JP6635856B2 - Thermal insulation structure of fuel cell module - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池モジュールの断熱構造に関する。 The present invention relates to a heat insulating structure for a fuel cell module.
燃料電池においては、燃料電池モジュールの性能が好適に発揮される高温域に当該燃料電池モジュールを維持するために、断熱構造を設けることが行われている。かかる断熱構造の例として、特許文献1には、燃料電池モジュールのうち、水素を含有する改質ガスを生成する改質部を有する反応器が外装容器に収容されており、反応器と外装容器との間の少なくとも一部に断熱材が充填されている水素生成装置が記載されている。また、特許文献2には、ケーシングの内側に、断熱性能の異なる3つのブロック断熱材からなる断熱層が設けられている断熱構造が記載されている。
2. Description of the Related Art In a fuel cell, a heat insulating structure is provided in order to maintain the fuel cell module in a high temperature region where the performance of the fuel cell module is suitably exhibited. As an example of such a heat insulating structure, Patent Literature 1 discloses a fuel cell module in which a reactor having a reforming unit that generates a reformed gas containing hydrogen is housed in an outer container. A hydrogen generator is described in which at least a part between the two is filled with a heat insulating material.
しかし、特許文献1に記載の技術では、単一の断熱材が外装容器内に設けられているだけであるため、より断熱性能の高い構造が望まれている。
また、特許文献2に記載の技術では、3つのブロック断熱材を重ね合わせてケーシング内に設けるため、ケーシングが大型化してしまう。
However, in the technology described in Patent Literature 1, since a single heat insulating material is merely provided in the outer container, a structure having higher heat insulating performance is desired.
Further, in the technique described in
そこで、本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、コンパクト化と好適な断熱性能を両立することが可能な燃料電池モジュールの断熱構造を提供することを課題とする。 Then, this invention was made in view of the said point, and makes it a subject to provide the heat insulation structure of the fuel cell module which can make compactness and suitable heat insulation performance compatible.
前記した課題を解決するために、本発明の燃料電池モジュールの断熱構造は、燃料電池スタックと周辺機器ユニットとを有する燃料電池モジュールの断熱構造であって、前記燃料電池モジュールを囲むように設けられている顆粒断熱材からなる内側断熱層と、前記内側断熱層の外側に設けられており、前記燃料電池モジュール及び前記内側断熱層が収容される筐体形状を呈する、ブロック断熱材からなる外側断熱層と、を備え、前記内側断熱層と前記外側断熱層との間には、空気による中間断熱層が構成されており、前記中間断熱層には、前記燃料電池スタックのカソード極に供給される酸化剤ガスが流通するガス流路が設けられており、前記周辺機器ユニットは、前記燃料電池スタックから排出される排ガスを燃焼させる排ガス燃焼器を備え、前記排ガス燃焼器のガスバーナーは、前記ガス流路内に延在していることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, a heat insulation structure of a fuel cell module of the present invention is a heat insulation structure of a fuel cell module having a fuel cell stack and a peripheral device unit, and is provided so as to surround the fuel cell module. An outer heat insulating layer made of a block heat insulating material which is provided outside the inner heat insulating layer and has a housing shape in which the fuel cell module and the inner heat insulating layer are accommodated. And an intermediate heat insulating layer formed by air is provided between the inner heat insulating layer and the outer heat insulating layer, and the intermediate heat insulating layer is supplied to a cathode of the fuel cell stack. A gas passage through which an oxidizing gas flows is provided, and the peripheral device unit includes an exhaust gas combustor for burning exhaust gas discharged from the fuel cell stack. The gas burner of the exhaust gas combustor is characterized by extending in the gas flow path.
かかる構成によると、3層の断熱構造によって好適な断熱性能を実現することができるとともに、中間に空気による中間断熱層が設けられているので、コンパクト化と好適な断熱性能を両立することができる。
また、かかる構成によると、酸化剤ガスが熱交換を行うことによって内側断熱層から外部へ排出された廃熱を回収するので、かかる廃熱を利用して酸化剤ガスを加熱することができる。
According to such a configuration, a suitable heat insulating performance can be realized by a three-layer heat insulating structure, and since an intermediate heat insulating layer made of air is provided in the middle, both compactness and a suitable heat insulating performance can be achieved. .
Further, according to this configuration, the oxidizing gas exchanges heat to recover the waste heat discharged from the inner heat insulating layer to the outside, so that the oxidizing gas can be heated using the waste heat.
