JP6599093B2 - 燃料電池モジュール、これを備えた複合発電システムおよび燃料電池発電部の温度制御方法 - Google Patents
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Description
本発明による燃料電池モジュールは、気体が存在する内部空間を形成する圧力容器と、前記内部空間を外側空間と内側空間とに仕切る板材と、前記内側空間に配置される複数のセルスタックと、対流流量調整装置とを備えている。前記板材により、前記外側空間のうちの前記複数のセルスタックより鉛直方向下側の下部と前記内側空間のうちの前記複数のセルスタックより鉛直方向下側の下部とを接続する下部流路と、前記外側空間のうちの前記複数のセルスタックより鉛直方向上側の上部と前記内側空間のうちの前記複数のセルスタックより鉛直方向上側の上部とを接続する上部流路とが形成されている。前記対流流量調整装置は、前記気体の少なくとも一部が前記下部流路を介して前記外側空間から前記内側空間に流れて前記上部流路を介して前記内側空間から前記外側空間に流れる流量を調整するとともに、前記下部流路を通過する気体の流量を調整する下部ダンパを含み、前記下部流路は、互いに異なる複数の位置にそれぞれ配置される複数の下部流路を含み、前記下部ダンパは、前記複数の下部流路をそれぞれ通過する前記気体の流量を別個に調整する。
またこのような燃料電池モジュールは、複数のセルスタックを囲む板材の下部に形成される下部流路を通過する気体の流量を調整することにより、外側空間と内側空間とを対流する気体の流量を調整することができ、複数のセルスタックを温度調節することができる。
またこのような燃料電池モジュールは、互いに異なる複数の位置に配置される複数のセルスタックを異なる流量の気体で温度調節することにより、複数のセルスタックの温度分布が小さくなるように、複数のセルスタックを適切に温度調節することができる。
[第1実施形態]
第1実施形態の燃料電池モジュール201は、燃料電池システムに設けられており、図1に示すように、例えば、複数のSOFCカートリッジ203と、これら複数のSOFCカートリッジ203を収納する圧力容器205(容器)とを有する。また、燃料電池モジュール201は、燃料ガス供給管207と複数の燃料ガス供給枝管207aとを有する。また燃料電池モジュール201は、燃料ガス排出管209と複数の燃料ガス排出枝管209aとを有する。また、燃料電池モジュール201は、さらに、図4および図5を用いて後述される酸化性ガス供給管211と酸化性ガス供給枝管212と酸化性ガス排出管213と複数の酸化性ガス排出枝管214とを備えている。
また、下部の対流流量調整装置にて流入量を調整するのみで温度調整が十分な場合には、上部の対流流量調整装置を設置しないことも考えられる。
燃料電池モジュール201は、燃料ガス供給管207を介して供給される燃料ガスと酸化性ガス供給管211を介して供給される酸化性ガスとを化学反応させることにより発電し、燃料ガス排出管209を介して排燃料ガスを排気し、酸化性ガス排出管213を介して排酸化性ガスを排気する。燃料電池モジュール201は、発電することにより複数のセルスタック101が発熱し、内側空間6の発電室215内にある酸化性ガスを加熱し、内側空間6の発電室215内に酸化性ガスの上昇気流を生成する。
燃料電池モジュール201は、全体としてセルスタックの温度が所定温度以内となって均一化するため、発電性能が向上する。
なお、燃料電池モジュール201は、シールプレート21が無くても外側空間5と内側空間6とを対流する酸化性ガスの流量に悪影響を及ぼさないで必要な温度調整が可能な場合には、シールプレート21を設置しないことも考えられる。
