JP6701419B2 - 燃料電池装置 - Google Patents
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Description
図1に示すように、燃料電池装置100は、マニホールド2と、複数の燃料電池セル10と、燃料処理器70とを備えている。また、図2に示すように、燃料電池装置100は、ハウジング80、熱交換器81、第1空気供給経路P1、第2空気供給経路P2、燃料ガス供給経路P3、オフガス供給経路P4を備えている。また、燃料電池装置100は、原料ガス供給経路P5、及び水蒸気供給経路P6をさらに備えている。
図3に示すように、マニホールド2は、燃料電池セル10にガスを供給するように構成されている。また、マニホールド2は、燃料電池セル10から排出されたガスを回収するように構成されている。マニホールド2は、ガス供給室21とガス回収室22とを有している。ガス供給室21には、燃料処理器70から燃料ガスが供給される。ガス回収室22は、各燃料電池セル10にて使用された燃料ガスを回収する。
図5は、セルスタック装置の断面図を示している。なお、セルスタック装置は、複数の燃料電池セル10とマニホールド2とから構成されている。図5に示すように、燃料電池セル10は、マニホールド2から上方に延びている。燃料電池セル10は、基端部101がマニホールド2に取り付けられている。すなわち、マニホールド2は、各燃料電池セル10の基端部101を支持している。本実施形態では、燃料電池セル10の基端部101は下端部を意味し、燃料電池セル10の先端部102は上端部を意味する。
支持基板4は、マニホールド2から上下方向に延びている。詳細には、支持基板4は、マニホールド2から上方に延びている。支持基板4は、扁平状であり、基端部41と先端部42とを有している。基端部41及び先端部42は、支持基板4の長さ方向(x軸方向)における両端部である。本実施形態では、支持基板4の基端部41は下端部を意味し、支持基板4の先端部42は上端部を意味する。
複数の発電素子部5が、支持基板4の第1主面45及び第2主面46に支持されている。各発電素子部5は、支持基板4の長さ方向(x軸方向)に配列されている。詳細には、各発電素子部5は、支持基板4上において、基端部41から先端部42に向かって互いに間隔をあけて配置されている。すなわち、各発電素子部5は、支持基板4の長さ方向(x軸方向)に沿って、間隔をあけて配置されている。なお、各発電素子部5は、後述する電気的接続部9によって、互いに直列に接続されている。また、第1主面45に配置された発電素子部5と第2主面46に配置された発電素子部5とは、支持基板4の基端部41又は先端部42などにおいて、直列に接続されている。
電気的接続部9は、隣り合う発電素子部5を電気的に接続するように構成されている。電気的接続部9は、インターコネクタ91及び空気極集電膜92を有する。インターコネクタ91は、第2凹部612内に配置されている。詳細には、インターコネクタ91は、第2凹部612内に埋設(充填)されている。インターコネクタ91は、電子伝導性を有する緻密な材料から構成される焼成体である。インターコネクタ91は、支持基板4よりも緻密である。例えば、インターコネクタ91の気孔率は、0〜7%程度である。インターコネクタ91は、例えば、LaCrO3(ランタンクロマイト)から構成され得る。或いは、(Sr,La)TiO3(ストロンチウムチタネート)から構成されてもよい。インターコネクタ91の厚さは、例えば、10〜100μmである。
図5に示すように、連通部材3は、支持基板4の先端部42に取り付けられている。そして、連通部材3は、第1ガス流路43と第2ガス流路44とを連通させる連通流路30を有している。詳細には、連通流路30は、各第1ガス流路43と各第2ガス流路44とを連通する。連通流路30は、各第1ガス流路43から各第2ガス流路44まで延びる空間によって構成されている。連通部材3は、支持基板4に接合されていることが好ましい。また、連通部材3は、支持基板4と一体的に形成されていることが好ましい。連通流路30の数は、第1ガス流路43の数よりも少ない。本実施形態では、一本の連通流路30のみによって、複数の第1ガス流路43と複数の第2ガス流路44とが連通されている。
図2に示すように、ハウジング80は、マニホールド2及び燃料電池セル10を収容する。ハウジング80は、例えば、断熱材によって構成することができる。ハウジング80は、特に限定されるものではないが、直方体状に形成されている。
燃料処理器70は、マニホールド2のガス供給室21に供給される燃料ガスを生成する。例えば、燃料処理器70は、改質器である。燃料処理器70は、原料ガス(天然ガス、液化石油ガス、灯油など)を改質して燃料ガス(水素含有ガス)を生成する。例えば、下記(1)式及び(2)式に示すように、都市ガスの主成分であるメタン(CH4)及び水蒸気から、燃料ガス(水素含有ガス)を生成する。
CH4+2H2O→4H2+CO2 ・・・(1)
CH4+H2O→3H2+CO ・・・(2)
第1空気供給経路P1は、ハウジング80へ空気を供給する。詳細には、第1空気供給経路P1は、熱交換器81を経由してからハウジング80へ空気を供給する。第1空気供給経路P1によってハウジング80内へ供給された空気は、燃料電池セル10の発電に用いられる。第1空気供給経路P1は、例えば、ハウジング80内において、燃料電池セル10の上方から燃料電池セル10に向かって下方に空気を供給する。
