図1に示すX方向)の両端から導電部材24を介してセルスタック5を挟持するように、マニホールド4に下端が固定された弾性変形可能な導電部材25を具備している。ここで、図1に示す導電部材25においては、燃料電池セル3の配列方向に沿って外側に向けて延びた形状で、セルスタック5(燃料電池セル3)の発電により生じる電流を引出すための電流引出し部26が設けられている。
Further, the elastically deformable
以下に、図3において示す燃料電池セル3を構成する各部材について説明する。
Below, each member which comprises the
例えば、燃料極層29は、一般的に公知のものを使用することができ、多孔質の導電性セラミックス、例えば希土類元素が固溶しているZrO2(安定化ジルコニアと称し、部分安定化も含むものとする。)とNiおよび/またはNiOとから形成することができる。
For example, as the
固体電解質層30は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有することが必要とされ、3〜15モル%の希土類元素が固溶したZrO2から形成される。なお、上記特性を有する限りにおいては、他の材料等を用いて形成してもよい。
The
空気極層31は、一般的に用いられるものであれば特に制限はなく、例えば、いわゆるABO3型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスから形成することができる。空気極層31はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が20%以上、特に30〜50%の範囲にあることが好ましい。
The
インターコネクタ32は、導電性セラミックスから形成することができるが、燃料ガス(水素含有ガス)および酸素含有ガス(空気等)と接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、それゆえランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO3系酸化物)が好適に使用される。インターコネクタ32は導電性支持体27に形成された複数のガス流路28を流通する燃料ガス、および導電性支持体27の外側を流通する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質でなければならず、93%以上、特に95%以上の相対密度を有していることが好ましい。
The
導電性支持体27としては、燃料ガスを燃料極層29まで透過するためにガス透過性であること、さらには、インターコネクタ32を介して集電するために導電性であることが要求される。したがって、導電性支持体27としては、かかる要求を満足するものを材質として採用する必要があり、例えば導電性セラミックスやサーメット等を用いることができる。燃料電池セル3を作製するにあたり、燃料極層29または固体電解質層30との同時焼成により導電性支持体27を作製する場合においては、鉄属金属成分と特定希土類酸化物(Y2O3、Yb2O3等)とから導電性支持体27を形成することが好ましい。また、導電性支持体27は、所要ガス透過性を備えるために開気孔率が30%以上、特に35〜50%の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は300S/cm以上、特に440S/cm以上であるのが好ましい。
The
なお、図示はしていないが、固体電解質層30と空気極層31との間に、固体電解質層30と空気極層31との接合を強固とするとともに、固体電解質層30の成分と空気極層
31の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されることを抑制する目的で中間層を備えることもできる。
Although not shown, the
ここで、中間層としては、Ce(セリウム)と他の希土類元素とを含有する組成にて形成することができ、例えば、
(1):(CeO2)1−x(REO1.5)x
式中、REはSm、Y、Yb、Gdの少なくとも1種であり、xは0<x≦0.3を満足する数。
で表される組成を有していることが好ましい。さらには、電気抵抗を低減するという点から、REとしてSmやGdを用いることが好ましく、例えば10〜20モル%のSmO1.5またはGdO1.5が固溶したCeO2からなることが好ましい。
Here, the intermediate layer can be formed with a composition containing Ce (cerium) and other rare earth elements, for example,
(1): (CeO 2 ) 1-x (REO 1.5 ) x
In the formula, RE is at least one of Sm, Y, Yb, and Gd, and x is a number that satisfies 0 <x ≦ 0.3.
It is preferable to have the composition represented by these. Furthermore, from the viewpoint of reducing electrical resistance, it is preferable to use Sm or Gd as RE, for example, it is preferably made of CeO 2 in which 10 to 20 mol% of SmO 1.5 or GdO 1.5 is dissolved. .
