JP2010212038A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】改質器とセルスタックとが一体的に筐体内に配置された燃料電池において、運転中におけるセルスタックの温度分布を改善する技術を提供する。
【解決手段】燃料電池1000は、2つの気化部212,214と、改質部250とを備える。2つの気化部212,214はそれぞれ、燃料電池セル120の配列方向に沿う側面部が互いに向かい合うように並列に配置されたセルスタック100,110の上方に配置され、2つのセルスタック100,110の上方における燃料ガスと酸化ガスとの燃焼反応の反応熱を利用して、原燃料及び水を加熱して原燃料ガスを生成する。改質部250は、2つのセルスタック100,110の間に配置され、2つのセルスタック100,110からの熱を受けて、2つの気化部212,214から供給された原燃料ガスを水蒸気改質して、燃料ガスを生成する。
【選択図】図1In a fuel cell in which a reformer and a cell stack are integrally disposed in a casing, a technique for improving the temperature distribution of the cell stack during operation is provided.
A fuel cell includes two vaporization units (212, 214) and a reforming unit (250). The two vaporization parts 212 and 214 are respectively arranged above the cell stacks 100 and 110 arranged in parallel so that the side surfaces along the arrangement direction of the fuel cells 120 face each other. The raw fuel gas is generated by heating the raw fuel and water using the reaction heat of the combustion reaction between the fuel gas and the oxidizing gas in the upper part. The reforming unit 250 is disposed between the two cell stacks 100 and 110, receives heat from the two cell stacks 100 and 110, and converts the raw fuel gas supplied from the two vaporization units 212 and 214 into steam reforming. To produce fuel gas.
[Selection] Figure 1
Description
この発明は、燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell.
燃料電池には、炭化水素の改質反応により得られた水素含有ガス(燃料ガス)の供給を受けて、水素と酸素との電気化学反応によって発電するものがある。燃料電池の中でも、固体電解質形燃料電池は比較的高温(例えば、600℃以上)で発電を行うため、燃料電池の発電に伴う排熱を、改質反応を行うための改質器の加熱に利用する場合がある。これまで、燃料電池の排熱の利用効率を向上するとともに、燃料電池の小型化を実現するために、改質器と、複数の燃料電池セルが集電部材を間に介して配列されたセルスタックとを一体的に筐体内に配置した固体電解質形燃料電池が提案されてきた(特許文献1等)。 Some fuel cells are supplied with a hydrogen-containing gas (fuel gas) obtained by a hydrocarbon reforming reaction, and generate electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. Among fuel cells, solid oxide fuel cells generate power at a relatively high temperature (for example, 600 ° C. or higher). Therefore, waste heat generated by the power generation of the fuel cell is used to heat a reformer for performing a reforming reaction. May be used. Up to now, a reformer and a cell in which a plurality of fuel battery cells are arranged with a current collecting member interposed therebetween in order to improve the utilization efficiency of the exhaust heat of the fuel battery and to realize downsizing of the fuel battery There has been proposed a solid oxide fuel cell in which a stack is integrally disposed in a casing (Patent Document 1 and the like).
ところで、燃料電池の発電中には、セルスタックにおける温度分布が不均一となる場合がある。すると、例えば、固体電解質形燃料電池では、次のような問題がある。即ち、セルスタックにおける比較的高温な領域では、発電電気を集電するための集電部材の表面の酸化が促進されるため、当該領域における集電部材の抵抗が増大してしまう。また、当該領域における集電部材を構成する組成の一部が飛散して燃料電池セルのカソード側の電極に付着し、電極の劣化が引きおこされる可能性が増大してしまう。これまで、上述のような改質器とセルスタックとを一体的に筐体内に配置した燃料電池において、運転中のセルスタックの温度分布を略均一化することについて、十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。 By the way, during power generation of the fuel cell, the temperature distribution in the cell stack may become non-uniform. Then, for example, a solid oxide fuel cell has the following problems. That is, in the relatively high temperature region of the cell stack, the oxidation of the surface of the current collecting member for collecting generated electricity is promoted, so that the resistance of the current collecting member in the region increases. In addition, a part of the composition constituting the current collecting member in the region is scattered and attached to the electrode on the cathode side of the fuel cell, and the possibility that the electrode is deteriorated increases. Until now, in the fuel cell in which the reformer and the cell stack as described above are integrally disposed in the casing, sufficient contrivance has not been made to make the temperature distribution of the operating cell stack substantially uniform. It was the actual situation.
本発明は、改質器とセルスタックとが一体的に配置された燃料電池において、運転中におけるセルスタックの温度分布を改善する技術を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a technique for improving a temperature distribution of a cell stack during operation in a fuel cell in which a reformer and a cell stack are integrally arranged.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]
外部から導入される水を気化させるとともに、外部から導入される原燃料を昇温して、水蒸気を含む原燃料ガスを生成する気化部と、前記気化部から供給された前記原燃料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部とを備える改質器と、前記燃料ガスを上方へ誘導するガス流路が設けられた複数の燃料電池セルを配列してなる複数個のセルスタックと、前記改質器と前記複数個のセルスタックとを収納する筐体とを備え、前記複数個のセルスタックは、前記燃料電池セルの配列方向に沿う側部が互いに向かい合うように並列に配置され、前記複数個のセルスタックのそれぞれの上端部には、前記燃料電池セルの電気化学反応で消費されなかった前記燃料ガスを燃焼させる燃焼部が設けられており、前記気化部は、前記燃焼部の上方に配置されるとともに、前記改質部は隣り合う前記セルスタックの間に配置されている、燃料電池。
この原燃料を水蒸気改質して用いる構成の燃料電池によれば、その運転中において、気化部及び改質部を備える改質器が、燃焼部やセルスタックからの熱を改質反応に利用する。また、改質反応の一種である水蒸気改質反応は吸熱反応であることから、外部から導入される水を気化させる気化部及び水蒸気改質を行う改質部は、燃料電池内部において冷却部としても機能する。従って、改質器とセルスタックとが一体的に筐体内に配置され、小型化された燃料電池において、運転中におけるセルスタックの温度分布を改善することができる。
[Application Example 1]
While vaporizing water introduced from the outside and raising the temperature of the raw fuel introduced from the outside to generate raw fuel gas containing water vapor, the raw fuel gas supplied from the vaporizer is steamed A plurality of cell stacks formed by arranging a reformer having a reforming unit that reforms to generate fuel gas, and a plurality of fuel cells provided with gas flow paths for guiding the fuel gas upward And a housing for housing the reformer and the plurality of cell stacks, wherein the plurality of cell stacks are arranged in parallel so that side portions along the arrangement direction of the fuel cells face each other And a combustion part for combusting the fuel gas that has not been consumed by an electrochemical reaction of the fuel cell is provided at an upper end of each of the plurality of cell stacks. Placed above the section Together are, the reformer is disposed between the cell stack adjacent the fuel cell.
According to the fuel cell configured to use the raw fuel after steam reforming, during the operation, the reformer including the vaporization unit and the reforming unit uses heat from the combustion unit and the cell stack for the reforming reaction. To do. In addition, since the steam reforming reaction, which is a kind of reforming reaction, is an endothermic reaction, the vaporization unit that vaporizes water introduced from the outside and the reforming unit that performs steam reforming are used as cooling units inside the fuel cell. Also works. Therefore, the reformer and the cell stack are integrally disposed in the casing, and in the miniaturized fuel cell, the temperature distribution of the cell stack during operation can be improved.
[適用例2]
適用例1に記載の燃料電池であって、前記気化部は、前記複数個のセルスタックの上方に、当該複数個のセルスタックのそれぞれに対応して配置されている、燃料電池。
この燃料電池によれば、複数個のセルスタックのそれぞれに対して気化部が設けられるため、気化部における水の気化に伴う吸熱により、セルスタックの上端部における温度が著しく高温になることを抑制することができる。また、各セルスタック間において運転温度の不均一さが生じることを抑制できる。従って、改質器とセルスタックとが一体的に筐体内に配置され、小型化された燃料電池において、運転中におけるセルスタックの上下方向における温度分布を改善することができる。
[Application Example 2]
The fuel cell according to Application Example 1, wherein the vaporization unit is disposed above the plurality of cell stacks so as to correspond to each of the plurality of cell stacks.
According to this fuel cell, since the vaporization portion is provided for each of the plurality of cell stacks, the temperature at the upper end portion of the cell stack is prevented from becoming extremely high due to heat absorption due to the vaporization of water in the vaporization portion. can do. Moreover, it can suppress that the operating temperature nonuniformity arises between each cell stack. Therefore, in the fuel cell in which the reformer and the cell stack are integrally disposed in the housing, the temperature distribution in the vertical direction of the cell stack during operation can be improved.