燃料電池モジュールの断熱構造は、前記燃料電池モジュールが収容される内側筐体と、前記内側筐体が収容される外側筐体と、を備え、前記内側断熱層は、前記内側筐体内に充填されている前記顆粒断熱材によって構成されており、前記中間断熱層は、前記内側筐体と前記外側筐体との間に構成されており、筐体形状を呈する前記外側断熱層には、前記外側筐体が収容されている構成であってもよい。 The heat insulating structure of the fuel cell module includes an inner housing in which the fuel cell module is housed, and an outer housing in which the inner housing is housed, and the inner heat insulating layer is filled in the inner housing. The intermediate heat insulating layer is formed between the inner housing and the outer housing, and the outer heat insulating layer having a housing shape has the outer heat insulating layer. A configuration in which a housing is accommodated may be employed.
かかる構成によると、顆粒断熱材を内側筐体内に充填することによって内側断熱層を容易に形成するとともに、内側筐体と外側筐体との間に空気による中間断熱層を容易に形成することが可能である。 According to such a configuration, the inner heat-insulating layer can be easily formed by filling the inner heat-insulating material with the granular heat-insulating material, and the intermediate heat-insulating layer by air can be easily formed between the inner housing and the outer housing. It is possible.
本発明によると、燃料電池モジュールにおいてコンパクト化と好適な断熱性能を両立することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in a fuel cell module, both compactness and suitable heat insulation performance can be achieved.
まず、燃料電池システム1及び燃料電池モジュール10の基本的構成を説明し、その次に、本発明の実施形態に係る燃料電池放熱回収用筐体(以下、「放熱回収用筐体」と称する)40を説明する。
First, the basic configuration of the fuel cell system 1 and the
図1に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池モジュール(SOFC(固体酸化物型燃料電池:Solid Oxide Fuel Cell)モジュール)10を備え、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられる。 As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a fuel cell module (SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) module) 10 and is used for various purposes such as stationary use and in-vehicle use. Used.
燃料電池モジュール10は、燃料ガス(水素ガスにメタン、一酸化炭素が混合した気体)と酸化剤ガス(空気)との電気化学反応により発電する装置である。
燃料電池システム1は、さらに原燃料供給装置(燃料ガスポンプを含む)2、酸化剤ガス供給装置(空気ポンプを含む)3、水供給装置(水ポンプを含む)4、脱硫器5及び制御装置6を備える。
The
The fuel cell system 1 further includes a raw fuel supply device (including a fuel gas pump) 2, an oxidizing gas supply device (including an air pump) 3, a water supply device (including a water pump) 4, a desulfurizer 5, and a control device 6. Is provided.
原燃料供給装置2は、燃料電池モジュール10に燃料ガス(例えば、都市ガス)を供給する。酸化剤ガス供給装置3は、燃料電池モジュール10に酸化剤ガスを供給する。水供給装置4は、燃料電池モジュール10に水を供給する。脱硫器5は、原燃料中に含まれる硫黄化合物を除去する。制御装置6は、燃料電池モジュール10の発電量を制御する。
そのほか、燃料ガスの供給流路上及び酸化剤ガスの供給流路上には、流量調整弁7,8が設けられており、供給量が適宜調整される。
The raw
In addition, flow rate control valves 7 and 8 are provided on the fuel gas supply flow path and the oxidizing gas supply flow path, and the supply amount is appropriately adjusted.
燃料電池モジュール10は、複数の固体酸化物形の平板積層型燃料電池が、鉛直方向に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック12を備える。なお、本実施形態において、燃料電池モジュール10内の複数の燃料電池は、鉛直方向に積層されているが、積層方向は特に限定されず、水平方向に積層されている構成であってよい。
The
特に図示しないが、燃料電池は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質の両面にカソード電極及びアノード電極が設けられた平板状の電解質・電極接合体(MEA)を備える。 Although not specifically shown, the fuel cell includes, for example, a flat electrolyte-electrode assembly (MEA) in which a cathode electrode and an anode electrode are provided on both surfaces of an electrolyte composed of an oxide ion conductor such as stabilized zirconia. Prepare.
電解質・電極接合体の両側には、平板状のカソード側セパレータと平板状のアノード側セパレータとが配設される。カソード側セパレータには、カソード電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路が形成される。アノード側セパレータには、アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路が形成される。 A plate-shaped cathode-side separator and a plate-shaped anode-side separator are disposed on both sides of the electrolyte-electrode assembly. An oxidizing gas passage for supplying an oxidizing gas to the cathode electrode is formed in the cathode-side separator. A fuel gas flow path for supplying a fuel gas to the anode electrode is formed in the anode-side separator.
本実施形態の燃料電池の作動温度は、700℃と高温である。
燃料電池のアノード電極では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素、COが得られ、この水素、COが電解質の前記アノード電極側に供給される。
The operating temperature of the fuel cell of this embodiment is as high as 700 ° C.
At the anode electrode of the fuel cell, methane in the fuel gas is reformed to obtain hydrogen and CO, and the hydrogen and CO are supplied to the anode side of the electrolyte.
