JP2005100942A - Fuel cell assembly - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池組立体、更に詳しくはハウジング内に発電手段が配設されており、かかる発電手段に燃料ガスと共に酸素含有ガスが供給されることによって発電が行われ、排ガスがハウジングから排出される形態の燃料電池組立体に関する。 The present invention includes a fuel cell assembly, and more specifically, a power generation means disposed in a housing. Electric power is generated by supplying an oxygen-containing gas together with fuel gas to the power generation means, and exhaust gas is discharged from the housing. It is related with the fuel cell assembly of the form made.
次世代エネルギーとして、近年、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型及び固体電解質型等の種々の型の燃料電池発電システムが提案されている。特に、固体電解質型燃料電池発電システムは、作動温度が1000°Cと高いが、発電効率が高い、排熱が利用できる等の利点を有しており、研究開発が推し進められている。 In recent years, various types of fuel cell power generation systems such as solid polymer type, phosphoric acid type, molten carbonate type, and solid electrolyte type have been proposed as next-generation energy. In particular, the solid oxide fuel cell power generation system has an operating temperature as high as 1000 ° C., but has advantages such as high power generation efficiency and use of exhaust heat, and research and development are being promoted.
燃料電池発電システムの典型例においては、下記特許文献1に開示されている如く、ハウジング内に発電・燃焼室が規定され、かかる発電・燃焼室内にセルスタックを含む発電・燃焼手段が配設されている形態の燃料電池組立体を備えている。発電・燃焼室には、酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給路、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路及び発電・燃焼室から燃焼ガスを排出するための燃焼ガス排出路が付設されている。 In a typical example of a fuel cell power generation system, as disclosed in Patent Document 1 below, a power generation / combustion chamber is defined in a housing, and power generation / combustion means including a cell stack is disposed in the power generation / combustion chamber. The fuel cell assembly of the form is provided. The power generation / combustion chamber has an oxygen-containing gas supply path for supplying oxygen-containing gas, a fuel gas supply path for supplying fuel gas, and a combustion gas discharge path for discharging combustion gas from the power generation / combustion chamber. It is attached.
燃料電池組立体には熱交換手段も配設されており、酸素含有ガス導入路と燃焼ガス排出路とは共に熱交換手段を通って延在せしめられており、熱交換手段を通して流動せしめられる際に酸素含有ガスと燃焼ガスとが熱交換され、これによって酸素含有ガスが予熱される。
従来の燃料電池組立体においては、発電・燃焼室とは全く別個に熱交換手段を配設しており、これに起因して組立体の嵩が相当大きくなる、発電・燃焼室を規定しているハウジングの壁面を通して大気に放熱される熱が相当大きく、従って排熱利用が充分ではない、という解決すべき問題が存在する。 In the conventional fuel cell assembly, the heat exchange means is arranged completely separately from the power generation / combustion chamber, and the power generation / combustion chamber is defined by which the bulk of the assembly becomes considerably large due to this. There is a problem to be solved that the heat radiated to the atmosphere through the wall surface of the housing is considerably large and therefore the exhaust heat utilization is not sufficient.
本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術的課題は、比較的コンパクトに構成することができると共に、発電室から大気への直接的放熱を効果的に抑制し、排熱を高効率で利用することができる、新規且つ改良された燃料電池組立体を提供することである。 The present invention has been made in view of the above-mentioned facts, and its main technical problem is that it can be configured relatively compactly and effectively suppresses direct heat dissipation from the power generation chamber to the atmosphere, thereby exhausting heat. It is an object to provide a new and improved fuel cell assembly that can be used with high efficiency.
本発明によれば、ハウジングの少なくとも1面には第一の流路と第二の流路を備えた板状の熱交換器が配設されており、前記排ガスは前記熱交換器の第一の流路を通して前記ハウジング内から排出され、前記排ガスと熱交換する流体が前記熱交換器の第二の流路を流れることによって、上記主たる技術的課題が達成される。 According to the present invention, a plate-like heat exchanger having a first flow path and a second flow path is disposed on at least one surface of the housing, and the exhaust gas is the first heat exchanger. The main technical problem is achieved by the fluid that is discharged from the housing through the flow path and exchanges heat with the exhaust gas through the second flow path of the heat exchanger.