[適用例3]
適用例1または適用例2に記載の燃料電池であって、前記改質部は、隣り合う前記セルスタック間で、かつ前記燃料電池セルの配列方向におけるほぼ中央において、前記セルスタックの上方側から垂下して配置されている、燃料電池。
この燃料電池によれば、一般に運転中の温度が比較的高くなるセルスタックにおいて、燃料電池セルの配列方向におけるほぼ中央の領域を、吸熱反応である水蒸気改質を行う改質部によって冷却することができる。また、燃焼部の熱により比較的高温となるセルスタックの上端部側の領域を改質部によって冷却できる。従って、改質器とセルスタックとが一体的に筐体内に配置され、小型化された燃料電池において、運転中におけるセルスタックの燃料電池セルの配列方向における温度分布を改善することができる。
[Application Example 3]
The fuel cell according to Application Example 1 or Application Example 2, wherein the reforming unit is located between the adjacent cell stacks and approximately at the center in the arrangement direction of the fuel cell cells from above the cell stack. A fuel cell that hangs down.
According to this fuel cell, in a cell stack in which the temperature during operation is generally relatively high, a substantially central region in the arrangement direction of the fuel cell is cooled by a reforming unit that performs steam reforming, which is an endothermic reaction. Can do. Moreover, the area | region of the upper end part side of the cell stack which becomes comparatively high temperature with the heat | fever of a combustion part can be cooled by the modification part. Therefore, in the fuel cell in which the reformer and the cell stack are integrally disposed in the casing and reduced in size, the temperature distribution in the arrangement direction of the fuel cells in the cell stack during operation can be improved.
[適用例4]
適用例3に記載の燃料電池であって、前記筐体内に、隣り合う前記セルスタックと、2つの該セルスタックの上方に、当該2つのセルスタックのそれぞれに対応して配置される前記気化部と、隣り合う2つの前記セルスタックの間に配置される前記改質部とを1組として、複数組が配置されている、燃料電池。
この燃料電池によれば、隣り合う2つのセルスタックと、隣り合う2つのセルスタックの上方に、当該2つのセルスタックのそれぞれに対応して配置される気化部と、隣り合う2つのセルスタックの間に配置される改質部とを1組とする。即ち、この燃料電池では、各組のセルスタックに対して1つの改質部が配置される。従って、各組のセルスタックを均等に冷却することができ、気化部と改質部とセルスタックとが一体的に筐体内に配置され、小型化された燃料電池において、運転中におけるセルスタックの温度分布を改善することができる。
[Application Example 4]
The fuel cell according to Application Example 3, wherein the cell stack adjacent to the cell stack and the vaporization unit disposed above the two cell stacks and corresponding to each of the two cell stacks. A fuel cell in which a plurality of sets are arranged, with the reforming unit arranged between two adjacent cell stacks as one set.
According to this fuel cell, the two adjacent cell stacks, the vaporization portion disposed corresponding to each of the two cell stacks above the two adjacent cell stacks, and the two adjacent cell stacks A set of the reforming sections arranged between them is taken as one set. That is, in this fuel cell, one reforming unit is arranged for each set of cell stacks. Therefore, each set of cell stacks can be evenly cooled, and the vaporization unit, the reforming unit, and the cell stack are integrally disposed in the casing, and in the miniaturized fuel cell, the cell stack during operation is reduced. The temperature distribution can be improved.
[適用例5]
適用例1ないし適用例4のいずれかに記載の燃料電池であって、前記筐体内に、前記複数個のセルスタックの下方に配置され、前記燃料電池セルの前記ガス流路に、前記燃料ガスを供給するための燃料ガスマニホールド部と、前記燃料ガスマニホールド部と前記改質部とを接続する燃料ガス配管とを備え、前記燃料ガス配管は、隣り合う前記セルスタックの間のほぼ中央を通っている、燃料電池。
この燃料電池によれば、燃料ガス配管に流入した燃料ガスが、隣り合うセルスタックのそれぞれの熱を受けるため、燃料ガスマニホールド部に到達するまでに温度が低下してしまうことを抑制できる。従って、高温の燃料ガスを燃料ガスマニホールド部に供給することができることから、セルスタックを構成する燃料電池セルの下端部側の温度を上昇させることができ、運転中におけるセルスタックの上下方向における温度分布を改善することができる。
[Application Example 5]
The fuel cell according to any one of Application Examples 1 to 4, wherein the fuel gas is disposed in the casing below the plurality of cell stacks, and the fuel gas is disposed in the gas flow path of the fuel cell. And a fuel gas pipe connecting the fuel gas manifold part and the reforming part, and the fuel gas pipe passes through substantially the center between the adjacent cell stacks. A fuel cell.
According to this fuel cell, since the fuel gas that has flowed into the fuel gas pipe receives the heat of each of the adjacent cell stacks, it is possible to suppress the temperature from decreasing before reaching the fuel gas manifold portion. Accordingly, since the high-temperature fuel gas can be supplied to the fuel gas manifold, the temperature on the lower end side of the fuel cell constituting the cell stack can be increased, and the temperature in the vertical direction of the cell stack during operation can be increased. Distribution can be improved.
[適用例6]
適用例1ないし適用例5のいずれかに記載の燃料電池であって、前記燃焼部からの排ガスを排出するための排ガス流路を備え、前記気化部の少なくとも一部は、前記排ガス流路内に配置されている、燃料電池。
この燃料電池によれば、気化部が、燃焼部やセルスタックの熱に加えて、排ガスの熱を利用することができる。また、気化部が排ガス流路内に配置された領域だけ、気化部の熱交換面積が増加し、その冷却効果が向上する。そのため、運転中のセルスタックの上端部側の領域を冷却でき、運転中のセルスタックにおける上下方向の温度分布を改善することができる。
[Application Example 6]
The fuel cell according to any one of Application Examples 1 to 5, further comprising an exhaust gas passage for discharging exhaust gas from the combustion section, wherein at least a part of the vaporization section is in the exhaust gas passage. The fuel cell is arranged in the.
According to this fuel cell, the vaporization unit can utilize the heat of the exhaust gas in addition to the heat of the combustion unit and the cell stack. Further, the heat exchange area of the vaporization part is increased only in the region where the vaporization part is disposed in the exhaust gas flow path, and the cooling effect is improved. Therefore, the region on the upper end side of the operating cell stack can be cooled, and the vertical temperature distribution in the operating cell stack can be improved.
[適用例7]
適用例1ないし適用例6のいずれかに記載の燃料電池であって、前記気化部と前記改質部との間に接続された第2の改質部を備えるとともに、前記第2の改質部は、前記燃焼部の上方で、かつ前記気化部の上方の部位に配置されている、燃料電池。
この燃料電池によれば、第2の改質部が追加された分だけ、改質効率が向上する。また、第2の改質部の冷却機能によって、セルスタックの上端部側の領域における運転温度が著しく高くなることを抑制できる。従って、運転中のセルスタックにおける上下方向の温度分布を改善することができる。
[Application Example 7]
The fuel cell according to any one of Application Example 1 to Application Example 6, wherein the fuel cell includes a second reforming unit connected between the vaporization unit and the reforming unit, and the second reforming unit. The fuel cell is disposed at a position above the combustion section and above the vaporization section.
According to this fuel cell, the reforming efficiency is improved by the addition of the second reforming section. Moreover, it can suppress that the operating temperature in the area | region of the upper end part side of a cell stack becomes very high with the cooling function of a 2nd modification part. Therefore, the temperature distribution in the vertical direction in the operating cell stack can be improved.
[適用例8]
適用例1ないし適用例7のいずれかに記載の燃料電池であって、隣り合う前記セルスタックのそれぞれに前記酸化ガスを供給するための酸化ガス配管を複数備え、前記酸化ガス配管は、前記改質部に対して前記燃料電池セルの配列方向の両側に、それぞれ前記筐体の上方より垂下して配置されるとともに、前記セルスタックのそれぞれの下方から前記酸化ガスを供給する、燃料電池。
この燃料電池によれば、複数の酸化ガス配管は、酸化ガスを、熱交換させながら上方から下方へと誘導することができる。従って、運転温度が比較的高いセルスタックの上端部側から、比較的運転温度が低い下端部側へと、酸化ガスを熱媒体として、熱を伝達させることができる。また、複数の酸化ガス配管はそれぞれ、改質部に対して燃料電池セルの配列方向の両側に設けられている。従って、比較的運転温度が低くなる当該領域において、上記熱伝達を行うことができ、運転中におけるセルスタックの温度分布をより改善することができる。
[Application Example 8]
The fuel cell according to any one of Application Examples 1 to 7, wherein the fuel cell includes a plurality of oxidizing gas pipes for supplying the oxidizing gas to each of the adjacent cell stacks. A fuel cell, which is disposed on both sides of the fuel cell in the arrangement direction of the fuel cell from the upper side of the casing and supplies the oxidizing gas from the lower side of the cell stack.