燃料電池スタック12には、各酸化剤ガス流路の入口側に一体に連通する酸化剤ガス入口連通孔12a、及び酸化剤ガス流路の出口側に一体に連通する酸化剤排ガス出口連通孔12cが設けられる。
燃料電池スタック12には、さらに各燃料ガス流路の入口側に一体に連通する燃料ガス入口連通孔12b、及び燃料ガス流路の出口側に一体に連通する燃料排ガス出口連通孔12dが設けられる。
In the
The
燃料電池モジュール10は、燃料電池スタック12に供給する燃料ガスを改質し、かつ、燃料ガス・酸化剤ガスを昇温するため、蒸発器21、改質器22、第1熱交換器23、排ガス燃焼器24、起動用燃焼器25及び図示しない第2熱交換器を備える。
また、蒸発器21、改質器22、第1熱交換器23、排ガス燃焼器24、起動用燃焼器25及び第2熱交換器は、一体化(ユニット化)されている(図2参照)。
そのほか、蒸発器21、改質器22、第1熱交換器23、排ガス燃焼器24、起動用燃焼器25及び第2熱交換器を総称してBOP(Balance Of Plant)20と称する。BOP20は、燃料電池スタック12の周辺機器ユニットであり、燃料電池スタック12とともに燃料電池モジュール10を構成する。また、燃料電池モジュール10は、放熱回収用筐体30内に収容されている。
The
The
In addition, the
蒸発器21は、水を蒸発させる。また、蒸発器21に生成された水蒸気は、炭化水素を主体とする原燃料に混合され、混合ガスとして改質器22に供給される。
改質器22は、炭化水素を主体とする原燃料(例えば、都市ガス)と水蒸気との混合ガスを改質し、燃料電池スタック12に供給される燃料ガスを生成する。
そして、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔12bに接続する燃料ガス供給管13bを介して燃料電池スタック12の各燃料ガス流路に供給される。
The
The
The fuel gas is supplied to each fuel gas flow channel of the
排ガス燃焼器24は、燃料電池スタック12から排出される燃料排ガスと酸化剤排ガスとを燃焼させて燃焼ガスを発生させるとともに、その燃焼ガスを第1熱交換器23に供給する。
なお、燃料排ガスと酸化剤排ガスは、燃料排ガス出口連通孔12dに接続する燃料排ガス排出管13dと、酸化剤排ガス出口連通孔12cに接続する酸化剤排ガス排出管13cとを介して排ガス燃焼器24に供給される。
The
The fuel exhaust gas and the oxidant exhaust gas are supplied to the
第1熱交換器23は、燃焼ガスとの熱交換により酸化剤ガスを昇温させる。
そして、昇温した酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔12aに接続する酸化剤ガス供給管13aを介して燃料電池スタック12の各酸化剤ガス流路に供給される。
The
The heated oxidizing gas is supplied to each oxidizing gas flow path of the
起動用燃焼器25は、原燃料と酸化剤ガスとを燃焼させて燃焼ガスを発生させるとともに、燃焼ガスを第2熱交換器に供給する。
第2熱交換器は、燃焼ガスとの熱交換により酸化剤ガスを昇温させる。そして、昇温した酸化剤ガスは、第1熱交換器23及び酸化剤ガス供給管13aを介して燃料電池スタック12の各酸化剤ガス流路に供給されて、燃料電池スタック12を暖機する。
The starting
The second heat exchanger raises the temperature of the oxidizing gas by heat exchange with the combustion gas. Then, the heated oxidizing gas is supplied to each oxidizing gas flow path of the
図2に示すように、燃料電池システム1は、さらに、燃料電池モジュール10を内部に収容する放熱回収用筐体30と、放熱回収用筐体30と燃料電池モジュール10とを結合する結合ブラケット40とを備える。
なお、放熱回収用筐体30内において、燃料電池スタック12の下方にBOP20が位置するように、燃料電池モジュール10が配置されている。
As shown in FIG. 2, the fuel cell system 1 further includes a
The
放熱回収用筐体30は、燃料電池の放熱に対し耐熱性を有する金属、例えばステンレス鋼などで形成された筐体である。
放熱回収用筐体30は、底壁部31、前壁部32、後壁部33、左壁部34、右壁部35及び上壁部36を備える(図3、図4参照)。
このため、燃料電池スタック12の作動時、底壁部31、前壁部32、後壁部33、左壁部34、右壁部35及び上壁部36は、燃料電池モジュール10(特に燃料電池スタック12)の放熱エネルギーにより昇温する。
The
The
Therefore, when the
放熱回収用筐体30は、各壁部内に設けられたガス流路50と、底壁部31の下面に設けられたガス流入口52と、底壁部31の上面に設けられたガス流出口54とを備える。
The
ガス流路50は、酸化剤ガス供給装置3から燃料電池モジュール10に供給される酸化剤ガスが流れる流路(空間)である。
ガス流入口52には、ガス流路50内に酸化剤ガスを流入させるための開口である。なお、本実施形態のガス流入口52は、流入ポート51が形成されている
ガス流出口54は、ガス流路50を通流した酸化剤ガスを流出させるための開口である。なお、本実施形態のガス流出口54には、接続管53が接続し、この接続管53を介して酸化剤ガスがBOP20に供給される。
The
The
以上、上記する放熱回収用筐体30によれば、ガス流路50を流れる酸化剤ガスは、壁部から熱エネルギーを吸収して昇温する(予熱される)。よって、BOP20には、予熱された酸化剤ガスが供給される。