即ち、本発明の燃料電池組立体は、ハウジングと、該ハウジング内に配設された発電手段とを備え、該発電手段に燃料ガス及び酸素含有ガスを供給して発電させ、前記ハウジングから排ガスが排出される燃料電池組立体において、前記ハウジングの少なくとも1面に第一の流路と第二の流路を備えた板状の熱交換器を配設するとともに、前記排ガスを前記熱交換器の第一の流路を通して前記ハウジングから排出し、前記排ガスと熱交換する流体が前記熱交換器の第二の流路を流れることを特徴とする。 That is, the fuel cell assembly of the present invention includes a housing and power generation means disposed in the housing, and supplies the fuel gas and oxygen-containing gas to the power generation means to generate power, and exhaust gas is emitted from the housing. In the discharged fuel cell assembly, a plate-shaped heat exchanger having a first flow path and a second flow path is disposed on at least one surface of the housing, and the exhaust gas is discharged from the heat exchanger. A fluid that is discharged from the housing through the first flow path and exchanges heat with the exhaust gas flows through the second flow path of the heat exchanger.
このような燃料電池組立体では、ハウジングの少なくとも1面を利用して板状熱交換器を配設している故に全体の嵩を必要最小限にせしめることができ、そしてまた板状熱交換器がハウジングの少なくとも1面に存在することにより、ハウジングの壁面を通して大気に熱が放散されるのを効果的に抑制することができる。 In such a fuel cell assembly, the plate-shaped heat exchanger is disposed using at least one surface of the housing, so that the overall volume can be minimized, and the plate-shaped heat exchanger is also provided. Is present on at least one surface of the housing, it is possible to effectively suppress heat dissipation to the atmosphere through the wall surface of the housing.
また、本発明の燃料電池組立体は、発電・燃焼室を規定するハウジングと、該ハウジング内に配設された発電・燃焼手段とを備え、該発電・燃焼手段に燃料ガス及び酸素含有ガスを供給し、前記発電・燃焼室内に生成された燃焼ガスを排ガスとして前記熱交換器の第一の流路を通して前記発電・燃焼室から排出し、前記酸素含有ガスと前記燃料ガスとのいずれか一方を前記熱交換器の第二の流路を通して前記発電・燃焼手段に供給することを特徴とする。このような燃料電池組立体では、高温の燃焼ガスと、外部から熱交換器に供給された酸素含有ガス及び燃料ガスのうちいずれか一方との熱交換を、板状熱交換器により行うことができる。 The fuel cell assembly of the present invention comprises a housing that defines a power generation / combustion chamber, and power generation / combustion means disposed in the housing, and the fuel gas and oxygen-containing gas are supplied to the power generation / combustion means. And supplying the combustion gas generated in the power generation / combustion chamber as exhaust gas from the power generation / combustion chamber through the first flow path of the heat exchanger, and either one of the oxygen-containing gas and the fuel gas Is supplied to the power generation / combustion means through a second flow path of the heat exchanger. In such a fuel cell assembly, heat exchange between the high-temperature combustion gas and any one of the oxygen-containing gas and the fuel gas supplied from the outside to the heat exchanger can be performed by a plate heat exchanger. it can.
さらに、本発明の燃料電池組立体は、発電手段に燃料ガス及び酸素含有ガスを供給し、余剰の燃料ガス及び/又は余剰の酸素含有ガスを排ガスとして熱交換器の第一の流路を通して前記ハウジングから回収するとともに、前記ハウジング外から新たな酸素含有ガスと燃料ガスとのいずれか一方を前記熱交換器の第二の流路を通してハウジング内に供給することを特徴とする。このような燃料電池組立体では、発電手段に供給され発電反応に用いられなかった高温の余剰の燃料ガス及び/又は余剰の酸素含有ガスと、外部から熱交換器に供給された酸素含有ガス及び燃料ガスのうちいずれか一方との熱交換を、板状熱交換器により行うことができる。 Furthermore, the fuel cell assembly of the present invention supplies the fuel gas and the oxygen-containing gas to the power generation means, and uses the excess fuel gas and / or the excess oxygen-containing gas as exhaust gas through the first flow path of the heat exchanger. In addition to being recovered from the housing, one of fresh oxygen-containing gas and fuel gas is supplied from the outside of the housing into the housing through the second flow path of the heat exchanger. In such a fuel cell assembly, the high-temperature surplus fuel gas and / or surplus oxygen-containing gas that was supplied to the power generation means and was not used for the power generation reaction, the oxygen-containing gas supplied from the outside to the heat exchanger, and Heat exchange with either one of the fuel gases can be performed by a plate heat exchanger.