According to this fuel cell, the plurality of oxidizing gas pipes can guide the oxidizing gas from above to below while exchanging heat. Therefore, heat can be transferred from the upper end portion of the cell stack having a relatively high operating temperature to the lower end portion having a relatively low operating temperature, using the oxidizing gas as a heat medium. Each of the plurality of oxidizing gas pipes is provided on both sides in the fuel cell arrangement direction with respect to the reforming portion. Therefore, the heat transfer can be performed in the region where the operation temperature is relatively low, and the temperature distribution of the cell stack during operation can be further improved.
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various forms, for example, in the form of a fuel cell, a fuel cell system including the fuel cell, a vehicle equipped with the fuel cell system, and the like. .
A.第1実施例:
図1及び図2,図3は、本発明の一実施例としての燃料電池の構成を示す概略図である。図1〜図3はそれぞれ、異なる方向から燃料電池1000を見たときの図であり、各図が対応するように三次元方向を示す矢印x,y,zが示されている。図1は、燃料電池1000の正面図である。図1では、矢印yの示す方向は、紙面奥行き方向と一致しており、矢印xは、紙面に対して右方向を示し、矢印zは、紙面に対して上方向を示している。なお、矢印zの示す方向は、重力方向とは反対の方向である。図2は、図1の紙面に対して右側の側面から燃料電池1000を見た右側面図である。図3は、図1及び図2の紙面に対して上方から燃料電池1000を見たときの上面図である。
A. First embodiment:
1, 2, and 3 are schematic views showing the configuration of a fuel cell as an embodiment of the present invention. 1 to 3 are views when the
なお、図1〜図3では、説明の便宜上、燃料電池1000の筐体500及び筐体500に設けられた後述するガス流路が破線で図示されており、図2及び図3には、酸化ガス供給配管600及び排ガス配管730の図示は省略されている。また、図3では、図1及び図2にハッチングを付して実線により図示された燃料ガスマニホールド部300と床断熱材400とが破線で図示されている。さらに、図3では、2つのセルスタック100,110が配置されている領域が一点鎖線で図示されている。
1 to 3, for convenience of explanation, the
この燃料電池1000は、外部から供給された原燃料を改質して生成された水素含有ガス(燃料ガス)と、外部から供給された酸化ガス(酸素、空気等)との電気化学反応によって発電する固体電解質形燃料電池である。燃料電池1000は、筐体500の内部空間550に、複数個の燃料電池セル120が集電部材(図1〜図3においては図示せず)を介して配列された第1と第2のセルスタック100,110と、原燃料を改質する改質器200とが一体的に配置されている。
The
図4は、2つのセルスタック100,110の構成を示す概略図であり、図2に示す4−4切断に相当する断面を示している。図4には、図3の三次元方向を示す矢印x,y,zと対応する矢印x,y,zが図示されている。2つのセルスタック100,110を構成する各燃料電池セル120は、固体電解質10と、アノード21と、カソード22と、支持基材30と、インターコネクタ40とで構成され、各燃料電池セル120の間には、集電部材42が配置されている。より具体的には、中空平板状の支持基材30の第1の面31と、その湾曲した2つの側面33とをアノード21が被覆し、アノード21の外表面を固体電解質10が被覆している。カソード22は、支持基材30の第1の面31側の固体電解質10上に配置されている。支持基材30の第2の面32には、発電電気を集電するためのインターコネクタ40が積層されている。インターコネクタ40は、燃料ガスと酸化ガスとを分離し、混合しない役割を果たしている。なお、固体電解質10の両端部とアノード21の両端部は、インターコネクタ40に接合されている。
FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of the two
各セルスタック100,110では、各燃料電池セル120のカソード22と集電部材42とが直接的に面するように配置され、各燃料電池セル120は、電気的に直列に接続される。なお、支持基材30の内部には、矢印z方向に延びる燃料ガスのための複数の(図では4本の)ガス流路孔36が設けられている。支持基材30は、ガス流路孔36内部からアノード21へと水素を透過させることができるよう多孔質(例えば、気孔率が10〜50%程度)に形成されている。また、集電部材42は、その内部に中空部43を有している。中空部43は、酸化ガスのための流路として機能する(後述)。
In each
ここで、筐体500内の底部には、平板状の床断熱材400と、同じく平板状の燃料ガスマニホールド部300とが配置されているが、2つのセルスタック100,110は燃料ガスマニホールド部300の上面に配置される(図1〜図3)。2つのセルスタック100,110はそれぞれ、燃料電池セル120の配列方向に沿った側面部が互いに向かい合うように並列に配置される。なお、燃料ガスマニホールド部300は、内部に燃料ガスが流入するガス室310を有しており、ガス室310と、各燃料電池セル120のガス流路孔36とは接続される。
Here, a flat floor
図5(A)は、改質器200の構成を示す概略斜視図である。図5(A)には、図4の三次元方向を示す矢印x,y,zに対応する矢印x,y,zが図示されている。改質器200は、矢印y方向(燃料電池セル120の配列方向)に沿って延びる略四角柱形状を有する第1と第2の水平本体部212,214と、矢印z方向(燃料電池セル120の長手方向)に沿って延びる略四角柱形状を有する垂直本体部250とを備える。第1と第2の水平本体部212,214は互いにほぼ同じサイズを有しており、矢印xの方向に並列に配置される。垂直本体部250は、第1と第2の水平本体部212,214の間のほぼ中央の位置に、垂直本体部250の上面と、第1と第2の水平本体部212,214の上面とが、ほぼ同じ高さとなるように配置される。垂直本体部250と、各水平本体部212,214とは、連結配管231によって、固定される。即ち、改質器200では、2つの水平本体部212,214が、垂直本体部250を中心に対称に配置され、垂直本体部250は、2つの水平本体部212,214の間から重力方向に垂下された構造である。垂直本体部250の底面側には、燃料ガス配管260が接続されている。燃料ガス配管260は、略L字状の配管であり、改質部250の底面側から矢印y(セルスタック100,110における一端側)の方向に延びた後、ほぼ直角に折れ曲がって、その先端が燃料ガスマニホールド部300と接続される。
FIG. 5A is a schematic perspective view showing the configuration of the
2つの水平本体部212,214にはそれぞれ、正面側(紙面手前側)の面に、燃料電池1000の外部から原燃料と原燃料の改質反応(水蒸気改質)に用いられる水(以後、「改質用水」と呼ぶ)とを導入するための原料導入配管233が設けられている。この改質器200では、2つの水平本体部212,214が、改質用水を気化させるとともに、原燃料を改質反応に適した温度にまで昇温して、水蒸気を含む原燃料ガスを生成する気化部として機能する。以後、第1と第2の水平本体部212,214をそれぞれ、「第1の気化部212」及び「第2の気化部214」とも呼ぶ。なお、本実施例の燃料電池1000では、原燃料として、都市ガスなどのメタン(CH4)含有ガスが用いられる。以後、原燃料及び改質用水を含む改質に用いられる原料を単に「原料」と呼ぶ。
Each of the two horizontal
垂直本体部250は、2つの気化部212,214から供給される昇温された水蒸気を含む原燃料ガスを用いて、水蒸気改質により水素を生成する改質部として機能する。以後、垂直本体部250を、「改質部250」とも呼ぶ。改質部250の内部には、ルテニウム系触媒やニッケル系触媒などが配置されており、改質部250に供給された原燃料ガスの改質反応が促進される。
The vertical
図5(B)は、図5(A)に示すB−B切断における改質器200の断面を示す概略断面図であり、第1の気化部212の内部構造が模式的に示されている。図5(B)には、図5(A)の三次元方向を示す矢印x,y,zに対応する矢印x,y,zが図示されており、第1のセルスタック100が、燃料電池1000における配置位置と同様な位置に破線で図示されている。なお、第2の気化部214の内部構造も第1の気化部212と同様であるため、図示及び説明は省略する。
FIG. 5B is a schematic cross-sectional view showing a cross section of the
第1の気化部212は、隔壁223によって上下二層に仕切られた内部空間221,225を有している。原料導入配管233は、重力方向下側の内部空間221(以後、「下層室221」と呼ぶ)と接続されている。下層室221は、原料導入配管233との接続部と反対の端部側において、重力方向上側の内部空間225(以後、「上層室225」と呼ぶ)と連通している。上層室225は、改質部250と連通する連結配管231と接続されている。この構成により、原料導入配管233から供給された原料は、下層室221を通過して上層室225へと流入し、連結配管231を介して改質部250へと供給される。なお、下層室221や上層室225には、原燃料を昇温させるためのAl2O3などのセラミックスボールなどが封入されているものとしても良い。
The