なお、放熱回収用筐体30の具体的な構造については後述する。
As described above, according to the
The specific structure of the
また、結合ブラケット40は、燃料電池モジュール10を放熱回収用筐体30に対し、宙吊り状態で固定するためのものである。
Further, the
結合ブラケット40は、左壁部34の内面及び右壁部35の内面に設けられた第1結合ブラケット41と、燃料電池スタック12の下部に結合する第2結合ブラケット42と、BOP20の上部に結合する第3結合ブラケット43と、を備える。
また、第1結合ブラケット41に対し、図示しない締結具により第2結合ブラケット42及び第3結合ブラケット43が結合し、燃料電池モジュール10が放熱回収用筐体30内に固定される。
The
Further, the
また、本実施形態の結合ブラケット40は、高さ方向中間部に設けられている。
このため、燃料電池スタック12の頂部と上壁部36との間には、第1隙間S1が形成されている。
同様に、BOP20の底部と底壁部31との間には、第2隙間S2が形成されている。
以上から、燃料電池スタック12の作動時、燃料電池スタック12は、支持される第2結合ブラケット42を基準に上方に熱膨張し(図2の矢印A1参照)、第1隙間S1が狭くなる。
一方で、BOP20は第3結合ブラケット43を基準に下側に熱膨張し(図2の矢印A2参照)、第2隙間S2が狭くなる。
In addition, the
Therefore, a first gap S1 is formed between the top of the
Similarly, a second gap S2 is formed between the bottom of the
As described above, when the
On the other hand, the
ここで、放熱回収用筐体30に対する燃料電池モジュール10の固定方法に関し、例えば、燃料電池モジュール10の上端と下端とを放熱回収用筐体30に固定することが考えられる。しかしながら、当該固定方法によれば、燃料電池スタック12の作動時、燃料電池モジュール10は、放熱回収用筐体30よりも温度が高い。言い換えると、燃料電池モジュール10は、放熱回収用筐体30より熱膨張の量が大きいため、歪みが発生するおそれがある。よって、上記する固定方法によれば、熱膨張の量の違いを吸収でき、歪みの発生を回避できる。
Here, with respect to a method of fixing the
そのほか、排ガス燃焼器24の構成要素であるガスバーナー24aは、フランジ24bを介して右壁部35に固定されている。このため、ガスバーナー24aの熱エネルギーが右壁部35に伝熱し、他の壁部よりも右壁部35が高温になっている。この結果、酸化剤ガスが右壁部35のガス流路50を流れる場合、他の壁部のガス流路50よりも昇温し易い。
In addition, the
また、ガスバーナー24aは、BOP20の上部側に位置し、第3結合ブラケット43に近接している。このため、BOP20は第3結合ブラケット43を基準に下側に熱膨張したとしても、ガスバーナー24aに歪みが発生し難い。
Further, the
つぎに、放熱回収用筐体30の具体的な構造について説明する。
図3、図4に示すように、放熱回収用筐体30は、上方に向って開口する有底矩形筒状の本体部60と、本体部60の開口を覆う平面視矩形状の蓋部80と、本体部60内及び蓋部80内に設けられてガス流路50を設定する仕切り部90とを備える。
Next, a specific structure of the
As shown in FIGS. 3 and 4, the
本体部60は、底壁部31、前壁部32、後壁部33、左壁部34及び右壁部35を構成する部位である。
本体部60は、有底矩形筒状の内壁部61と、内壁部61と離間した状態で内壁部61の外側を囲む有底矩形筒状の外壁部62と、を備える2重構造になっている。
このため、本実施形態の底壁部31、前壁部32、後壁部33、左壁部34及び右壁部35のそれぞれには、酸化剤ガスが流入可能なガス空間が形成されている。
The
The
For this reason, the
なお、各壁部のガス空間を視認可能にするため、図3,図4において、外壁部62を切り欠いたり、二点鎖線で図示したりしている。
そのほか、説明の都合上、底壁部31内のガス空間を底壁ガス空間71と称する。
前壁部32内のガス空間を前壁ガス空間72と称する。
後壁部33内のガス空間を後壁ガス空間73と称する。
左壁部34内のガス空間を左壁ガス空間74と称する。
右壁部35内のガス空間を右壁ガス空間75と称する。
In addition, in order to make the gas space of each wall part visually recognizable, the
In addition, the gas space in the
The gas space in the
The gas space in the
The gas space in the
The gas space in the
図4に示すように、底壁部31を構成する外壁部62には、上下方向に貫通するガス流入口52及び流入ポート51が形成されている。このガス流入口52は、前後方向中央部であって左寄りに位置している。
As shown in FIG. 4, a
底壁部31を構成する内壁部61には、上下方向に貫通するガス流出口54が形成されている。このガス流出口54は、左右方向中央部であって前寄りに形成されている。
A
図3に示すように、蓋部80は、上壁部36を構成する部位である。
蓋部80は、本体部60の開口を閉塞する平板状の底板81と、底板81の周端に沿って延びる環状の側壁82と、側壁82の上方を閉塞する図示しない上板を備える。これにより、上壁部36内には、上壁ガス空間76が形成されている。