第2実施形態の燃料電池モジュール31は、図9に示されているように、中間ダンパ32をさらに備えている。このとき、電池側断熱材2は、複数の中間流路33が形成されている。複数の中間流路33は、電池側断熱材2を作製するときに不可避的に形成される隙間から形成され、もしくは本目的に応じた形状に成形され、電池側断熱材2のうちの複数の下部流路7と複数の上部流路8との間の位置に形成され、外側空間5の中間位置を内側空間6の中間位置に接続している。また、複数の中間流路33を除き、第1実施形態と同様にシールプレート21を設置して、電池側断熱材2のうちの鉛直面に沿って配置される断熱材に形成される隙間を塞ぐことにより、その隙間を介して内側空間6と外側空間5との間を通気することを防止してもよい。
複数の羽根34−1〜34−nのうちの内側空間6の1つの領域に対応する羽根34−jは、回転軸線36を中心に回転することにより、複数の中間流路33のうちのこの1つの領域に繋がる一部の中間流路を開閉する。複数のモータ35は、複数の羽根34−1〜34−nに対応している。複数のモータ35のうちの羽根34−jに対応するモータは、回転軸線36を中心に羽根34−jを回転させ、羽根34−jが所定の角度に向くように配置する。
第3実施形態の燃料電池モジュール41は、図10に示されているように、既述の第1の実施形態における2つの下部ダンパ11−1〜11−2と2つの上部ダンパ12−1〜12−2とが省略され、複数のファン42を備えている。複数のファン42は、複数の下部流路7を介して外側空間5から内側空間に酸化性ガスを流入させ、内側空間6を上昇して外側空間5を下降する酸化性ガスの流れである対流を強制的に生成する。
燃料電池モジュール41は、全体としてセルスタックの温度が所定温度以内となって均一化するため、発電性能が向上する。
燃料電池モジュール41は、全体としてセルスタックの温度が所定温度以内となって均一化するため、発電性能が向上する。
第4実施形態の燃料電池モジュール51は、図11に示されているように、既述の第1の実施形態における燃料電池モジュール201が複数の熱交換器52をさらに備えている。複数の熱交換器52は、外側空間5に配置され、圧力容器205の外部から供給される冷媒と外側空間5を流れる酸化性ガスとを熱交換することより、外側空間5を流れる酸化性ガスを冷却する。
熱交換器を通過する冷媒は給水、蒸気等が考えられ、熱交換した熱を有効活用することが出来る。
また、熱交換器を蒸発器とした場合、蒸発器内の冷媒の温度は運転圧力の沸点となることから、外側空間5を流れる酸化性ガスの均温化を図ることで、内部空間温度の均温化を図ることも出来る。
2 :電池側断熱材(板材)
5 :外側空間
6 :内側空間
7 :複数の下部流路
8 :複数の上部流路
11−1〜11−2:2つの下部ダンパ
12−1〜12−2:2つの上部ダンパ
14−1〜14−n:複数の羽根
17−1〜17−n:複数の羽根
20:複数の温度計測装置(温度計測手段)
21:シールプレート
22:薄板シールプレート
24:クッション
31:燃料電池モジュール
32:中間ダンパ
33:複数の中間流路
41:燃料電池モジュール
42:複数のファン
51:燃料電池モジュール
52:複数の熱交換器(冷却装置)
101:複数のセルスタック
201:燃料電池モジュール
205:圧力容器(容器)
215:発電室
Claims (14)
- 気体が存在する内部空間を形成する容器と、
前記内部空間を外側空間と内側空間とに仕切る板材と、
前記内側空間に配置される複数のセルスタックと、
対流流量調整装置とを備え、
前記板材により、
前記外側空間のうちの前記複数のセルスタックより鉛直方向下側の下部と前記内側空間のうちの前記複数のセルスタックより鉛直方向下側の下部とを接続する下部流路と、
前記外側空間のうちの前記複数のセルスタックより鉛直方向上側の上部と前記内側空間のうちの前記複数のセルスタックより鉛直方向上側の上部とを接続する上部流路とが形成され、
前記対流流量調整装置は、前記気体の少なくとも一部が前記下部流路を介して前記外側空間から前記内側空間に流れて、前記上部流路を介して前記内側空間から前記外側空間に流れる流量を調整するとともに、前記下部流路を通過する気体の流量を調整する下部ダンパを含み、
前記下部流路は、互いに異なる複数の位置にそれぞれ配置される複数の下部流路を含み、