また、本発明の燃料電池組立体は、第一の流路の外側に第二の流路が形成されていることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、高温の排ガスが流れる第一の流路が、排ガスと熱交換する流体が流れる第二の流路よりも内側にあるため、ハウジング内をより高温に維持できる。 The fuel cell assembly of the present invention is characterized in that a second flow path is formed outside the first flow path. In such a fuel cell assembly, since the first flow path through which the high-temperature exhaust gas flows is located inside the second flow path through which the fluid that exchanges heat with the exhaust gas flows, the inside of the housing can be maintained at a higher temperature.
さらに、本発明の燃料電池組立体は、排ガスと熱交換する流体が水であることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、燃焼ガス、又は、発電反応に用いられなかった高温の余剰の燃料ガス及び/又は余剰の酸素含有ガスと、水との熱交換を、板状熱交換器により行うことができ、例えば、外部から供給された水を熱交換器に供給し、この熱交換器で排ガスと熱交換し、熱交換器から高温の水を引き出すことができ、燃料電池組立体の一部を給湯器として用いることができる。 Furthermore, the fuel cell assembly of the present invention is characterized in that the fluid that exchanges heat with the exhaust gas is water. In such a fuel cell assembly, heat exchange between the combustion gas or high-temperature surplus fuel gas and / or surplus oxygen-containing gas that has not been used in the power generation reaction is performed by a plate heat exchanger. For example, water supplied from the outside can be supplied to the heat exchanger, heat exchange with the exhaust gas can be performed with this heat exchanger, and high-temperature water can be drawn from the heat exchanger. A part can be used as a water heater.
また、本発明の燃料電池組立体は、熱交換器は、水が流れる第三の流路を有しており、該第三の流路が最も外側に形成されていることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、燃料電池組立体の外側に水の流れる流路が形成されているため、水との熱交換で、排ガスの熱エネルギーを最大限有効に用いることができるとともに、燃料電池組立体の外面が高温化することを防止できる。 In the fuel cell assembly of the present invention, the heat exchanger has a third flow path through which water flows, and the third flow path is formed on the outermost side. In such a fuel cell assembly, the flow path of water is formed outside the fuel cell assembly, so that the heat energy of the exhaust gas can be used to the maximum extent by heat exchange with water, It is possible to prevent the outer surface of the fuel cell assembly from becoming hot.
また、本発明の燃料電池組立体は、熱交換器は、第二の流路の外側に第一の流路が形成され、該第一の流路の外側に、第三の流路が形成されていることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、排ガスが流れる第一の流路の内側に、酸素含有ガスと燃料ガスとのいずれか一方を流すことができ、排ガスと第二の流路とが充分に熱交換することができる。また、排ガスが流れる第一の流路の外側に、水が流れる第三の流路を形成でき、水との熱交換で、排ガスの熱エネルギーを最大限有効に用いることができるとともに、燃料電池組立体の外面が高温化することを防止できる。 In the fuel cell assembly of the present invention, the heat exchanger has a first flow path formed outside the second flow path, and a third flow path formed outside the first flow path. It is characterized by being. In such a fuel cell assembly, either the oxygen-containing gas or the fuel gas can flow inside the first flow path through which the exhaust gas flows, and the exhaust gas and the second flow path are sufficiently heated. Can be exchanged. In addition, a third channel through which water flows can be formed outside the first channel through which exhaust gas flows, and the heat energy of the exhaust gas can be used to the maximum extent through heat exchange with water. It can prevent that the outer surface of an assembly heats up.