そのほか、蓋部80は、本体部60のガス空間の上方(内壁部61と外壁部62との間の上方)を閉塞している。
As shown in FIG. 3, the
The
In addition, the
仕切り部90は、本体部60や蓋部80内のガス空間を仕切り、ガスが流れる流路(ガス流路50)を設定するためのものであり、第1仕切り部材91〜第7仕切り部材97を備える。
The
図3、図4に示すように、第1仕切り部材91及び第2仕切り部材92は、底壁ガス空間71内に配置され、互いに左右に離間しながら前後方向に延びている。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
第1仕切り部材91は、ガス流入口52とガス流出口54との間に位置している。このため、底壁ガス空間71は、ガス流入口52と連続する流入部ガス空間71Aと、ガス流出口54と連続する流出部ガス空間71Bとに区分けされている。
The
第2仕切り部材92は、ガス流出口54よりも右側に位置している。このため、流出部ガス空間71Bと右壁ガス空間75とは、第2仕切り部材92により仕切られ、連続していない(図3参照)。
The
第3仕切り部材93は、底壁ガス空間71内に配置され第1仕切り部材91及び第2仕切り部材92の前方で水平に延びる水平部93aと、水平部93aの左端部から上方に延びて左壁ガス空間74内に配置される鉛直部93bと、を備えるL字状の部材である。
The
水平部93aは、第2仕切り部材92の前端部92aから左方に延びている。
そして、水平部93aには、第1仕切り部材91の前端部91a及び第2仕切り部材92の前端部92aが当接している。
このため、流出部ガス空間71Bと前壁ガス空間72とは、水平部93aに仕切られ、連続していない。同様に、流入部ガス空間71Aと前壁ガス空間72とは、水平部93aにより仕切られ、連続していない。
The
The
Therefore, the
鉛直部93bの上端は、左壁ガス空間74の上方を閉塞する蓋部80の近傍までのびているものの、蓋部80に当接していない。このため、鉛直部93bの上方には、前壁ガス空間72と左壁ガス空間74とを連通させる第1連通口101が形成されている。
The upper end of the
第4仕切り部材94は、第1仕切り部材91の後端部91bから左方に延びる水平部94aと、水平部94aの左端部から上方に延びる鉛直部94bと、を備えるL字状の部材である。
The
図3に示すように、水平部94aの右端部は、第1仕切り部材91の後端部91bに当接している。このため、流入部ガス空間71Aと後壁ガス空間73とは、水平部94aにより仕切られ、連続していない。
一方で、水平部94aは、第1仕切り部材91と第2仕切り部材92との間を延在していないため、流出部ガス空間71Bと後壁ガス空間73とは連続している。
As shown in FIG. 3, the right end of the
On the other hand, since the
鉛直部94bの上端は、左壁ガス空間74の上方を閉塞する蓋部80に当接している。このため、左壁ガス空間74と後壁ガス空間73とは、鉛直部94bにより仕切られ、連続していない。
The upper end of the
第5仕切り部材95は、右壁ガス空間75内に配置され、上下方向に延びている。
第5仕切り部材95の上端95aは、内壁部61の右鍔部61aに当接している。
また、第5仕切り部材95の下部側が切り欠かれている。このため、前壁ガス空間72と右壁ガス空間75とを連通させる第2連通口102が形成されている。
The
The
In addition, the lower side of the
なお、右壁ガス空間75の上部側には、内壁部61の右鍔部61aの後部が延在している。そして、この右鍔部61aの後部に、第1切り欠き106が形成されている。
また、蓋部80において、底板81の右縁部の後側には、第3連通口103が形成されている。このため、右壁ガス空間75と上壁ガス空間76とは、第3連通口103を介して連続している。
Note that the rear part of the right flange 61 a of the
In the
第6仕切り部材96は、後壁ガス空間73内に配置され、上下方向に延びている。
第6仕切り部材96の上端96aは、内壁部61の後鍔部61bに当接している。
第6仕切り部材96の下端96bは、第2仕切り部材92の後端92bに当接している。このため、後壁ガス空間73と右壁ガス空間75とは、第6仕切り部材96により仕切られ、連続していない。
The
The
The
なお、内壁部61の後鍔部61bの左部には、第2切り欠き107が形成されている。
また、蓋部80において、底板81の後縁側には、第4連通口104が形成されている。このため、上壁ガス空間76と後壁ガス空間73とは、第4連通口104を介して連続している。
In addition, a
In the
第7仕切り部材97は、上壁ガス空間76内の左右方向中央部に配置され、前後方向に延びている。
第7仕切り部材97の前端は、側壁82に当接していない。
第7仕切り部材97の後端は、側壁82に当接している。
このため、上壁ガス空間76は、第3連通路から103から第4連通口104に向って略U字状の径路になっている。
The
The front end of the
The rear end of the
Therefore, the upper
つぎに、放熱回収用筐体30のガス流路50の径路について説明する。
図4に示すように、まず、酸化剤ガスは、流入ポート51を介して流入部ガス空間71A内に入り込み、左壁ガス空間74の下部側に流れる(矢印B1参照)。
つぎに酸化剤ガスは、左壁ガス空間74の下部から上方へ向って流れ(矢印B2参照)、第1連通口101を通過して前壁ガス空間72内に入る(矢印B3参照)。