ところで、2つの気化部212,214は、後述するように、その下方における燃料ガスの燃焼反応や2つのセルスタック100,110における発電反応の反応熱を利用して、原料を昇温・加熱する。即ち、2つの気化部212,214は、下方から熱を与えられる。従って、第1の気化部212では、上述の二層構造により、下層室221内に原料を十分に行き渡らせることができ、その昇温機能が向上されている。
By the way, as will be described later, the two
改質器200は、筐体500の内部の上方に、支持部材(図示せず)によって固定的に配置される(図1〜図3)。具体的には、2つの気化部212,214がそれぞれ、2つのセルスタック100,110の上方に配置され、改質部250が、2つのセルスタック100,110の間に垂下して配置される。即ち、改質部250は、セルスタック100,110の上方側より垂下して配置されている。ところで、筐体500の内部には、酸化ガスを2つのセルスタック100,110に供給するための酸化ガスダクト640(破線で図示)が、改質部250に対して燃料電池セル120の配列方向の両側に設けられている。そこで、燃料ガス配管260は、酸化ガスダクト640との接触をさけるために、改質部250の中心より、右側面方向(矢印xの方向)に寄った位置に設けられている(ただし、セルスタック100,110の間のほぼ中央を通っている)。
The
なお、各気化部212,214の上面の燃料電池セル120の配列方向に沿った長さと、各セルスタック100,110における燃料電池セル120の配列方向における長さとは、ほぼ同じである。矢印z方向に沿ってみると、各セルスタック100,110の上面は、2つの気化部212,214の底面によって覆われる。また、改質部250は、矢印y方向において、各セルスタック100,110を構成する燃料電池セル120の配列方向におけるほぼ中央部に位置している。さらに、改質部250と、2つのセルスタック100,110のそれぞれとの間の距離は、ほぼ等しい(図1)。
Note that the length along the arrangement direction of the
図6は、燃料電池1000における原燃料ガス及び燃料ガスの流れを説明するための模式図である。図6は、以下の点以外は、図1とほぼ同じである。即ち、図6は、改質器200と、2つのセルスタック100,110と、燃料ガスマニホールド部300以外の図示が省略されている。また、図6は、2つの気化部212,214の内部構造及び各燃料電池セル120に設けられたガス流路孔36が破線で図示され、原燃料ガス及び燃料ガスの流れを示す矢印が追加されている。なお、図6には、図5の三次元方向を示す矢印x,y,zと対応する矢印x,y,zが図示されている。
FIG. 6 is a schematic diagram for explaining the flow of raw fuel gas and fuel gas in the
改質器200の改質部250は、2つの気化部212,214からそれぞれ、連結配管231を介して、昇温された原燃料ガスの供給を受ける。改質部250の水蒸気改質で生成された水素を含む燃料ガスは、燃料ガス配管260を介して燃料ガスマニホールド部300へと供給される。さらに、燃料ガスは、燃料ガスマニホールド部300のガス室310から、2つのセルスタック100,110の各燃料電池セル120に設けられたガス流路孔36へと供給される。ガス流路孔36に供給された燃料ガスは、各燃料電池セル120において発電反応に供されつつ、上方へと流れ、2つのセルスタック100,110の上端部から、2つの気化部212,214の下方に排出される。
The reforming
図7は、燃料電池1000に設けられた酸化ガス及び排ガスのためのガス流路の構成を説明するための概略図である。図7は、改質器200が一点鎖線で図示されている点と、筐体500及び後述する酸化ガスのためのガス流路が実線で図示されている点と、排ガスのためのガス流路が破線で図示されている点と、ガスの流れを示す矢印が追加されている点以外は、図1とほぼ同じである。
FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the configuration of the gas flow path for the oxidizing gas and the exhaust gas provided in the
筐体500は、略直方体形状を有する中空の箱体である。筐体500は、その上面部510や、側面部520、底面部530の各壁面を多重構造とすることによって、酸化ガスのための流路や、燃料電池セル120での反応に供されることのなかった燃料ガスを燃焼させた後の燃焼ガスを含む排ガスのための流路が形成されている。具体的には、各流路は、以下のように形成されている。
The
底面部530は、外界と接する外壁531と、その内側の第1の隔壁532と、さらに、その上方の第2の隔壁534とを有する。外壁531と第1の隔壁532との間には、酸化ガスが流入する空間である底面部酸化ガス室610が形成されており、第1の隔壁532と第2の隔壁534との間には、排ガスが流入する空間である排ガス流路室720が形成されている。底面部酸化ガス室610及び排ガス流路室720にはそれぞれ、酸化ガス供給配管600及び排ガス配管730とが接続されている。なお、第2の隔壁534には、床断熱材400を介して燃料ガスマニホールド部300及び2つのセルスタック100,110が載置されている。
The
紙面に向かって筐体500の左右に位置する2つの側面部520はそれぞれ、外部と接する外壁521と、その内側の第1の隔壁522と、さらに、その内側の第2の隔壁524とを有している。外壁521と第1の隔壁522との間には、底面部酸化ガス室610と連通する側面部酸化ガス流路620が形成されている。また、第1の隔壁522と第2の隔壁524との間には、排ガス流路室720と連通する排ガス流路710が形成されている。
The two
なお、第2の隔壁524の上端は、2つのセルスタック100,110の上端と同程度の高さとなるように配置され、排ガス流路710は、上方において、内部空間550と連通している。また、2つの気化部212,214の一部は、内部空間550から、第2の隔壁524を越えて排ガス流路710の上方にまで張り出している。第2の隔壁524と2つのセルスタック100,110との間にはそれぞれ、適宜、断熱材が配置されるものとしても良い。なお、この断熱材は、発電反応で消費されなかった酸化ガスが、後述する燃焼部において改質ガスとの燃焼にも利用されることなく、排ガス流路710から流出してしまう、未反応酸化ガスのショートカットを抑制する役割を果たす。また、当該断熱材は、未反応酸化ガスのショートカットによって、局部的に空気利用率が上昇し、酸化ガスが不足してしまうことに伴って発生する、カソード材料の還元によるセルスタックの耐久性低下を抑制する役割も果たす。
Note that the upper ends of the
上面部510は、外部と接する外壁511と、その内側の隔壁512とを有し、外壁511と隔壁512との間には、側面部酸化ガス流路620と連通する上面部酸化ガス室630が形成されている。上面部酸化ガス室630のほぼ中央には、酸化ガスを内部空間550に供給するために内部空間550に(セルスタック100,110の間に延びるように)垂下された酸化ガスダクト640が接続されている。
The
図8は、酸化ガスダクト640の構成及び酸化ガスダクト640と改質器200との配置関係を説明するための概略斜視図である。図8は、酸化ガスダクト640が追加されている点以外は、ほぼ図5(A)と同じである。また、図8に図示された酸化ガスダクト640と改質器200との位置関係は、筐体500内部における両者の位置関係と同様である。さらに、図8には、酸化ガスの流れを示す矢印が図示されている。
FIG. 8 is a schematic perspective view for explaining the configuration of the oxidizing
酸化ガスダクト640は、上方に開いた略「コ」の字型の配管である。即ち、酸化ガスダクト640は、重力方向に延びる第1と第2の配管部641,642と、矢印yの示す方向(燃料電池セル120の配列方向)に延び、第1と第2の配管部641,642を連結する第3の配管部643とを有する。第1と第2の配管部641,642の端部はそれぞれ、筐体500の上面部酸化ガス室630と接続される。第1と第2の配管部641,642の間には、改質器200の改質部250が配置され、改質部250の下端部側には、第3の配管部643が位置する。それにより、複数の酸化ガス配管641,642が、改質部250に対して燃料電池セル120の配列方向の両側に、筐体500の上方より垂下して配置されている。また、第3の配管部643の2つのセルスタック100,110と面する各壁面には、貫通孔である開口部645が設けられている。
The oxidizing
ここで、図7及び図8を用いて、燃料電池1000における酸化ガス及び排ガスの流れを説明する。酸素含有ガスである酸化ガスは、酸化ガス供給配管600を介して燃料電池1000の外部から底面部酸化ガス室610へと供給される。底面部酸化ガス室610の酸化ガスは、側面部酸化ガス流路620を介して上面部酸化ガス室630へと流入する。なお、側面部酸化ガス流路620において酸化ガスは、排ガス流路710の排ガスとの間で熱交換をして昇温される。また、上面部酸化ガス室630において酸化ガスは、改質器200や内部空間550との間で熱交換をし、さらに、昇温される。上面部酸化ガス室630の酸化ガスは、酸化ガスダクト640へと流入し、重力方向へと流れ、開口部645から各セルスタック100,110の下端部側より流出する。酸化ガスダクト640から流出した酸化ガスの一部は、2つのセルスタック100,110の集電部材42に設けられたスリットを介して集電部材42の中空部43へと流入し、中空部43の内部を下方から上方へと流れる。集電部材42の中空部43に流入しなかった酸化ガスは、2つのセルスタック100,110や、酸化ガスダクト640、改質部250の外表面に沿って、内部空間550の下端部側から上端部側へと流れる。
Here, the flow of the oxidizing gas and the exhaust gas in the
上述したように、2つのセルスタック100,110の上端部からは、発電反応に供されることのなかった燃料ガスが流出している(図6)。即ち、発電反応に供されることのなかった燃料ガスと酸化ガスとは、2つのセルスタック100,110の上端部と2つの気化部212,214の底面との間(「燃焼部」と呼ぶ)において混合され、点火手段(図示せず)によって着火して燃焼する。2つの気化部212,214は、この燃焼部における燃焼反応の発熱を利用して、原燃料及び改質用水を加熱する。燃焼後の排ガスは、2つの気化部212,214の底面、側面及び上面に沿って排ガス流路710へと流入し、排ガス流路室720へと流れ、排ガス配管730を介して燃料電池1000の外部へと排出される。