さらに、本発明の燃料電池組立体は、ハウジングは実質上鉛直に延在する平坦な両側面を有し、前記熱交換器は平板状であり両側面の各々に配設されていることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、発電手段を介して対向する位置に熱交換器が配設されることになり、ハウジング内の温度分布を均一化できる。 Further, in the fuel cell assembly of the present invention, the housing has flat side surfaces extending substantially vertically, and the heat exchanger is flat and disposed on each side surface. And In such a fuel cell assembly, the heat exchanger is disposed at a position facing through the power generation means, and the temperature distribution in the housing can be made uniform.
また、本発明の燃料電池組立体では、ハウジングの対向する2面と、該2面間の1面に熱交換器が配設されており、前記2面間の1面に配設された熱交換器は、排ガスと水を熱交換することを特徴とする。このような燃料電池組立体では、排ガスを有効に活用できるとともに、ハウジングの対向する2面間の1面に排ガスと水が熱交換する熱交換器が配設されているため小型化できる。 In the fuel cell assembly of the present invention, the heat exchanger is disposed on the two opposing surfaces of the housing and on one surface between the two surfaces, and the heat disposed on the one surface between the two surfaces. The exchanger is characterized by exchanging heat between exhaust gas and water. In such a fuel cell assembly, the exhaust gas can be used effectively, and a heat exchanger for exchanging heat between the exhaust gas and water is disposed on one surface between two opposing surfaces of the housing, so that the size can be reduced.
また、本発明の燃料電池組立体では、排ガスは、ハウジングの対向する2面に配設された熱交換器の第一の流路を流れた後、前記2面間の1面に配設された熱交換器の第一の流路を流れることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、例えば、燃焼ガス等の排ガスと、酸素含有ガス及び燃料ガスのうちいずれか一方との熱交換を充分に行い、酸素含有ガス等を高温化した後、水との熱交換に排ガスを利用でき、排ガスの熱エネルギーを充分に活用できる。 In the fuel cell assembly of the present invention, the exhaust gas flows through the first flow path of the heat exchanger disposed on the two opposite surfaces of the housing, and then is disposed on one surface between the two surfaces. It flows through the first flow path of the heat exchanger. In such a fuel cell assembly, for example, sufficient heat exchange between exhaust gas such as combustion gas and any one of oxygen-containing gas and fuel gas is performed, and after oxygen-containing gas or the like is heated, water and Exhaust gas can be used for heat exchange, and the thermal energy of the exhaust gas can be fully utilized.
さらに、本発明の燃料電池組立体では、熱交換器における第一の流路と第二の流路とは面の厚さ方向に積層されており、該第一の流路と該第二の流路とはジグザグ状に延在せしめられている対向流路であることを特徴とする。このような構造とすることにより、熱交換率を大きくすることができる。 Further, in the fuel cell assembly of the present invention, the first flow path and the second flow path in the heat exchanger are laminated in the thickness direction of the surface, and the first flow path and the second flow path are stacked. The flow path is a counter flow path extending in a zigzag shape. With such a structure, the heat exchange rate can be increased.
また、本発明の燃料電池組立体では、熱交換器が、排ガス収容空間中に水が流れる配管を蛇行させて形成されていることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、排ガスと水との熱交換を充分に行うことができる。 In the fuel cell assembly of the present invention, the heat exchanger is formed by meandering a pipe through which water flows in the exhaust gas accommodating space. In such a fuel cell assembly, heat exchange between exhaust gas and water can be sufficiently performed.
さらに、本発明の燃料電池組立体では、ハウジングの下端部に位置する下部ガス室、前記ハウジングの上端部に位置する上部ガス室、及び前記ハウジング内を上下方向に延在して該上部ガス室と該下部ガス室とを連通せしめる連通ガス室が配設されており、第二の流路は熱交換器の下端に配設された流入口と前記熱交換器の上端に配設され前記上部ガス室に続く流出口とを有し、前記酸素含有ガスと前記燃料ガスとのいずれか一方は前記流入口から前記第二の流路に流入せしめられ、前記第二の流路から前記上部ガス室、前記連通ガス室及び前記下部ガス室を通って発電手段に供給されることを特徴とする。 Further, in the fuel cell assembly of the present invention, the lower gas chamber located at the lower end portion of the housing, the upper gas chamber located at the upper end portion of the housing, and the upper gas chamber extending vertically in the housing And a communication gas chamber that communicates with the lower gas chamber, and a second flow path is provided at an inlet disposed at a lower end of the heat exchanger and an upper end of the heat exchanger. An outlet that follows the gas chamber, and one of the oxygen-containing gas and the fuel gas is caused to flow into the second flow path from the inlet, and from the second flow path to the upper gas The power generation means is supplied through a chamber, the communication gas chamber, and the lower gas chamber.