Next, the path of the
As shown in FIG. 4, first, the oxidizing gas enters the
Next, the oxidant gas flows upward from the lower portion of the left wall gas space 74 (see arrow B2), passes through the
つぎに、酸化剤ガスは、前壁ガス空間72の左上部から右下部に向って斜めに流れ(矢印B4参照)、第2連通口102を通過して右壁ガス空間75内に流れる(矢印B5参照)。
Next, the oxidizing gas flows obliquely from the upper left to the lower right of the front wall gas space 72 (see arrow B4), passes through the
つぎに、図3に示すように、酸化剤ガスは、右壁ガス空間75の前側下部から後側上部に向って斜めに流れ(矢印B6参照)、第3連通口103を通過して上壁ガス空間76内に入り込む(矢印B7参照)。
Next, as shown in FIG. 3, the oxidizing gas flows obliquely from the front lower part to the rear upper part of the right wall gas space 75 (see arrow B <b> 6), passes through the
つぎに、酸化剤ガスは、上壁ガス空間76内をU字状に移動し(矢印B8参照)、第4連通口104を通過して後壁ガス空間73内に流れる(矢印B9参照)。
Next, the oxidizing gas moves in a U-shape in the upper wall gas space 76 (see arrow B8), and flows through the
つぎに、酸化剤ガスは、後壁ガス空間73の上部から下部に向って流れ(矢印B10参照)、後壁ガス空間73の下部から流出部ガス空間71Bの後部に流れる(矢印B11参照)。
Next, the oxidizing gas flows from the upper part to the lower part of the rear wall gas space 73 (see arrow B10), and flows from the lower part of the rear
そして、図4に示すように、流出部ガス空間71Bの後部から前部に向って流れた酸化剤ガスは、ガス流出口54を介して、放熱回収用筐体30内に流れ(矢印B12参照)、燃料電池モジュール10のBOP20に供給される。
Then, as shown in FIG. 4, the oxidizing gas that has flowed from the rear to the front of the
<燃料電池モジュールの断熱構造>
続いて、本発明の実施形態に係る燃料電池モジュール10の断熱構造について、図2を参照して説明する。
<Heat insulation structure of fuel cell module>
Subsequently, a heat insulating structure of the
図2に示すように、放熱回収用筐体30は、前記した本体部60及び蓋部80によって構成されており、内側筐体30Aと、外側筐体30Bと、を備える。内側筐体30Aは、内側の底壁部31、前壁部32、後壁部33、左壁部34、右壁部35及び上壁部36によって構成されている金属製(例えば、SUS製)の缶体である。外側筐体30Bは、外側の底壁部31、前壁部32、後壁部33、左壁部34、右壁部35及び上壁部36によって構成されている、内側筐体30Aよりも大きい金属製(例えば、SUS製)の缶体である。内側筐体30Aには、燃料電池モジュール10が収容されている。また、外側筐体30Bには、内側筐体30Aが収容されている。
As shown in FIG. 2, the
燃料電池モジュール10の断熱構造は、内側断熱層111と、中間断熱層112と、外側断熱層112と、を備える。
The heat insulating structure of the
≪内側断熱層≫
内側断熱層111は、高温域における断熱層であって、燃料電池モジュール10を囲むように設けられている顆粒断熱材からなる。本実施形態において、内側断熱層111は、内側筐体30A内に充填されている顆粒断熱材によって構成されている。顆粒断熱材としては、顆粒状マイクロサーム等が好適に利用可能である。
≪Insulation layer inside≪
The inner
≪中間断熱層≫
中間断熱層112は、中温域における断熱層であって、内側断熱層111と外側断熱層113との間に形成されている空気による断熱層である。本実施形態において、中間断熱層112は、内側筐体30Aと外側筐体30Bとの間に構成されている。
≪Intermediate insulation layer≫
The intermediate
中間断熱層112には、燃料電池スタック12内において積層されている複数の燃料電池セルのカソード極に対して、BOP20を介して供給される酸化剤ガス(空気)が流通するガス流路50が設けられている。
The intermediate
≪外側断熱層≫
外側断熱層113は、低温域における断熱層であって、ブロック断熱材によって形成されており、筐体形状を呈する断熱層である。外側断熱層113内には、内側断熱層111及び中間断熱層112の外側に設けられており、燃料電池モジュール10及び内側断熱層111が収容されている。本実施形態において、外側断熱層113には、外側筐体30Bが収容されている。外側断熱層113の内部空間は、外側筐体30Bの外形と同一形状を呈しており、外側断熱層113の内側面は、外側筐体30Bの外側面と当接している。ブロック断熱材すなわち外側断熱層113としては、温度域、放熱量、コスト等に鑑みて、樹脂製断熱材、ケイ酸カルシウム製断熱材、ヒュームドSiO2ナノ断熱材等を使い分けることが可能である。
