JP6516162B2 - 固体酸化物形燃料電池装置 - Google Patents
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Description
上記構成の本発明によれば、排気室を構成する筐体の形状は簡単な形状としたまま、内部に流路が狭まる熱交換促進領域を形成することができる。このように、排気室を構成する筐体の形状を簡単な形状とすることにより、断熱材の加工が簡単になり、費用を低減し、組立が容易になる。
排気ガスは最短経路をたどるため、流路に角部が構成されていると、角部近傍までは排気ガスは到達しにくい。このため、角部に設けられた燃焼触媒には排気ガスが供給されにくく、触媒反応が活性化しにくい。これに対して、上記構成の本発明によれば、熱交換促進手段が第一の排気ガス流路から第二の排気ガス流路に向かって傾斜した傾斜面を有するため、第一の排気ガス流路の隅まで排気ガスが誘導され、第一の排気ガス流路全体の燃焼触媒を有効に使用することができる。
蒸発器の筐体底面と蒸発面との間に排気ガス流路を形成した状態で、排気ガス流路に伝熱促進部材を設けた場合には、伝熱促進部材を介して排気ガスの熱が筐体に伝導してしまい、放熱が助長されてしまう。これに対して、上記構成の本発明によれば、熱交換促進手段によって、排気ガス流路が形成されているため、伝熱促進部材を設けても筐体に熱が伝わらず、外部への放熱を抑制し、熱交換を促進することができる。
図1は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置(SOFC)を示す全体構成図である。
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形燃料電池装置(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。
燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備え、このハウジング6内部には、断熱材7を介して金属製のモジュール容器8(以下では適宜「モジュールケース」と呼ぶ。)が内蔵されている。この密閉空間であるモジュールケース8の下方部分である発電室10には、燃料ガスと酸化剤ガス(以下では適宜「発電用空気」又は「空気」と呼ぶ。)とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体12が配置されている。この燃料電池セル集合体12は、8個の燃料電池セルスタック14(詳細は図11で後述する)を備え、この燃料電池セルスタック14は、各々が燃料電池セルを含む、16本の燃料電池セルユニット16(詳細は図12で後述する)から構成されている。この例では、燃料電池セル集合体12は、128本の燃料電池セルユニット16を有する。なお、ハウジング6は必須ではなく、断熱材7を保持するようなフレームを用いてもよい。燃料電池セル集合体12は、複数の燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されている。
なお、本実施形態では、装置の起動時に改質器120内において、部分酸化改質反応(POX)のみが生じるPOX工程から、部分酸化改質反応(POX)と水蒸気改質反応(SR)が混在したオートサーマル改質反応(ATR)が生じるATR工程を経て、水蒸気改質反応のみが生じるSR工程が行われるように構成してもよいし、POX工程を省略してATR工程からSR工程に移行されるように構成してもよいし、POX工程及びATR工程を省略してSR工程のみが行われるように構成してもよい。なお、SR工程のみが行われる構成では、改質用空気流量調整ユニット44は不要である。
図2は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図3は、図2のIII−III線に沿った断面図であり、図4は、モジュールケース及び空気通路カバーの分解斜視図である。なお、図2、3ではハウジングは省略している。
蒸発器140は、上面視で略矩形の箱状の蒸発器ケース141(図2、図3)を有している。この蒸発器ケース141は、第1の容器143と、第1の容器の143の下方に重ね合わされた第2の容器144と、第1の容器143の上部を塞ぐ天板142とにより構成されている。
プレートフィン155は、一枚の金属製プレートを加工して製造されている。プレートフィン155は、板状の本体部155Aと、下方に突出する第1の突出部155Bと、上方に突出する第2の突出部155Cとを有する。
ガス排出部120Cでは、燃料ガスが燃料ガス供給管64、及び、水添脱硫器用水素取出管65へ排出される。