また、本発明の燃料電池組立体は、ハウジング内には改質手段が配設されており、燃料ガスは前記改質手段を通して発電手段に供給され、酸素含有ガスは第二の流路を通して前記発電手段に供給されることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、ハウジング内に改質器が収容されているため、改質器自体を充分に加熱でき、改質を充分に行うことができるとともに、酸素含有ガスの熱交換を行うことができる。 In the fuel cell assembly of the present invention, the reforming means is disposed in the housing, the fuel gas is supplied to the power generation means through the reforming means, and the oxygen-containing gas is passed through the second flow path. It is supplied to a power generation means. In such a fuel cell assembly, since the reformer is accommodated in the housing, the reformer itself can be sufficiently heated, the reforming can be sufficiently performed, and the heat exchange of the oxygen-containing gas can be performed. It can be carried out.
さらに、本発明の燃料電池組立体は、排ガスがハウジングの上方又は下方に排出され、該排ガスと熱交換する流体が、排ガスと反対側から熱交換器に供給されることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、排ガスの排出と、この排ガスと熱交換する流体の供給とを異なる位置で行うことができ、設計の自由度を広げることができる。 Furthermore, the fuel cell assembly of the present invention is characterized in that the exhaust gas is discharged above or below the housing, and the fluid that exchanges heat with the exhaust gas is supplied to the heat exchanger from the side opposite to the exhaust gas. In such a fuel cell assembly, the exhaust gas can be discharged and the fluid that exchanges heat with the exhaust gas can be supplied at different positions, and the degree of freedom in design can be expanded.
また、本発明の燃料電池組立体は、排ガスと熱交換する流体が水の場合、ハウジング外から熱交換器に供給され、ハウジング外に排出されることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、熱交換器を給湯器として利用できる。 The fuel cell assembly of the present invention is characterized in that when the fluid that exchanges heat with the exhaust gas is water, the fluid is supplied to the heat exchanger from the outside of the housing and discharged to the outside of the housing. In such a fuel cell assembly, the heat exchanger can be used as a water heater.
本発明の燃料電池組立体においては、ハウジングの少なくとも1面を利用して板状熱交換器を配設している故に全体の嵩を必要最小限にせしめることができ、そしてまた板状熱交換器がハウジングの少なくとも1面に存在することにより、ハウジングの壁面を通して大気に熱が放散されるのを効果的に抑制することができる。 In the fuel cell assembly of the present invention, the plate-shaped heat exchanger is disposed using at least one surface of the housing, so that the overall volume can be minimized, and the plate-shaped heat exchange is also performed. By the presence of the vessel on at least one surface of the housing, heat can be effectively suppressed from being dissipated to the atmosphere through the wall surface of the housing.