≪Outer insulation layer≫
The outer heat-insulating
かかる外側断熱層113には、流入ポート51、ガスバーナー24a等に対応する部位に、これらを挿通させるための孔部が形成されている。
In the outer heat-insulating
本発明の実施形態に係る燃料電池モジュール10の断熱構造は、3層の断熱構造によって好適な断熱性能を実現することができるとともに、中間に空気による中間断熱層112が設けられているので、コンパクト化と好適な断熱性能を両立することができる。
また、燃料電池モジュール10の断熱構造は、顆粒断熱材を燃料電池モジュール10の燃料電池スタック12及び周辺機器(BOP20)複雑形状部の細部まで設けることができるので、断熱性能を向上することができる。
また、燃料電池モジュール10の断熱構造は、内側断熱層111が顆粒断熱材によって構成されているので、当該内側断熱層111がブロック断熱材によって構成されている場合と比較して、複雑形状部に対応するための加工が不要であり、低コストを実現することができる。
また、燃料電池モジュール10の断熱構造は、内側断熱層111が設けられているので、外側断熱層113が比較的低温域における断熱性能を有していればよくなり、低コストなブロック断熱材を採用することが可能である。
The heat insulating structure of the
In addition, the heat insulating structure of the
Further, in the heat insulating structure of the
Further, since the heat insulating structure of the
また、燃料電池モジュール10の断熱構造は、内側筐体30A及び外側筐体30Bからなる二重構造の放熱回収用筐体30が設けられているので、顆粒断熱材を内側筐体30A内に充填することによって内側断熱層111を容易に形成するとともに、内側筐体30Aと外側筐体30Bとの間に空気による中間断熱層112を容易に形成することが可能である。
Further, the heat insulation structure of the
また、燃料電池モジュール10の断熱構造は、中間断熱層112にガス流路50が設けられているので、酸化剤ガスが熱交換を行うことによって内側断熱層111から外部へ排出された廃熱を回収するので、かかる廃熱を利用して酸化剤ガスを加熱することができる。
Further, in the heat insulating structure of the
また、上記する放熱回収用筐体30によれば、酸化剤ガスは、底壁ガス空間71〜上壁ガス空間76で構成されるガス流路50を通流して昇温する。言い換えると、酸化剤ガスは、放熱回収用筐体30を構成する全ての壁部から放熱エネルギーを回収している。
In addition, according to the above-described
また、前壁ガス空間72と右壁ガス空間75と上壁ガス空間76においては、酸化剤ガスが斜めに移動したり又はU字状に移動したりして、酸化剤ガスの径路が比較的長くなっている(矢印B4,B6,B8参照)。このため、酸化剤ガスは、より多くの放熱エネルギーを回収している。
Further, in the front
さらに、左壁部34を構成する内壁部61にはガスバーナー24aのフランジ24bが固定されるとともに、左壁ガス空間74内にガスバーナー24aが延在している。このため、左壁ガス空間74を流れる酸化剤ガスは、内壁部61及びガスバーナー24aから多くの熱エネルギーを回収している。
以上から、BOP20には、高温に昇温した酸化剤ガスが供給されるようになる。
Further, the
As described above, the oxidizing gas heated to a high temperature is supplied to the
そのほか、放熱回収用筐体30によれば、酸化剤ガスが各壁部の熱エネルギーを回収するため、放熱回収用筐体30の外部空間に熱エネルギーが伝わり難い。言い換えると、放熱回収用筐体30を建物の外壁近傍やマンションの限られたスペースに設置しても、建物の外壁等に熱エネルギーが伝わり難い。以上から、放熱回収用筐体30を建物の外壁等に寄せて設置することが可能となり、設置スペースの狭小化を図れる。
In addition, according to the
以上、実施形態に係る放熱回収用筐体30について説明したが、本発明は、実施形態で説明した例に限定されない。
例えば、前記実施形態では、中間断熱層112全体がガス流路50として機能しているが、中間断熱層112内に、パイプ等からなるガス流路50を設け、中間断熱層112としての空気層と酸化剤ガスとを別とする構成であってもよい。
また、外側断熱層113の内部空間は、外側筐体30Bよりも大きく設定されており、外側断熱層113と外側筐体30Bとの間(互いの上壁部間、側壁部間等)に隙間が形成されている構成であってもよい。
また、本実施形態では、排ガス燃焼器24のガスバーナー24aのみが放熱回収用筐体30に支持されるようになっているが、起動用燃焼器25のガスバーナー(不図示)も放熱回収用筐体30に支持されるように構成してもよい。
さらに、放熱回収用筐体30に収容されたBOP20は、水蒸気改質型であったが、部分酸化型や、水蒸気改質型と部分酸化型との両方を備えたものであってもよく、特に限定されない。
As described above, the
For example, in the above-described embodiment, the entire intermediate