As described above, the fuel gas that has not been subjected to the power generation reaction flows out from the upper ends of the two
図9は、運転中の燃料電池1000における第1のセルスタック100の温度分布を説明するための模式図である。図9は、図2と同じ方向から燃料電池1000を見たときの第1のセルスタック100が模式的に示されている。また、図9には、燃料電池1000において、改質器200が配置される位置が一点鎖線で図示されており、酸化ガスダクト640が配置される位置が破線で図示されている。なお、以下の温度分布についての説明は、第2のセルスタック110についても同様である。
FIG. 9 is a schematic diagram for explaining the temperature distribution of the
一般に、複数の燃料電池セル120を配列してなるセルスタックでは、運転中の動作温度は、燃料電池セル120の配列方向における中央部が高くなる傾向にある。従って、第1のセルスタック100においても、燃料電池セル120の配列方向における中央部が高温となり、配列方向の端部が低温となる。また、燃料電池1000では、セルスタック100の上端部と気化部212との間で燃料ガスと酸化ガスとを燃焼させる。そのため、第1のセルスタック100では、燃料電池セル120の上端部側が高温となる。具体的には、第1のセルスタック100では、運転中に、500℃〜1100℃の範囲で運転温度のばらつきが発生する可能性がある。
In general, in a cell stack in which a plurality of
セルスタックの温度分布が不均一になると、第1のセルスタック100の比較的高温な領域では、各燃料電池セル120のインターコネクタ40や集電部材42の表面において構成部材の一部が酸化した酸化被膜(例えば、酸化クロム(Cr2O3)などの被膜)の生成が促進されてしまう。すると、各燃料電池セル120同士の間の接触抵抗が増大する。また、当該領域では、各燃料電池セル120のインターコネクタ40や集電部材42の構成部材の一部(例えば、Cr)が飛散してカソード22に付着し、カソード22の劣化が引きおこされてしまう。また、一般に、運転温度が比較的高い領域では、発電量も増大する。そのため、当該領域における構成部材の劣化が促進される場合がある。このように、第1のセルスタック100における温度分布が不均一となると、比較的高温となる領域の劣化が局所的に促進され、燃料電池1000の劣化の原因となる。
When the temperature distribution of the cell stack becomes nonuniform, in the relatively high temperature region of the
しかし、この燃料電池1000では、第1のセルスタック100において最も高温となる可能性が高い燃料電池セル120の配列方向におけるほぼ中央部において、上方から下方に垂下するように、改質部250が配置される。一般に、改質部250の動作温度は約600℃程度であり、水蒸気改質反応は吸熱反応である。即ち、改質部250は、第1のセルスタック100に対して冷却部として機能する。
However, in this
また、この燃料電池1000では、第1のセルスタック100の上方に、その燃料電池セル120の配列方向に沿って、第1の気化部212が配置されている。燃料電池1000の運転中における温度が第1のセルスタック100より低い第1の気化部212は、第1のセルスタック100に対して冷却部として機能し、その冷却効果は、第1のセルスタック100の燃料電池セル120の配列方向に沿って略均一に及ぶ。即ち、第1の気化部212によって、第1のセルスタック100の上端における局所的な昇温を抑制することができる。
In the
なお、図5(B)で説明したように、第1の気化部212は、上層室225と下層室221との二層構造によって、原燃料ガス及び改質用水の配流性を向上させ、下層室221の全体に原燃料ガス及び改質用水を行き渡らせている。これによって、この第1の気化部212では、下層室221における温度分布がより均一化されており、第1のセルスタック100の燃料電池セル120の配列方向に沿った上端部側に対する冷却効果が向上する。
As described with reference to FIG. 5B, the
さらに、この燃料電池1000では、酸化ガスダクト640を流れる酸化ガスは、第1のセルスタック100の上端部側から下端部側へと流れ、開口部645から第1のセルスタック100に向かって流出する。従って、第1のセルスタック100の運転中の温度分布が、その上下方向に不均一になった場合には、酸化ガスは、第1のセルスタック100の上端部側の熱を下端部側へと伝達する熱媒体として機能する。即ち、酸化ガスによって、第1のセルスタック100の上下方向における運転温度の不均一さを緩和することができる。あわせて、第1の気化部212により、第1のセルスタック100の上端部側の温度が低下することから、第1のセルスタック100の上下方向における温度分布のばらつきを抑制することができる。
Further, in this
ここで、この燃料電池1000では、2つのセルスタック100,110のそれぞれの上方に2つの気化部212,214が配置されている。また、2つのセルスタック100,110は、改質部250及び酸化ガスダクト640を挟んでほぼ対称に配置されている(図1)。そのため、第1と第2のセルスタック100,110にはそれぞれ、2つの気化部212,214及び改質部250による冷却効果や、酸化ガスダクト640による加熱効果がほぼ均等に及ぶ。即ち、第1と第2のセルスタック100,110の間における温度分布のばらつきの発生が抑制されている。
Here, in the
また、この燃料電池1000では、2つのセルスタック100,110のそれぞれに、酸化ガスダクト640や、燃料ガスマニホールド部300から、酸化ガス及び燃料ガスがほぼ均等に供給される。従って、2つのセルスタック100,110の間における供給ガス量の差によって、両者の間の発電量が不均一となり、動作温度にばらつきが生じてしまうことを抑制できる。
Further, in the
このように、この燃料電池1000によれば、改質器200や、酸化ガスダクト640の配置構成によって、各セルスタック100,110における運転中の温度分布のばらつきの発生を抑制できる。また、各セルスタック100,110の間における動作温度のばらつきの発生を抑制できる。即ち、改質器200と2つのセルスタック100,110とが一体的に筐体500内に配置された燃料電池1000において、運転中のセルスタック100,110の温度分布を改善することができる。
As described above, according to the
B.第2実施例:
図10及び図11,図12は、本発明の第2実施例としての燃料電池の構成を示す概略図である。図10〜図12はそれぞれ、酸化ガスダクト640A及び改質器200Aの構成が異なる点と、酸化ガスダクト640Aが実線及びハッチングにより図示されている点と、図12において、改質部250が破線で図示されている点以外は、図1〜図3とほぼ同じである。
B. Second embodiment:
10, 11 and 12 are schematic views showing the structure of a fuel cell as a second embodiment of the present invention. 10 to 12, the configuration of the oxidizing
この燃料電池1000Aの改質器200Aでは、改質部250に接続された燃料ガス配管260Aが、改質部250の底面の中央部から重力方向に直線的に延びて、燃料ガスマニホールド部300と接続されている。また、酸化ガスダクト640Aの第3の配管部643には、燃料ガス配管260Aを通すための貫通孔646が設けられている。このように、この燃料ガス配管260Aであれば、改質部250と燃料ガスマニホールド部300とを最短距離で接続できるため、燃料ガス配管260Aにおいて燃料ガス(改質ガス)の温度が低下してしまうことを抑制できる。
In the
また、燃料ガス配管260Aは、2つのセルスタック100,110の間のほぼ中央に設けられており、2つのセルスタック100,110のそれぞれから熱を受けることができる。さらに、燃料ガス配管260Aは、酸化ガスダクト640によって囲まれているため、上方で熱せられた酸化ガスから熱を受けることもできる。即ち、燃料ガス配管260Aでは、燃料ガスを昇温させることも可能である。このように、燃料ガス配管260Aによれば、2つのセルスタック100,110に供給される燃料ガスの温度低下が抑制されるため、2つのセルスタック100,110を構成する燃料電池セル120の下端部側に温度の高い燃料ガスを供給でき、運転中のセルスタック100,110における上下方向の温度分布がさらに改善される。
In addition, the
図13(A),(B)は、改質部250の内部構成を説明するための概略図である。図13(A)には、図10と同様な方向から見たときの改質器200Aが図示されており、改質部250の一部領域Aの内部構造が図示されている。この改質部250の内部には、改質反応を促進するための触媒として略球体状のペレット触媒270が封入されている。
FIGS. 13A and 13B are schematic diagrams for explaining the internal configuration of the reforming
ここで、比較例として、内部にペレット触媒が封入され、原燃料ガスが略水平方向に流れる改質部を想定する。ペレット触媒は、経年変化によって微粉化して重力方向に堆積してしまう場合がある。すると、この比較例の改質部の内部では、微粉化したペレット触媒の堆積により、重力方向上側より下側の方が触媒量が増大するとともに、原燃料ガスの圧力損失も増大する。この場合には、原燃料ガスの流量は、比較的圧力損失が低く、触媒量が少ない重力方向上側の方が増大することとなり、改質効率が低下してしまう可能性がある。しかし、本実施例の改質部250では、重力方向に沿って原燃料ガスが流れる。従って、ペレット触媒270が微粉化して堆積した場合でも、その堆積層に向かって原燃料ガスが流れるため、改質効率が低下することが抑制される。