以下、本発明に従って構成された燃料電池組立体の好適実施形態を図示している添付図面を参照して、更に詳細に説明する。 Hereinafter, a preferred embodiment of a fuel cell assembly constructed according to the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
図1及び図2を参照して説明すると、図示の燃料電池組立体は略直方体形状であるハウジング2を具備している。このハウジング2の6個の壁面には適宜の断熱材料から形成された断熱壁、即ち上断熱壁4、下断熱壁6、右側断熱壁8、左側断熱壁10、前断熱壁(図示していない)及び後断熱壁(図示していない)が配設されている。所望ならば、各断熱壁の外面に金属板製でよい外壁を配設することもできる。ハウジング2内には発電・燃焼室12が規定されている。
Referring to FIGS. 1 and 2, the illustrated fuel cell assembly includes a
ハウシジング2内の下端部には下部ガス室14が配設され、上端部には上部ガス室16が配設されている。下部ガス室14は上下方向寸法が比較的小さい直方体形状でよく、同様に上部ガス室16も上下方向寸法が比較的小さい直方体形状でよい。ハウジング2内の左右両側部には上下方向に延在する連通ガス室18が配設されている。かかる連通ガス室18は横方向(図1において左右方向)寸法が比較的小さい直方体形状である。連通ガス室18の各々の上面には前後方向に間隔をおいて3個の連通筒20が付設されており、かかる連通筒20を介して連通ガス室18の各々が上部ガス室16の下面両側部に連通されている。連通ガス室18の各々の下端部内側は下部ガス室14の両側面に直接的に連結されている。従って、上部ガス室16の両側部は連通ガス室18を介して下部ガス室14の両側部に連通せしめられている。下部ガス室14の上面には横方向(図1において左右方向)に間隔をおいて上方に突出する5個の中空ガス噴出板21が配設されている。かかるガス噴出板21の下端は下部ガス室14内に連通せしめられており、上部にはガス噴出孔(図示していない)が形成されている。
A
下部ガス室14上には、更に、横方向(図1において左右方向)に適宜の間隔をおいて4個のガス室22a、22b、22c及び22dが形成されている。かかるガス室22a、22b、22c及び22dの各々は上記ガス噴出板21の間に配置されている。ガス室22a、22b、22c及び22dの各々は前後方向(図1において紙面に垂直な方向)に細長く延びる直方体形状でよい。そして、ガス室22a、22b、22c及び22dの各々上には、セルスタック24a、24b、24c及び24dが配設されている。セルスタック24a、24b、24c及び24dの各々は上下方向に延びる複数個のセルを前後方向に配列して構成されている。それ自体は周知の形態でよいセルは、燃料電極層、固体電解質層、酸素極層及びインターコネクタを含んでいる。
On the
ハウジング2内には上記セルスタック24a、24b、24c及び24dの各々の上方に配設された改質手段26a、26b、26c及び26dも配設されている。かかる改質手段26a、26b、26c及び26dの各々は前後方向に細長く延びる直方体形状の中空ダクトを含んでおり、かかる中空ダクト内には都市ガスでよい燃料ガスを水素リッチガスに改質するためのそれ自体は周知の触媒(図示していない)が収容されている。図2を参照することによって明確に理解されるとおり、改質手段26b及び26dの前端部下面には燃料ガス供給管28b及び28dが接続され、改質手段26a及び26cの後端部下面にも同様に燃料ガス供給管(図示していない)が接続されている。これらの燃料ガス供給管はハウジング2の下断熱壁6を貫通してハウジング2外へ延在せしめられており、燃料ガス供給源(図示していない)に接続されている。改質手段26a及び26cの前端部下面と上記ガス室22a及び22cの前面とは夫々連結管29a及び29cによって接続され、同様に改質手段26b及び26dの後端部下面と上記ガス室22b及び22dの後面とは夫々連結管(図示していない)によって接続されている。後に更に言及する如く、都市ガスでよい燃料ガスが燃料ガス供給管を介して改質手段26a、26b、26c及び26dに供給され、改質手段26a、26b、26c及び26dにおいて水素リッチガスに改質され、しかる後に連結管を介してガス室22a、22b、22c及び22dに送給される。ガス室22a、22b、22c及び22dの各々の上面壁にはセルスタック24a、24b、24c及び24dにおけるセルの各々のガス通路(図示していない)に連通せしめられている排出孔(図示していない)が形成されており、かかる排出孔を通してセルの各々のガス通路に水素リッチな燃料ガスが供給される。
In the
ハウジング2内には、後に更に言及する如く、作動開始時等に発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼を開始するための点火手段(図示していない)も配設されている(定常運転時には発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとは自然発火する)。上記セルスタック24a、24b、24c及び24cは発電手段を構成し、点火手段は燃焼手段を構成し、従ってセルスタック24a、24b、24c及び24c並びに点火手段は発電・燃焼手段を構成する。