The inner space of the outer
In the present embodiment, only the
Further, the
1 燃料電池システム
10 燃料電池モジュール
12 燃料電池スタック
20 BOP(Balance Of Plant、周辺機器ユニット)
24 排ガス燃焼器
24a ガスバーナー
24b フランジ
30 放熱回収用筐体(燃料電池放熱回収用筐体)
30A 内側筐体
30B 外側筐体
40 結合ブラケット(結合部品)
50 ガス流路
52 ガス流入口
54 ガス流出口
60 本体部
80 蓋部
90 仕切り部
111 内側断熱層(顆粒断熱材)
112 中間断熱層(空気)
113 外側断熱層(ブロック断熱材)
S1 第1隙間
S2 第2隙間
Reference Signs List 1
24
112 Intermediate insulation layer (air)
113 Outer insulation layer (block insulation material)
S1 First gap S2 Second gap
Claims (2)
前記燃料電池モジュールを囲むように設けられている顆粒断熱材からなる内側断熱層と、
前記内側断熱層の外側に設けられており、前記燃料電池モジュール及び前記内側断熱層が収容される筐体形状を呈する、ブロック断熱材からなる外側断熱層と、
を備え、
前記内側断熱層と前記外側断熱層との間には、空気による中間断熱層が構成されており、
前記中間断熱層には、前記燃料電池スタックのカソード極に供給される酸化剤ガスが流通するガス流路が設けられており、
前記周辺機器ユニットは、前記燃料電池スタックから排出される排ガスを燃焼させる排ガス燃焼器を備え、
前記排ガス燃焼器のガスバーナーは、前記ガス流路内に延在している
ことを特徴とする燃料電池モジュールの断熱構造。 A heat insulating structure for a fuel cell module having a fuel cell stack and a peripheral device unit,
An inner heat insulating layer made of a granular heat insulating material provided so as to surround the fuel cell module,
An outer heat-insulating layer, which is provided outside the inner heat-insulating layer and has a housing shape in which the fuel cell module and the inner heat-insulating layer are housed, is made of a block heat-insulating material;
With
An intermediate heat insulating layer by air is configured between the inner heat insulating layer and the outer heat insulating layer ,
The intermediate heat insulating layer is provided with a gas flow path through which an oxidizing gas supplied to the cathode of the fuel cell stack flows,
The peripheral device unit includes an exhaust gas combustor that burns exhaust gas discharged from the fuel cell stack,
A heat insulation structure for a fuel cell module , wherein a gas burner of the exhaust gas combustor extends into the gas flow path .
前記内側筐体が収容される外側筐体と、
を備え、
前記内側断熱層は、前記内側筐体内に充填されている前記顆粒断熱材によって構成されており、
前記中間断熱層は、前記内側筐体と前記外側筐体との間に構成されており、
筐体形状を呈する前記外側断熱層には、前記外側筐体が収容されている
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池モジュールの断熱構造。 An inner housing in which the fuel cell module is housed,
An outer housing in which the inner housing is housed,
With
The inner heat insulating layer is constituted by the granular heat insulating material filled in the inner housing,
The intermediate heat insulating layer is configured between the inner housing and the outer housing,
The heat insulating structure for a fuel cell module according to claim 1, wherein the outer housing is housed in the outer heat insulating layer having a housing shape.
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