Here, as a comparative example, a reforming section in which a pellet catalyst is sealed inside and the raw fuel gas flows in a substantially horizontal direction is assumed. The pellet catalyst may be pulverized and deposited in the direction of gravity due to aging. Then, in the reforming part of this comparative example, the amount of catalyst increases from the upper side of the gravity direction to the lower side due to the accumulation of the pulverized pellet catalyst, and the pressure loss of the raw fuel gas also increases. In this case, the flow rate of the raw fuel gas is relatively low in pressure loss and increases in the upper side in the gravitational direction where the amount of catalyst is small, which may reduce the reforming efficiency. However, in the reforming
図13(B)は、図13(A)に示すB−B切断における第1の気化部212Aの断面を示す概略断面図である。この改質器200Aの2つの気化部212A,214Aは、以下に説明する点以外は、第1実施例の2つの気化部212,214と同様であり、上層室225と下層室221とを有する二層構造(図5(B))である。図13(B)には、下層室221の内部及び原料導入配管233Aの断面が図示されており、原燃料ガス及び改質用水の流れを示す矢印が図示されている。なお、第2の気化部214Aの内部構成も第1の気化部212Aと同様であるため、図示及び説明は省略する。
FIG. 13B is a schematic cross-sectional view showing a cross section of the first vaporization section 212A in the BB cut shown in FIG. The two vaporizers 212A and 214A of the
この第1の気化部212Aの下層室221に接続された原料導入配管233Aは、比較的径の大きい外側配管233aの中に比較的径の小さい内側配管233bが挿入された2重構造を有する配管である。なお、内側配管233bは、下層室221の燃料電池セル120の配列方向に沿った中央付近まで延び、外側配管233aは、その半分程度の位置まで延びている。
The raw
この原料導入配管233Aでは、外側配管233aと内側配管233bとの間を原燃料ガスが流れ、内側配管233bの内部を改質用水が流れる。内側配管233bには、外側配管233aから露出した部位の側面に、スリットが形成されている(図示せず)。改質用水は、内側配管233bの端部及びスリットから下層室221の内部に供給される。一方、原燃料は、内側配管233bのスリットより手前に位置する外側配管233aの端部から下層室221の内部に供給される。
In the raw
即ち、この原料導入配管233Aによれば、比較的拡散性の低い改質用水を、比較的拡散性の高い原燃料ガスより、下層室221の奥まった位置まで、誘導することができる。即ち、下層室221における改質用水の配流性が向上されている。また、原料導入配管233Aによれば、改質用水を、比較的加熱温度が高くなる中央付近まで確実に到達させることができる。従って、改質用水の気化効率を向上させることができ、さらに、熱源である第1のセルスタック100に対する冷却効果を向上させることができる。
That is, according to the raw
このように、第2実施例の燃料電池1000Aによれば、運転中におけるセルスタック100,110の温度分布を、より改善することができる。
Thus, according to the
C.第3実施例:
図14及び図15,図16は、本発明の第3実施例としての燃料電池の構成を示す概略図である。図14〜図16は、改質器200Bの構成が異なる点と、改質器200Bの構成の変更に伴い、排ガス流路710のサイズが変更されている点と、酸化ガスダクト640Aが破線で図示されている点以外は、図10〜図12とほぼ同じである。第3実施例の改質器200Bは、2つの気化部212B,214Bのそれぞれの端部216が、重力方向に延び、排ガス流路710の内部まで延長されている。この端部216を、以後、「延長気化部216」と呼ぶ。
C. Third embodiment:
14, 15, and 16 are schematic views showing the configuration of a fuel cell as a third embodiment of the present invention. 14 to 16, the configuration of the
図17(A),(B1),(B2)は、第1の気化部212Bの内部構成を示す概略断面図である。図17(A)は、図16に示すA−A切断における第1の気化部212Bの概略断面図であり、図17(B1),(B2)はそれぞれ、図17(A)に示されたB1−B1切断及びB2−B2切断における概略断面図である。図17(A),(B1),(B2)には、図14〜図16に示された矢印x,y,zと対応する矢印x,y,zが図示されている。また、図17(A),(B1),(B2)には、原燃料、改質用水および原燃料ガスの流れを示す矢印が図示されている。さらに、図17(A)には、第1のセルスタック100の一部と、排ガス流路710を形成するための隔壁524の一部とが図示されている。なお、第2の気化部214Bの内部構成は、第1の気化部212Bと同様であるため、その図示及び説明は省略する。
FIGS. 17A, 17B, and 17B are schematic cross-sectional views showing the internal configuration of the
第1の気化部212Bは、第2実施例の第1の気化部212Aと同様に、二層構造を有しており、下層室221と上層室225とを有するが、下層室221と上層室225とは、断熱板223Bによって仕切られている。断熱板223Bは、延長気化部216まで延び、その端部は隔壁226に接合されている。隔壁226は、延長気化部216の内部空間において、重力方向に垂下されており、延長気化部216の内部空間を水平方向に二層に仕切っている。以後、延長気化部216の第1のセルスタック100側の内部空間を「第1の内部空間216a」と呼び、その外側の内部空間を「第2の内部空間216b」と呼ぶ。第1の内部空間216aは、下層室221と空間的に連続しており、第2の内部空間216bは、上層室225と空間的に連続している。また、第1と第2の内部空間216a,216bは、延長気化部216の下端において互いに連通している。
The
第1の気化部212Bでは、原料導入配管233Aから供給された原燃料及び改質用水は、下層室221から、第1の内部空間216aへと流れ、延長気化部216の下端において折り返し、第2の内部空間216bを介して、上層室225へと流れる。この第1の気化部212Bでは、下層室221において、第1のセルスタック100の上端部における燃料ガスと酸化ガスとの燃焼反応による反応熱を利用して、原燃料及び改質用水を加熱する。また、延長気化部216において、燃焼反応の反応熱に加えて、排ガス流路710へと流れる排ガスの有する熱を利用して、原燃料及び改質用水を加熱する。
In the
このように、この第1の気化部212Bでは、延長気化部216が設けられている分だけ、熱交換が行われる面積が増大している。従って、第1の気化部212Bにおける加熱効率が向上するとともに、第1の気化部212Bの第1のセルスタック100に対する冷却効果が向上する。
Thus, in the
ここで、上層室225の改質部250へと向かう出口側、すなわち下層室221(気化部)と改質部250との間には、水蒸気改質反応を促進するための触媒が配置された触媒領域272(第2の改質部)が接続されている。触媒としては、例えば、ハニカム触媒が用いられるものとしても良い。即ち、この第1の気化部212Bは、水蒸気改質が行われる改質部としての機能も有している。触媒領域272において改質反応に供されることのなかった原燃料ガスは、連結配管231を介して改質部250へと流入し、改質部250において改質反応に供される。このように、第1の気化部212Bが改質部としての機能を有することによって、改質器200Bにおける改質効率は向上する。なお、触媒領域272は省略されても良い。
Here, a catalyst for promoting the steam reforming reaction is disposed on the outlet side of the
このように、第3実施例の燃料電池1000Bによれば、2つの気化部212B,214Bに設けられた延長気化部216によって、さらに、運転中におけるセルスタック110の温度分布が改善される。
Thus, according to the
D.第4実施例:
図18は、本発明の第4実施例としての燃料電池の構成を示す概略図である。図18は、第3と第4のセルスタック130,140が追加されるとともに、改質器200A及び酸化ガスダクト640Aが、1つずつ追加されている点と、筐体500及びガス流路の図示が省略されている点以外は、図10とほぼ同じである。
D. Fourth embodiment:
FIG. 18 is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell as a fourth embodiment of the present invention. FIG. 18 shows that the third and fourth cell stacks 130 and 140 are added, the
この燃料電池1000Cでは、同一の筐体500の内部空間550に、4つのセルスタック100,110,130,140が配置され、さらに、各セルスタック100,110,130,140の上方に2つの気化部212,214のうちのいずれかが配置されている。また、第1と第2のセルスタック100,110の間と、第3と第4のセルスタック130,140の間とにそれぞれ、改質部250が配置されている。すなわち、隣り合う2つのセルスタックと、2つのセルスタックの上方に、当該2つのセルスタックのそれぞれに対応して配置される気化部と、隣り合う2つのセルスタックの間に配置される改質部とを1組として、筐体500内に2組が配置されている。なお、4つのセルスタック100,110,130,140は、矢印x方向に並列に燃料ガスマニホールド部300の上に載置されている。第2と第3のセルスタック110,130の間には、断熱材が配置されるものとしても良い。
In this
このような構成であっても、改質器200Aや酸化ガスダクト640Aによって、各セルスタック100,110,130,140の運転中の温度分布は、第2実施例と同様に改善される。