熱交換器81は、第1空気供給経路P1内を流れる空気と、空気排出経路P7内を流れる空気とを熱交換させる。詳細には、空気排出経路P7内を流れる空気の熱によって第1空気供給経路P1内を流れる空気が加熱される。
上述したように構成された燃料電池装置100では、燃料処理器70によって生成された燃料ガスをマニホールド2のガス供給室21に供給するとともに、燃料電池セル10を空気などの酸素を含むガスに曝す。すると、空気極8において下記(3)式に示す化学反応が起こり、燃料極6において下記(4)式に示す化学反応が起こり、電流が流れる。
(1/2)・O2+2e−→O2− …(3)
H2+O2−→H2O+2e− …(4)
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
上記実施形態では、燃料ガス供給経路P3を介して燃料処理器70の第1排出部73とマニホールド2のガス供給室21とが連結しているが、燃料ガス供給経路P3の設置を省略してもよい。すなわち、燃料処理器70の第1排出部73とマニホールド2にガス供給室21とが直接連結されていてもよい。
上記実施形態では、マニホールド2の底面に、ガス供給口211及びガス排出口221が形成されているが、ガス供給口211及びガス排出口221の形成位置はこれに限定されない。例えば、ガス供給口211及びガス排出口221の少なくとも一方は、マニホールド2の側面に形成されていてもよいし、マニホールド2の上面に形成されていてもよい。
上記実施形態では、燃料処理器70は、改質器によって構成されているが、これに限定されない。例えば、燃料処理器70は、改質器に加えて、CO変性器及びCO浄化器などを有していてもよい。CO変性器は、改質器で発生した一酸化炭素および水から二酸化炭素及び水素を生成するように構成されている。また、CO浄化器は、改質器で発生した一酸化炭素に酸素を加えて、二酸化炭素へ変化させるように構成されている。
上記実施形態では、燃料処理器70は、燃料電池セル10が延びる方向に延びているが、これに限定されない。例えば、図8に示すように、燃料処理器70は、燃料電池セル10が延びる方向と交差する方向(y軸方向又はz軸方向)に延びていてもよい。詳細には、燃料電池セル10が上下方向に延びる場合、燃料処理器70は水平方向に延びていてもよい。すなわち、燃料処理器70は、マニホールド2の底面に沿って延びていてもよい。この場合、第1排出部73は、交差する方向に開口している。すなわち、第1排出部73は、燃料処理器70が延びる方向に開口している。
上記実施形態では、燃料処理器70の第2排出部74が下方を向いているが、これに限定されない。例えば、図8に示すように、第2排出部74は、水平方向を向いていてもよい。この場合、第2排出部74に接続される排気管P8を下方に向けることが好ましい。この排気管P8が水平面となす角度は3度以上であることが好ましい。
上記実施形態では、燃料処理器70はマニホールド2の下方に配置されているが、燃料処理器70の配置はこれに限定されない。例えば燃料処理器70は燃料電池セル10の側方に配置されていてもよい。
上記実施形態では、第1ガス流路43と第2ガス流路44とは、連通部材3が有する連通流路30によって連通されていたが、この構成に限定されない。例えば、図9に示すように、支持基板4が、内部に連通流路30を有していてもよい。この場合、燃料電池装置100は、連通部材3を備えていなくてもよい。この支持基板4内に形成された連通流路30によって、第1ガス流路43と第2ガス流路44とが連通されている。
図10に示すように、支持基板4は、第1支持基板4aと第2支持基板4bとに分かれていてもよい。この場合、第1支持基板4aに第1ガス流路43が形成され、第2支持基板4bに第2ガス流路44が形成される。
上記実施形態では、支持基板4は、複数の第1ガス流路43を有しているが、1つの第1ガス流路43のみを有していてもよい。同様に、支持基板4は、複数の第2ガス流路44を有しているが、1つの第2ガス流路44のみを有していてもよい。
上記実施形態では、燃料電池セル10はマニホールド2から上方に延びるように構成されているが、これに限定されない。例えば、燃料電池セル10は、マニホールド2から下方に延びていてもよい。この場合、燃料処理器70は、例えば、マニホールド2の上方に配置される。
上記実施形態のマニホールド2では、1つのマニホールド本体部23を仕切板24で仕切ることによって、ガス供給室21とガス回収室22とを画定しているが、マニホールド2の構成はこれに限定されない。例えば、2つのマニホールド本体部23によってマニホールド2を構成することもできる。この場合、1つのマニホールド本体部23がガス供給室21を有し、別のマニホールド本体部23がガス回収室22を有している。
上記実施形態の燃料電池セル10は、各発電素子部5が支持基板4の長さ方向(x軸方向)に配列されている、いわゆる横縞型の燃料電池セルであるが、燃料電池セル10の構成はこれに限定されない。例えば、燃料電池セル10は、支持基板4の第1主面45に1つの発電素子部5が支持された、いわゆる縦縞型の燃料電池セルであってもよい。この場合、支持基板4の第2主面46に一つの発電素子部5が支持されていてもよいし、支持されていなくてもよい。また、上記実施形態の燃料電池セル10は、いわゆる円筒平板形であるが、円筒形、又は平板形などであってもよい。