In the
本発明に従って構成された燃料電池組立体においては、ハウジング2の少なくとも1面には板状熱交換器が配設されていることが重要である。図示の実施形態においては、ハウジング2の実質上鉛直に延びる両側断熱壁即ち右側断熱壁8及び左側断熱壁10の内側に全体として平板状である熱交換器30が配設されている。そして、かかる熱交換器30と上記連通ガス室18との間には断熱部材31が配設されている。
In the fuel cell assembly constructed according to the present invention, it is important that a plate heat exchanger is disposed on at least one surface of the
図1と共に図3を参照して説明すると、熱交換器30の各々は実質上鉛直に延在する中空平板形態のケース32を含んでいる。かかるケース32は内側壁34、外側壁36、底壁38(図4及び図5)、上壁40、前壁42及び後壁44を有する。ケース32の厚さ方向(図1において左右方向)中間には仕切板46が配設されており、ケース32内は厚さ方向に積層された2個の流路、即ち内側に位置する第一の流路48と外側に位置する第二の流路50とに区画されている。図3と共に図4を参照して説明を続けると、第一の流路48には上下方向に間隔をおいて実質上水平に延びる5個の仕切壁52a、52b、52c、52d及び52eが配設されている。仕切壁52a、52c及び52eの後縁はケース32の後壁44に接続されているが、前縁はケース32の前壁42に対して間隔をおいて後方に位置せしめられている。一方、仕切壁52b及び52dの前縁はケ−ス32の前壁42に接続されているが、後縁はケース32の後壁44に対して間隔をおいて前方に位置せしめられている。かくして、第一の流路48は図4に矢印で示すとおりのジグザグ状に延在せしめられている。図1と共に図5を参照することによって理解される如く、第二の流路50にも上下方向に間隔をおいて実質上水平に延びる5個の仕切壁54a、54b、54c、54d及び54eが配設されている。仕切壁54a、54c及び54eの後縁はケース32の後壁44に接続されているが、前縁はケース32の前壁42に対して間隔をおいて後方に位置せしめられている。一方、仕切壁54b及び54dの前縁はケ−ス32の前壁42に接続されているが、後縁はケース32の後壁44に対して間隔をおいて前方に位置せしめられている。かくして、第二の流路50も図5に矢印で示すとおりのジグザグ状に延在せしめられている。
Referring to FIG. 3 in conjunction with FIG. 1, each of the
図4に明確に図示如く、ケース32の内側壁34の上端部には流入開口56が形成されており、第一の流路48は流入開口56を介して発電・燃焼室12と連通せしめられている。更に詳述すると、図1を参照することによって理解されるとおり、熱交換器30と連通ガス室18との間に配設されている上記断熱部材31の上端は流入開口56の下縁と実質上同高さ乃至これよりも幾分下方に位置せしめられており、流入開口56は連通ガス室18の上端に配設されている3個の連通筒20間を通して発電・燃焼室12と連通せしめられている。一方、図5に図示する如く、ケース32の上壁40の外側部には流出開口58が形成され、かかる流出開口58に対応して上記上部ガス室16の下面壁にも開口(図示していない)が形成されており、第二の流路50は流出開口58を介して上部ガス室16に連通せしめられている。
As clearly shown in FIG. 4, an
図3乃至図5を参照して説明を続けると、上記熱交換器30の後方には上下方向に細長く延びる二重筒体60が配設されている。かかる二重筒体60は円筒形状の内側筒部材62と角筒形状の外側筒部材64とを含んでいる。内側筒部材62内にはガス流入路66が規定されており、内側筒部材62と外側筒部材64との間には燃焼ガス排出路68が規定されている。図5に明確に図示する如く、ガス流入路66の下端(下流端)は熱交換器30に形成されている上記第二の流路50に連通されている。一方、図4に明確に図示する如く、燃焼ガス排出路68の下端(上流端)は熱交換器30に形成されている上記第一の流路48に連通されている。
The description will be continued with reference to FIG. 3 to FIG. 5. A
上述したとおりの燃料電池組立体においては、都市ガスでよい燃料ガスが燃料ガス供給管(図2に2本の燃料ガス供給管28b及び28dを図示している)を介して改質手段26a、26b、26c及び26dに供給され、改質手段26a、26b、26c及び26dにおいて水素リッチガスに改質された後に、連結管(図2に2本の連結管29a及び29cを図示している)を通してガス室22a、22b、22c及び22dに供給され、次いでセルスタック24a、24b、24c及び24dに供給される。一方、空気でよい酸素含有ガスは二重筒体60に形成されているガス流入路66を通して熱交換器30の第二の流路50に供給され、次いで上部ガス室16及び連通ガス室18を通して下部ガス室14に供給され、そしてガス噴出板21の噴出孔からセルスタック24a、24b、24c及び24dに向けて噴射される。セルスタック24a、24b、24c及び24dの各々においては、酸素極において、