Even in such a configuration, the temperature distribution during operation of each of the cell stacks 100, 110, 130, and 140 is improved by the
E.第5実施例:
図19及び図20,図21は、本発明の第5実施例としての燃料電池1000Dの構成を示す概略図である。図19〜図21は、改質器200Aに換えて、改質器200Dが設けられている点と、酸化ガスダクト640Aの第2の配管部642のサイズが変更されている点以外は、図10〜図12とほぼ同じである。なお、図21では、改質器200Dの気化部として機能する部位と各配管には斜線ハッチングを付し、水蒸気改質が行われる改質部として機能する部位にはクロスハッチングを付してある。また、図21には、原燃料、原燃料ガス及び燃料ガスの流れを示す矢印が図示されている。
E. Example 5:
19, 20 and 21 are schematic views showing the configuration of a
この燃料電池1000Dの改質器200Dは、以下に説明する点以外は、第2実施例の改質器200Aと同様である。第5実施例の改質器200Dの、第1と第2の水平本体部212D,214Dは単層構造であり、第1と第2の水平本体部212D,214Dの背面側の端部は、第3の水平本体部218によって連結されている。即ち、第1ないし第3の本体部212D,214D,218は、矢印zの方向に沿って見たときに、正面側に開いた略「コ」の字形状を有している。また、第1の水平本体部212Dと垂直本体部250とは、直接的には接続されておらず、垂直本体部250は、連結配管231Dによって、第2の水平本体部214Dとのみ直接的に接続されている。連結配管231Dは、略クランク形状を有しており、第2の水平本体部214Dの正面側の端部(原料供給側)と垂直本体部250の上端部側とで接続されている。
The
この構成により、原料導入配管233から改質器200Dに供給された原燃料及び改質用水は、第1の水平本体部212Dの正面側端部から背面側端部へ向かって流れ、第3の水平本体部218を経て、第2の水平本体部214Dへと流れる。さらに、原燃料ガス(燃料ガスも含む)は、第2の水平本体部214Dの背面側端部から正面側端部へと流れ、連結配管231Dを経て垂直本体部250の上端部側へと流れ、垂直本体部250の下端へと流れる。
With this configuration, the raw fuel and the reforming water supplied from the raw
ところで、この改質器200Dでは、第1の水平本体部212Dの前段側(上流側)は、改質用水を気化するとともに、原燃料ガスを加熱するための気化部として機能する。また、第1の水平本体部212Dの後段側と、第2の水平本体部214Dと、第3の水平本体部218と、垂直本体部250とは、内部に水蒸気改質反応を促進するための触媒が配置され、改質部として機能する。なお、第1ないし第3の水平本体部212D,214D,218における気化部と改質部との境界の位置は、他の位置であるとしても良い。また、第1ないし第3の水平本体部212D,214D,218にはハニカム触媒が配置され、垂直本体部250にはペレット触媒が配置されるものとしても良い。
By the way, in this
この第5実施例の燃料電池1000Dの構成によれば、運転中に比較的高温となる第1と第2のセルスタック100,110の上端部近傍や、第1と第2のセルスタック100,110の間であって、燃料電池セル120の配列方向におけるほぼ中央部に、比較的低温で動作する改質器200Dが配置される。従って、上記第1ないし第4実施例と同様に、改質器200Dの配置構成によって、運転中の燃料電池1000Dにおけるセルスタックの温度分布が改善される。ただし、この第5実施例では、第1のセルスタック100の上方には、気化部及び改質部が配置され、第2のセルスタック110の上方には、改質部のみが配置されている。従って、改質器200Dによって、第1と第2のセルスタック100,110に及ぶ冷却効果は、均等ではない。即ち、この点で改質器200Dの構成より、第1実施例ないし第3実施例の改質器200,200A,200Bの構成の方が好ましい。
According to the configuration of the
F.第6実施例:
図22は、本発明の第6実施例としての燃料電池1000Eの構成を示す概略図である。図22は、改質器200Eの第1ないし第3の本体部212D,214D,218においてハッチングが付された領域が異なる点以外は、ほぼ図21と同じである。即ち、この燃料電池1000Eの改質器200Eでは、第1ないし第3の本体部212D,214D,218が気化部として機能し、垂直本体部250が改質部として機能する。なお、この燃料電池1000Eの他の構成は、第5実施例の燃料電池1000Dと同じである(図19,図20)。
F. Example 6:
FIG. 22 is a schematic diagram showing the configuration of a
第6実施例の燃料電池1000Eの構成によれば、2つのセルスタック100,110のそれぞれの上方に1つの気化部が配置され、当該気化部によって、各セルスタック100,110の上端部が冷却される。また、2つのセルスタック100,110の間に配置された改質部によって、各セルスタック100,110の燃料電池セル120の配列方向におけるほぼ中央の領域を冷却することができる。従って、運転中の燃料電池1000Eにおけるセルスタック100,110の温度分布が改善される。
According to the configuration of the
G.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
G. Variation:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
G1.変形例1:
上記実施例において、燃料電池1000〜1000Eはそれぞれ、固体電解質形燃料電池であった。しかし、燃料電池としては、固体電解質形燃料電池に限らず、種々のタイプの燃料電池に本発明を適用することが可能である。なお、気化部や改質部より平均運転温度が高くなるタイプの燃料電池ほど、本発明の効果を得ること可能である。
G1. Modification 1:
In the above embodiment, each of the
G2.変形例2:
上記実施例において、2つの気化部212,214には、原料として、原燃料と改質用水とが供給されるが、原料としては、液体の炭化水素が供給されるものとしてもよい。なお、この場合、外部から供給される原燃料に水が含まれるため、外部から水もあわせて供給されていることとなる。即ち、気化部212,214は、水を含む原燃料と酸化ガスとの供給を受けて、原燃料中の水を気化させるとともに、原燃料を昇温して、水蒸気を含む原燃料ガスを生成する機能を有する。
G2. Modification 2:
In the above embodiment, raw fuel and reforming water are supplied as raw materials to the two
G3.変形例3:
上記実施例において2つの気化部212,214はそれぞれ、2つのセルスタック100,110の上面を覆うように配置されていた(図3)。しかし、2つの気化部212,214はそれぞれ、2つのセルスタック100,110の上面の一部のみを覆うように設けられるものとしても良い。例えば、2つのセルスタック100,110の燃料電池セル120の配列方向における中央近傍のみを覆うように配置されるものとしても良い。
G3. Modification 3:
In the above embodiment, the two
G4.変形例4:
上記実施例において、改質部250は、2つのセルスタック100,110の間のほぼ中央において、上方から垂下されていた。しかし、改質部250は、2つのセルスタック100,110の間において垂下されていなくとも良く、2つのセルスタック100,110の間における他の位置に配置されるものとしても良い。改質部250は、例えば、2つのセルスタック100,110における上端部側の間に、略水平方向に延びる略四角柱形状として配置され、セルスタック100,110の上方を冷却するものとしても良い。
G4. Modification 4:
In the above-described embodiment, the reforming
G5.変形例5:
上記第4実施例以外の実施例では、2個のセルスタック100,110に対して、1個の改質部250が設けられていた。また、上記第4実施例では、4個のセルスタック100,110,130,140に対して2個の改質部250が設けられていた。燃料電池には、さらに複数のセルスタックと、改質部との組が設けられるものとしても良い。即ち、燃料電池には、上述したように、隣り合う2つのセルスタックと、隣り合う2つのセルスタックの上方に、当該2つのセルスタックのそれぞれに対応して配置される気化部と、隣り合う2つのセルスタックの間に配置される改質部250とを1組として、3組以上を配置しても良い。なお、燃料電池には、セルスタックが奇数個設けられるものとしても良く、改質部も、セルスタックの個数にかかわらず追加されるものとしても良い。また、隣り合う2個のセルスタック100,110の間に2個の改質部250が配置されるものとしても良い。
G5. Modification 5:
In the embodiments other than the fourth embodiment, one reforming
G6.変形例6:
上記実施例では、酸化ガスダクト640,640Aによって、各セルスタック100,110に酸化ガスが供給されていたが、酸化ガスダクト640,640Aは他の構成を有するものとしても良い。例えば、酸化ガスダクト640の第1と第2の配管部641,642は第3の配管部643によって連結されていたが、第3の配管部643は省略され、第1と第2の配管部641,642はそれぞれ分離しているものとしても良い。あるいは、第1と第2の配管部641,642のいずれかが省略されても良く、さらに複数の酸化ガスのための配管部が垂下されても良い。また、酸化ガスダクト640は、他の位置に配置されるものとしても良い。例えば、改質部250とセルスタック100との間に配置されるものとしても良い。
G6. Modification 6:
In the above embodiment, the oxidizing gas is supplied to the cell stacks 100 and 110 by the oxidizing
G7.変形例7:
上記実施例において、第1と第2の気化部212,214は、それぞれ二層構造であったが、単層構造であっても良い。
G7. Modification 7:
In the above embodiment, each of the first and
10…固体電解質