また、固体電解質層30と空気極層31とを強固に接合するとともに、固体電解質層30の成分と空気極層31の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されることをさらに抑制することを目的として、中間層を2層から形成することもできる。
In addition, the
また、図示はしていないが、インターコネクタ32と導電性支持体27との間に、インターコネクタ32と導電性支持体27との間の熱膨張係数差を軽減する等のために密着層を設けることもできる。
Although not shown, an adhesion layer is provided between the interconnector 32 and the
密着層としては、燃料極層29と類似した組成とすることができ、例えば、YSZなどの希土類元素が固溶しているZrO2(安定化ジルコニアと称する)とNiおよび/またはNiOとから形成することができる。なお、希土類元素が固溶したZrO2と、Niおよび/またはNiOとは、体積比で40:60〜60:40の範囲とすることが好ましい。
The adhesion layer can have a composition similar to that of the
図1に示したように、本実施形態のモジュール1は、収納容器2の内部に、セルスタック装置12と、第1改質器6と、第2改質器14とを収納してなる。以降、図4を用いて説明する。
As shown in FIG. 1, the module 1 of the present embodiment is configured by storing a
図4(a)、(b)は本実施形態の一例を示し、セルスタック装置と改質器とを抜粋して概略的に示す側面図である。図4(a)は第2改質器14が、燃料電池セル3の立設方向における上端部に配置されている例を示し、図4(b)は第2改質器14が燃料電池セル3の立設方向における中央部に配置されている例を示している。
4A and 4B are side views schematically showing an example of the cell stack device and the reformer, showing an example of the present embodiment. FIG. 4A shows an example in which the
上述したように、改質器(第1改質器6)をセルスタック5の上方にのみ配置している場合には、燃料電池装置の運転時に、燃料利用率の高い運転を行なうと、余剰の燃料ガスの量が少なく、十分な改質反応を行なうことができないという問題がある。
As described above, when the reformer (first reformer 6) is disposed only above the
それゆえ、本実施形態においては、セルスタック装置12の燃料電池セル3の配列方向に沿った側面側に、第1改質器6と接続され、燃料電池セル3に供給する燃料ガスを生成する第2改質器14が配置されている。特に、図4(a)においては、第2改質器14が燃料電池セル3の立設方向における上端側に、図4(b)においては、第2改質器14が燃料電池セル3の立設方向における中央部側に配置されている。なお、第2改質器14とマニホールド4とは、燃料ガス流通管35により接続されている。
Therefore, in the present embodiment, the fuel gas to be supplied to the
例えば、燃料電池セル3の上端側での燃焼熱が大きい場合には、燃料電池セル3の発電に伴うジュール熱等に加えて、燃焼熱も大きいことから、燃料電池セル3の上端部側の温度が特に高くなるため、図4(a)に示すように、第2改質器14を燃料電池セル3の立設方向における上端部側に配置することが好ましい。それにより、第2改質器14での改
質効率をさらに向上することができる。
For example, when the combustion heat at the upper end side of the
一方、燃料利用率が特に高い運転を行なう場合には、燃料電池セル3の上方での燃焼熱が小さく、燃料電池セル3の立設方向における中央部側の温度が特に高くなる傾向がある。それゆえ、このような運転を行なう燃料電池装置においては、図4(b)に示すように、第2改質器14は燃料電池セル3の立設方向における中央部側に配置することが好ましい。それにより、第2改質器14での改質効率をさらに向上することができる。
On the other hand, when an operation with a particularly high fuel utilization rate is performed, the combustion heat above the
なお、本発明でいう上端側、中央部側とは、燃料電池セル3の上端とマニホールド4上面(シール材34の表面)との距離を3等分して、上側1/3を上端側とし、下側1/3を下端側とし、上端側と下端側の間に位置する1/3を中央部側とするものとする。なお、第2改質器14はその高さ方向における半分以上が、上端側もしくは中央部側に位置していれば良く、一部が下端側にかかるように配置されていてもよい。
In the present invention, the upper end side and the central portion side are obtained by dividing the distance between the upper end of the
そして、本実施形態においては、第2改質器14は燃料ガスが燃料電池セル3の配列方向に沿って流れる流路を備えており、図4に示しているように、燃料電池セル3の配列方向における一端側から供給されたガスは他端側に流れるように構成されている。
In the present embodiment, the
このように、第2改質器14を、燃料ガスが燃料電池セル3の配列方向における一端側から供給されたガスは他端側に流れるように構成することにより、燃料電池セル3の熱を効率よく受けることができ、第2改質器14における改質効率を向上することができる。
In this way, the
さらに、第2改質器14が、燃料電池セル3の配列方向に沿って流れる流路を備えていることから、燃料電池セル3の配列方向における温度分布を解消することもできる。それゆえ、改質効率のみならず、燃料電池セル3(セルスタック5)の発電効率をも向上することができる。
Furthermore, since the