図11に示すように、燃料電池装置100は、気流生成部90をさらに備えていてもよい。気流生成部90は、燃料処理器70からハウジング80へ向かう気流を生成するように構成されている。例えば、気流生成部90は、ファンを有する。気流生成部90は、ハウジング80との間で燃料処理器70を挟むように配置される。すなわち、気流生成部90、燃料処理器70、ハウジング80の順で配列される。
図2に示すような構成の燃料電池装置100において、表1に示すように、第1空気供給経路P1によってハウジング80内に供給される空気の流量(Q1)、及び第2空気供給経路P2によってバーナ721に供給される空気の流量Q2を変えて、それぞれサンプルNo.1〜15として定格運転を行った。なお、各サンプルNo.1〜15において、各空気の流量(Q1,Q2)を変更した以外の条件は同じとしている。なお、本実施例では、直列に接続された表裏合わせて20個の発電素子部5を有する20枚の燃料電池セル10を用いて評価を行ったが、発電素子部5の数、及び燃料電池セル10の枚数を変更しても同様の結果が得られることを確認している。
表1における熱自立性の評価は次のようにして行った。定格運転時に各空気の流量(Q1,Q2)を表1に示すような割合とし、それから1日経過後、ハウジング80から排出されて空気排出流路P7内を流れる空気の温度を測定した。なお、空気の温度は、ハウジング80から熱交換器81の間で測定した。この空気の温度が600℃以上であるか否かを確認することで熱自立性を評価した。表1において、測定された空気の温度が600℃以上であるものを「○」、600℃未満であるものを「×」としている。
Os:O2濃度(%)
On:換算係数(%)
C:換算後のCO濃度
上記実施例1において熱自立性が「×」となったサンプルNo.1、2、10、15に対し、気流生成部90を用いて燃料処理器70からハウジング80に向かう気流を生成し、上記実施例1と同じように熱自立性の評価を行った。この気流生成部90によって熱処理器70に送風される空気の温度は、一般的に燃料電池装置が設置される環境の温度(15〜25℃)と同程度である。
実施例3では、実施例2と同様の試験を行った。ただし、気流生成部90によって燃料処理器70に送風する空気の温度を、−10℃以下としている。なお、実施例3において、この燃料処理器70に送風する空気の温度、流量Q3以外は、実施例2と同様の条件である。この実施例3における熱自立性の評価結果を表3に示す。
21 ガス供給室
22 ガス回収室
10 燃料電池セル
43 第1ガス流路
44 第2ガス流路
70 燃料処理器
80 ハウジング
81 熱交換器
P1 第1空気供給経路
P2 第2空気供給経路
P3 燃料ガス供給経路
P4 オフガス供給経路
Claims (6)
- 燃料電池セルと、
ガス供給室及びガス回収室を有するマニホールドと、
前記マニホールド及び前記燃料電池セルを収容するハウジングと、
バーナを有し、前記ガス供給室に供給される燃料ガスを生成する燃料処理器と、
前記ハウジング内へ空気を供給する第1空気供給経路と、
前記バーナへ空気を供給する第2空気供給経路と
前記燃料処理器から前記ガス供給室へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、
前記ガス回収室から前記バーナへ燃料ガスのオフガスを供給するオフガス供給経路と、
前記燃料処理器から前記ハウジングへ向かう気流を生成する気流生成部と、
を備える、
燃料電池装置。
- 前記第1空気供給経路によってハウジング内に供給される空気の流量(Q1)に対する、前記第2空気供給経路によってバーナに供給される空気の流量(Q2)の割合(Q2/Q1)は、0.05〜0.40である、
請求項1に記載の燃料電池装置。
- 前記第1空気供給経路によってハウジング内に供給される空気の流量(Q1)に対する、前記第2空気供給経路によってバーナに供給される空気の流量(Q2)の割合(Q2/Q1)は、0.10〜0.35である、
請求項1又は2に記載の燃料電池装置。
- 前記第1空気供給経路によってハウジング内に供給される空気の流量(Q1)に対する、前記気流生成部によって生成される気流の流量Q3の割合(Q3/Q1)は、0.1〜0.5である、
請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池装置。
- 前記第1空気供給経路内を流れる空気と前記ハウジングから排出される空気とを熱交換させるように構成された熱交換器をさらに備える、
請求項1から4のいずれかに記載の燃料電池装置。
- 前記燃料電池セルは、
前記ガス供給室と連通し、前記燃料電池セルの基端部から先端部に延びる少なくとも1つの第1ガス流路と、
前記ガス回収室と連通し、前記燃料電池セルの基端部から先端部に延びて前記燃料電池セルの先端部において前記第1ガス流路と連通する、少なくとも1つの第2ガス流路と、
を有する、
請求項1から5のいずれかに記載の燃料電池装置。
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