21…アノード
22…カソード
30…支持基材
31…第1の面
32…第2の面
33…側面
36…ガス流路孔
40…インターコネクタ
42…集電部材
43…中空部
100,110,130,140…セルスタック
120…燃料電池セル
200,200A,200B,200D,200E…改質器
212,214,212A,214A,212B,214B,212D,214D…水平本体部
216…延長気化部
216a,216b…内部空間
218…第3の水平本体部
221…下層室
223…隔壁
223B…断熱板
225…上層室
226…隔壁
231,231D…連結配管
233,233A…原料導入配管
233a…外側配管
233b…内側配管
250…垂直本体部(改質部)
260,260A…燃料ガス配管
270…ペレット触媒
272…触媒領域
300…燃料ガスマニホールド部
310…ガス室
400…床断熱材
500…筐体
510…上面部
520…側面部
530…底面部
511,521,531…外壁
512,522,524,532,534…隔壁
550…内部空間
600…酸化ガス供給配管
610…底面部酸化ガス室
620…側面部酸化ガス流路
630…上面部酸化ガス室
640,640A…酸化ガスダクト
641,642,643…配管部
645…開口部
646…貫通孔
710…排ガス流路
720…排ガス流路室
730…排ガス配管
1000,1000A〜1000E…燃料電池
DESCRIPTION OF
260, 260A ... Fuel gas piping 270 ...
Claims (8)
前記燃料ガスを上方へ誘導するガス流路が設けられた複数の燃料電池セルを配列してなる複数個のセルスタックと、
前記改質器と前記複数個のセルスタックとを収納する筐体と、
を備え、
前記複数個のセルスタックは、前記燃料電池セルの配列方向に沿う側部が互いに向かい合うように並列に配置され、
前記複数個のセルスタックのそれぞれの上端部には、前記燃料電池セルの電気化学反応で消費されなかった前記燃料ガスを燃焼させる燃焼部が設けられており、
前記気化部は、前記燃焼部の上方に配置されるとともに、前記改質部は隣り合う前記セルスタックの間に配置されている、燃料電池。 While vaporizing water introduced from the outside and raising the temperature of the raw fuel introduced from the outside to generate raw fuel gas containing water vapor, the raw fuel gas supplied from the vaporizer is steamed A reformer comprising a reforming section for reforming to generate fuel gas;
A plurality of cell stacks formed by arranging a plurality of fuel cells provided with gas flow paths for guiding the fuel gas upward;
A housing for housing the reformer and the plurality of cell stacks;
With
The plurality of cell stacks are arranged in parallel such that side portions along the arrangement direction of the fuel cells face each other,
Each upper end of the plurality of cell stacks is provided with a combustion section for burning the fuel gas that has not been consumed by the electrochemical reaction of the fuel cell,
The fuel cell, wherein the vaporization unit is disposed above the combustion unit, and the reforming unit is disposed between adjacent cell stacks.
前記気化部は、前記複数個のセルスタックの上方に、当該複数個のセルスタックのそれぞれに対応して配置されている、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1,
The fuel cell is a fuel cell, wherein the vaporization unit is disposed above the plurality of cell stacks so as to correspond to each of the plurality of cell stacks.
前記改質部は、隣り合う前記セルスタック間で、かつ前記燃料電池セルの配列方向におけるほぼ中央において、前記セルスタックの上方側から垂下して配置されている、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein
The fuel cell is a fuel cell, wherein the reforming unit is disposed so as to hang from the upper side of the cell stack between the adjacent cell stacks and at substantially the center in the arrangement direction of the fuel cells.
前記筐体内に、隣り合う前記セルスタックと、2つの該セルスタックの上方に、当該2つのセルスタックのそれぞれに対応して配置される前記気化部と、隣り合う2つの前記セルスタックの間に配置される前記改質部とを1組として、複数組が配置されている、燃料電池。 The fuel cell according to claim 3, wherein
In the housing, between the adjacent cell stacks, above the two cell stacks, the vaporization section disposed corresponding to each of the two cell stacks, and between the two adjacent cell stacks A fuel cell in which a plurality of sets are arranged, with the reforming unit arranged as one set.
前記筐体内に、
前記複数個のセルスタックの下方に配置され、前記燃料電池セルの前記ガス流路に、前記燃料ガスを供給するための燃料ガスマニホールド部と、
前記燃料ガスマニホールド部と前記改質部とを接続する燃料ガス配管と、
を備え、
前記燃料ガス配管は、隣り合う前記セルスタックの間のほぼ中央を通っている、燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein
In the housing,
A fuel gas manifold section disposed below the plurality of cell stacks for supplying the fuel gas to the gas flow path of the fuel cell;
A fuel gas pipe connecting the fuel gas manifold section and the reforming section;
With
The fuel cell, wherein the fuel gas pipe passes through substantially the center between adjacent cell stacks.
前記燃焼部からの排ガスを排出するための排ガス流路を備え、
前記気化部の少なくとも一部は、前記排ガス流路内に配置されている、燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 5,
An exhaust gas passage for discharging exhaust gas from the combustion section;
At least a part of the vaporization section is a fuel cell arranged in the exhaust gas flow path.
前記気化部と前記改質部との間に接続された第2の改質部を備えるとともに、
前記第2の改質部は、前記燃焼部の上方で、かつ前記気化部の上方の部位に配置されている、燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein
A second reforming unit connected between the vaporization unit and the reforming unit;
The fuel cell, wherein the second reforming unit is disposed above the combustion unit and above the vaporization unit.
隣り合う前記セルスタックのそれぞれに前記酸化ガスを供給するための酸化ガス配管を複数備え、
前記酸化ガス配管は、前記改質部に対して前記燃料電池セルの配列方向の両側に、それぞれ前記筐体の上方より垂下して配置されるとともに、前記セルスタックのそれぞれの下方から前記酸化ガスを供給する、燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 7,
A plurality of oxidizing gas pipes for supplying the oxidizing gas to each of the adjacent cell stacks;
The oxidant gas pipes are disposed on both sides of the fuel cell in the arrangement direction of the fuel cell with respect to the reforming part, respectively, and are hanged from above the casing, and the oxidant gas pipes from below the cell stack. Supplying the fuel cell.
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