なお、第2改質器14の燃料電池セル3の配列方向に沿った長さは、セルスタック5の長さの70%以上の長さとすることが好ましい。
Note that the length of the
ちなみに、第1改質器6および第2改質器14が水蒸気改質を行なう場合に、第1改質器6に水を気化させるための気化部を有している場合には、第2改質器14は気化部を設けなくてもよく、図4においては第2改質器14が気化部を有していない構成を示している。
Incidentally, when the
図5(a)、(b)は本実施形態の他の一例を示し、セルスタック装置と改質器とを抜粋して概略的に示す側面図である。この実施形態においては、第2改質器14として、燃料電池セル3の立設方向における上端側に配置された第3改質器36と、燃料電池セル3の立設方向における中央部側に配置された第4改質器37とを備えている例を示している。
FIGS. 5A and 5B show another example of the present embodiment, and are side views schematically showing the cell stack device and the reformer. In this embodiment, as the
本実施形態においては、第2改質器14が、燃料電池セル3の立設方向における上端側に配置された第3改質器36と、燃料電池セル3の立設方向における中央部側に配置された第4改質器37との2つを備えることで、より改質効率を向上することができ、ひいては発電効率を向上することができる。
In the present embodiment, the
この場合において、例えば、燃料電池セル3の上端側での燃焼熱が大きい場合には、図5(a)に示すように、それぞれの改質器は、第1改質器6を流れた燃料ガスが、第3改質器36を流れた後に、第4改質器37を流れるように、それぞれの改質器を、燃料ガス流通管9、35、38のそれぞれにて接続することができる。この構成においては、第1
改質器6を流れた燃料ガスは、第2改質器14のうち、特に温度が高い燃料電池セル3の上端部側に配置された第3改質器36に先に流れることから、効率よく改質反応を行なうことができ、改質効率を向上することができる。
In this case, for example, when the combustion heat at the upper end side of the
Since the fuel gas that has flowed through the
一方、燃料利用率が特に高い運転を行なう場合には、燃料電池セル3の上方での燃焼熱が小さく、燃料電池セル3の立設方向における中央部側の温度が特に高くなる傾向がある。それゆえ、このような運転を行なう燃料電池装置においては、図5(b)に示すように、それぞれの改質器は、第1改質器6を流れた燃料ガスが、第4改質器37を流れた後に第3改質器36を流れるように、それぞれの改質器を、燃料ガス流通管9、35、38のそれぞれにて接続することができる。この構成においては、第1改質器6を流れた燃料ガスは、第2改質器14のうち、特に温度が高い燃料電池セル3の中央部側に配置された第4改質器37に先に流れることから、効率よく改質反応を行なうことができ、改質効率を向上することができる。
On the other hand, when an operation with a particularly high fuel utilization rate is performed, the combustion heat above the
ところで、それぞれの改質器で改質反応である水蒸気改質を行なうにあたり、改質効率を向上させるにあたり、最も温度が高くなる部位において、最も改質反応が高くなる構成とすることができる。 By the way, when performing steam reforming, which is a reforming reaction, in each reformer, it can be configured such that the reforming reaction becomes highest at the part where the temperature becomes highest in improving the reforming efficiency.
それゆえ、例えば上述したそれぞれの改質器においては、燃料電池装置の構成に応じて、改質反応可能量が異なっているものとすることができる。 Therefore, for example, in each of the reformers described above, the reforming reaction possible amount may be different depending on the configuration of the fuel cell device.
例えば、燃料電池セル3の上端側での燃焼熱が大きい場合、第1改質器6が最も燃焼熱からの熱を受け取ることから、第1改質器6での改質反応可能量を、第2改質器14よりも大きくすることができる。
For example, when the combustion heat on the upper end side of the
一方、燃料利用率が特に高い運転を行なう場合には、燃料電池セル3の上方での燃焼熱が小さく、燃料電池セル3の立設方向における中央部側の温度が特に高くなる傾向があることから、燃料電池セル3の立設方向における中央部側に配置された第2改質器14(第4改質器37)における改質反応可能量を、他の改質器よりも大きくすることができる。
On the other hand, when an operation with a particularly high fuel utilization rate is performed, the heat of combustion above the
それにより、最も改質反応が行なわれる改質器での改質量を多くすることで、より改質効率を向上することができ、ひいて発電効率を向上することができる。 Accordingly, by increasing the reforming amount in the reformer in which the reforming reaction is performed most, the reforming efficiency can be further improved, and the power generation efficiency can be improved.