図10は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図10に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の両端部にそれぞれ接続されたキャップである内側電極端子86とを備えている。
図11は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図11に示すように、燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16を備え、これらの燃料電池セルユニット16は、8本ずつ2列に並べて配置されている。
各燃料電池セルユニット16は、下端側がセラミック製の長方形の下支持板68(図2参照)により支持され、上端側は、両端部の燃料電池セルユニット16が4本ずつ、概ね正方形の2枚の上支持板100により支持されている。これらの下支持板68及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。
図12は、図2と同様の、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図13は、図3と同様の、図2のIII−III線に沿った断面図である。なお、図12及び図13は、それぞれ、図2及び図3中にガスの流れを示す矢印を新たに付加した図である。図中、実線矢印は燃料ガスの流れ、破線矢印は発電用空気の流れ、一点鎖線矢印は排気ガスの流れを示す。
さらに、燃料ガスは、ガス排出部120Cから燃料ガス供給管64と水添脱硫器用水素取出管65とに分岐する。そして、燃料ガス供給管64に流入した燃料ガスは、燃料ガス供給管64の水平部64aに設けられた燃料供給孔64bからマニホールド66内に供給され、マニホールド66から各燃料電池セルユニット16内に供給される。
上記の実施形態によれば、排気室154に熱交換促進部材180が設けられており第二の排気ガス流路183の高さが狭められるため、第二の排気ガス流路内183の排気ガスの流速が早められ、蒸発室150内の水への熱供給量が増加し、排気ガスから水へのより効率の良い熱交換が実現できる。また、排気室154に熱交換促進部材180が設けられていることにより、排気室154を構成する蒸発器ケース141からの放熱を抑制することができる。特に、排気ガスの流速が早まると蒸発器ケース141からの放熱が大きくなるおそれがあるが、熱交換促進部材180により排気室154を構成する蒸発器ケース141からの放熱を抑制することができるため、より効率の良い熱交換が実現できる。
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
6 ハウジング
7 断熱材
8 モジュールケース
8a 天板
8b 側板
8c 底板
8d 閉鎖側板
8e 閉鎖側板
8f 吹出口
10 発電室
12 燃料電池セル集合体
14 燃料電池セルスタック
16 燃料電池セルユニット
18 燃焼室
24 水供給源
26 純水タンク
28 水流量調整ユニット
30 燃料供給源
32 ガス遮断弁
36 脱硫器
38 燃料流量調整ユニット
39 バルブ
40 空気供給源
42 電磁弁
44 改質用空気流量調整ユニット
45 発電用空気流量調整ユニット
50 温水製造装置
52 制御ボックス
54 インバータ
62 水供給配管
63 原料供給配管
64 燃料ガス供給管
64a 水平部
64b 燃料供給孔
65 水添脱硫器用水素取出管
66 マニホールド
68 下支持板
74 発電用空気導入管
82 排気ガス排出管
83 点火装置
84 燃料電池セル
86 内側電極端子
88 燃料ガス流路
90 内側電極層
90a 上部
90b 外周面
90c 上端面
92 外側電極層
94 電解質層
96 シール材
98 燃料ガス流路細管
100 上支持板
102 集電体
102a 燃料極用接続部
102b 空気極用接続部
104 外部端子
111 排気口
112 混合ガス供給管
120 改質器
120A 混合ガス受入部
120B 改質部
120C ガス排出部
120a 混合ガス供給口
120b 貫通孔
121 上側ケース
122 下側ケース
123a 仕切り板
123b 仕切り板
130 排気ガス誘導部材
131 下部誘導板
131a 凸状段部
132 上部誘導板
132a 凹部
133 連結板
135 ガス溜
140 蒸発器
141 蒸発器ケース
142 天板
143 容器
143A1 底面
143A2 底面
143B 側壁
143C 鍔部
144 容器
144A 底面
144B 側壁
144C 鍔部
147 隔壁
147A 凹部
147B 側壁
147C 上面
147D 空間
150 蒸発室
151 混合室
152 仕切り部材
152A 上面