前記下部ダンパは、前記複数の下部流路をそれぞれ通過する前記気体の流量を別個に調整する燃料電池モジュール。 - 前記対流流量調整装置は、前記複数のセルスタックの温度が所定の温度範囲より高温または低温となった際に、前記気体の少なくとも一部が前記下部流路を介して前記外側空間から前記内側空間に流れて、前記上部流路を介して前記内側空間から前記外側空間に流れる流量を調整する請求項1に記載される燃料電池モジュール。
- 前記下部ダンパは、前記下部流路を閉鎖するときに、前記下部流路のうちの前記外側空間の側の口に密着するように弾性変形する部材を有する請求項1または請求項2に記載される燃料電池モジュール。
- 前記対流流量調整装置は、前記上部流路を通過する前記気体の流量を調整する上部ダンパをさらに含む請求項1から請求項3のいずれか一項に記載される燃料電池モジュール。
- 前記上部ダンパは、前記上部流路を閉鎖するときに、前記上部流路のうちの前記外側空間の側の口に密着するように弾性変形する部材を有する請求項4に記載される燃料電池モジュール。
- 前記上部ダンパのうちの前記上部流路を開閉する羽根は、前記下部ダンパのうちの前記下部流路を開閉する羽根より耐熱性が高い請求項4に記載される燃料電池モジュール。
- 前記上部ダンパは、前記上部流路を開閉する羽根を被覆する断熱部材を有する請求項4または請求項5に記載される燃料電池モジュール。
- 前記対流流量調整装置は、前記板材の前記上部流路と前記下部流路との間に形成される中間流路を通過する前記気体の流量を調整する中間ダンパをさらに有する請求項1から請求項7のいずれか一項に記載される燃料電池モジュール。
- 前記下部流路または前記上部流路または前記中間流路は、前記複数のセルスタックの輻射熱が前記内側空間から前記外側空間に直に放射されないように、屈曲している請求項8に記載される燃料電池モジュール。
- 前記板材のうちの前記下部流路と前記上部流路と前記中間流路とが形成されていない部分を被覆するシールプレートをさらに備える請求項8または請求項9に記載される燃料電池モジュール。
- 前記対流流量調整装置は、前記下部流路を介して前記気体を前記外側空間から前記内側空間に供給するファンを含む請求項1から請求項10のうちのいずれか一項に記載される燃料電池モジュール。
- 前記外側空間に流れる前記気体を冷却する冷却装置をさらに備える請求項1から請求項11のうちのいずれか一項に記載される燃料電池モジュール。
- 請求項1から請求項12のうちのいずれか一項に記載される燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールから排気される排燃料ガスと排酸化性ガスとを用いて回転動力を生成するガスタービンとを備え、
前記燃料電池モジュールは、前記回転動力を用いて圧縮された酸化性ガスが前記気体として供給され、
前記複数のセルスタックは、燃料ガスと前記酸化性ガスとを用いて発電する複合発電システム。 - 気体が存在する内部空間を形成する容器と、
前記内部空間を外側空間と内側空間とに仕切る板材と、
前記内側空間に配置される複数のセルスタックと、
前記複数のセルスタックの温度計測手段と
を備え、
前記板材により、
前記外側空間のうちの前記複数のセルスタックより鉛直方向下側の下部と前記内側空間のうちの前記複数のセルスタックより鉛直方向下側の下部とを接続する下部流路と、
前記外側空間のうちの前記複数のセルスタックより鉛直方向上側の上部と前記内側空間のうちの前記複数のセルスタックより鉛直方向上側の上部とを接続する上部流路とが形成され、
前記複数のセルスタックの温度が所定の温度範囲になるように、
前記気体の少なくとも一部が前記下部流路を介して前記外側空間から前記内側空間に流れて前記上部流路を介して前記内側空間から前記外側空間に流れる流量を調整する対流流量調整工程と、
互いに異なる複数の位置にそれぞれ配置される複数の下部流路をそれぞれ通過する前記気体の流量を別個に調整する工程と、を備える燃料電池発電部の温度制御方法。
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