このように、改質反応量を異ならせるにあたっては、例えば、第1改質器6と第2改質器14に同じ改質触媒を充填する場合には、充填する改質触媒の充填量を異ならせることで、改質反応量を異ならせることができる。
As described above, when the amount of the reforming reaction is different, for example, when the same reforming catalyst is filled in the
また、例えば、第1改質器6と第2改質器14とに充填する改質触媒を異ならせてもよい。具体的には、上述の例でいえば、担持体が担持する金属の量や、金属の種類、金属粒子径を異ならせるほか、担持体であるセラミックボールの球径や気孔率、さらにはその形状を異ならせてもよい。
Further, for example, the reforming catalyst charged in the
なお、燃料電池セル3の立設方向における上端部側に配置された第2改質器14(第3改質器36)において最も温度が高くなる構成の場合には、上述と同様にして調整すればよい。このような事例としては、例えば燃料利用率が特に高い運転の燃料電池装置において、セルスタック装置12において、電流引出し部26が、燃料電池セル3の上端部側に設けられている構成の燃料電池装置が挙げられる。
In the case of the configuration in which the temperature is highest in the second reformer 14 (third reformer 36) disposed on the upper end side in the standing direction of the
ちなみに、各改質器における改質反応量が異なっているか否かは、改質器に含まれる触媒の種類や大きさ、さらにはそれらの量を確認することで判断することができる。また、
それぞれの改質器の出口温度を測定することでも判断することができる。
Incidentally, whether or not the reforming reaction amount in each reformer is different can be determined by confirming the type and size of the catalyst contained in the reformer and further their amount. Also,
It can also be determined by measuring the outlet temperature of each reformer.
図6は、外装ケース内に図1で示した燃料電池モジュール1と、燃料電池モジュール1を動作させるための補機(図示せず)とを収納してなる本実施形態の燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図6においては一部構成を省略して示している。 FIG. 6 shows an example of the fuel cell device of the present embodiment in which the fuel cell module 1 shown in FIG. 1 and an auxiliary machine (not shown) for operating the fuel cell module 1 are housed in an outer case. FIG. In FIG. 6, a part of the configuration is omitted.
図6に示す燃料電池装置39は、支柱40と外装板41から構成される外装ケース内を仕切板42により上下に区画し、その上方側を上述した燃料電池モジュール1を収納するモジュール収納室43とし、下方側を燃料電池モジュール1を動作させるための補機を収納する補機収納室44として構成されている。なお、補機収納室44に収納する補機を省略して示している。
The
また、仕切板42には、補機収納室44の空気をモジュール収納室43側に流すための空気流通口45が設けられており、モジュール収納室43を構成する外装板41の一部に、モジュール収納室43内の空気を排気するための排気口46が設けられている。
In addition, the
このような燃料電池装置39においては、上述したように、改質効率、ひいては発電効率の向上した燃料電池モジュール1をモジュール収納室43に収納し、燃料電池モジュール1を動作させるための補機を補機収納室44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39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.
上述の例ではいわゆる縦縞型と呼ばれる燃料電池セル3を用いて説明したが、一般に横縞型と呼ばれる複数の発電素子部を支持体上に設けてなる横縞型の燃料電池セルを用いることもできる。
In the above-described example, the
また、上述の例ではセルスタック5を2つ配列してなるセルスタック装置12を用いて説明したが、例えば、マニホールド4にセルスタック5を3つ以上配列してなるセルスタック装置を備える大規模発電用の燃料電池装置や、セルスタック装置12を複数個配列してなる大規模発電用の燃料電池装置においても、適宜本実施形態の改質器を配置することで、発電効率を向上した燃料電池装置とすることができる。
In the above example, the
1:燃料電池モジュール
2:収納容器
3:燃料電池セル
4:マニホールド
5:セルスタック
6:第1改質器
12:セルスタック装置
14:第2改質器
36:第3改質器
37:第4改質器
39:燃料電池装置
1: Fuel cell module 2: Storage container 3: Fuel cell 4: Manifold 5: Cell stack 6: First reformer 12: Cell stack device 14: Second reformer 36: Third reformer 37:
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