152B 側壁部
152C 基部
152D 開口部
153A 第1の空間
153B 第2の空間
153C 第3の空間
154 排気室
155 プレートフィン
155A 本体部
155B 突出部
155B1 傾斜部
155B2 連結部
155B3 通過穴
155B4 突起部
155C 突出部
155C1 傾斜部
155C2 連結部
155C3 通過穴
156 連続溝
157 ヒータ
158A 第1の重なり部
158B 第2の重なり部
160 空気通路カバー
160a 天板
160b 側板
161a 空気通路
161b 空気通路
162 プレートフィン
163 プレートフィン
167 開口部
168 開口部
170 伝熱部材
171 排気管
172 排気通路
172a 排気ガス導入口
173 排気通路
174 排気通路
175 プレートフィン
180 熱交換促進部材
180A 基部
180B 保持部
180B1 スリット
180C 傾斜部
180D 水平部
180E 立設部
181 空気層
182 第一の排気ガス流路
182A 燃焼触媒
183 第二の排気ガス流路
183A 上部空間
183B 下部空間
190 漏水抑制部材
191 漏水抑制部
191A 入口
192 充填部
192A 伝熱部材
200 燃焼触媒器
202 排気ガス放出管
206 燃焼触媒
206A 貫通孔
242 天板
247 隔壁
247A 凹部
250 蒸発室
280 熱交換促進部材
280A 基部
280C 鉛直面
280D 水平部
290 漏水抑制部材
300 筐体
383 排気ガス流路
Claims (8)
- 燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う複数の燃料電池セルを備えた固体酸化物形燃料電池装置であって、
発電に寄与しない燃料ガス及び酸化剤ガスを燃焼して排気ガスを生成する燃焼部、及び、前記燃焼部からの熱を受けて水蒸気と原燃料ガスとの改質反応により燃焼ガスを生成する改質器を内部に有するモジュール容器と、
前記モジュール容器から排出された前記排気ガスを流通させる排気室、及び、前記排気室を流れる前記排気ガスとの熱交換により、供給された水から前記改質器に供給するための水蒸気を生成する蒸発室を有し、前記モジュール容器の外側、かつ、断熱材の内側に配置された蒸発器と、を備え、
前記蒸発器内には蒸発面が形成されており、前記蒸発面の上層に前記蒸発室が設けられ、前記蒸発面の下層に前記排気室が形成され、
前記排気室内には、前記排気ガスの流路を狭めて前記排気ガスの流速を増加させつつ、前記排気室を構成する筐体からの放熱を抑制する熱交換促進手段が設けられている、
固体酸化物形燃料電池装置。 - 前記熱交換促進手段は、前記排気室を構成する筐体の底面と、前記排気ガスの流路との間に断熱機能を作り出すように構成され、かつ、前記筐体とは別部材で形成されている、
請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池装置。 - 前記熱交換促進手段は、前記排気室を構成する筐体の底面と、前記排気ガスの流路との間に空気断熱層を形成し、かつ、前記空気断熱層と前記排気室の天面との間に前記排気ガスの流路が狭められた熱交換促進領域を形成するように構成されている、
請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池装置。 - 前記熱交換促進領域の高さは、前記空気断熱層の高さよりも小さい、
請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池装置。 - 前記排気室内には、上流側に第一の排気ガス流路が形成され、前記第一の排気ガス流路の下流側には連続して第二の排気ガス流路が形成され、
前記第一の排気ガス流路には、前記排気ガスを浄化するための燃焼触媒が前記熱交換促進手段により保持された状態で充填されており、
前記第二の排気ガス流路内に、前記熱交換促進領域が形成され、
前記熱交換促進手段は一部材で形成されている、
請求項4に記載の固体酸化物形燃料電池装置。 - 前記排気室を構成する筐体の底面は平坦面に形成され、前記筐体の底面上に前記熱交換促進手段が配置されている、
請求項5に記載の固体酸化物形燃料電池装置。 - 前記熱交換促進手段は、前記第一の排気ガス流路の下流側に前記第二の排気ガス流路に向かって傾斜した傾斜面を有する、
請求項6に記載の固体酸化物形燃料電池装置。 - 前記熱交換促進領域には、伝熱促進部材が設けられている、
請求項7に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
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