1/2O2+2e−→O2−(固体電解質)
の電極反応が生成され、燃料極において、
O2−(固体電解質)+H2→H2O+2e−
の電極反応が生成されて発電される。発電された電力は適宜の取出ライン(図示していない)を通して取り出される。発電に使用されることなくセルスタック24a、24b、24c及び24dから上方に流動した燃料ガス及び酸素含有ガスは点火手段によって点火されて燃焼される。周知の如く、セルスタック24a、24b、24c及び24dにおける発電に起因して、そしてまた燃料ガスと酸素含有ガスとの燃焼に起因して発電・燃焼室12内は例えば1000℃程度の高温になる。改質手段26a、26b、26c及び26dは発電・燃焼室12内に配設されており、従って発電・燃焼室12内に生成される高温が燃料ガスの改質に効果的に利用される。
In the fuel cell assembly as described above, the fuel gas, which may be city gas, is reformed through the fuel gas supply pipes (two fuel
1 / 2O 2 + 2e − → O 2− (solid electrolyte)
The electrode reaction of
O 2− (solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e −
The electrode reaction is generated and power is generated. The generated electric power is taken out through an appropriate take-out line (not shown). The fuel gas and oxygen-containing gas flowing upward from the
発電・燃焼室12内に生成された燃焼ガスは熱交換器30に形成されている流入開口56から第一の流路48に流入し、ジグザグ状に延在する第一の流路48を流動した後に二重筒体60の燃焼ガス排出路68を通して排出される。燃焼ガスが二重筒体60の燃焼ガス排出路68を流動する際には、二重筒体60のガス流入路66を酸素含有ガスが流動し、燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で熱交換が行われる。そしてまた、燃焼ガスが第一の流路48をジグザグ状に流動せしめられる際には、酸素含有ガスが第二の流路50をジグザグ状に流動せしめられる。かくして燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で効果的に熱交換されて酸素含有ガスが余熱される。酸素含有ガスは上部ガス室16、連通ガス室18及び下部ガス室14を通る際にも発電・燃焼室12内の高温によって加熱される。
Combustion gas generated in the power generation /
図6は、本発明の他の形態を示すもので、この形態では、燃料電池の発電反応に使用されなかった余剰の酸素含有ガスと燃料ガスを回収する形態である。図1と同様の構成のものは同一符号を用いている。 FIG. 6 shows another embodiment of the present invention. In this embodiment, excess oxygen-containing gas and fuel gas that have not been used for the power generation reaction of the fuel cell are recovered. Components having the same configuration as in FIG. 1 use the same reference numerals.
図6において、セルスタック24a〜24dの上部に仕切板71が設けられており、この仕切板71によりハウジング2の内部が上下に仕切られている。即ち、仕切板71により燃料ガス室73と酸素含有ガス室75に仕切られ、燃料電池セル内を通過し、反応に用いられなかった余剰の燃料ガスは燃料ガス室73内に、燃料電池セル間を通過し、反応に用いられなかった余剰の酸素含有ガスは酸素含有ガス室75にそれぞれ収容されている。
In FIG. 6, a
余剰の燃料ガスは、断熱材31の上方、熱交換器30の流入開口56を介して、左側の熱交換器30の第一の流路48に流入し、後述するように、第二の流路50にハウジング外から供給された酸素含有ガスと熱交換し、排出管79を介して外部に排出される。一方、余剰の酸素含有ガスは、酸素含有ガス室75に開口し、右側の熱交換器30の流入開口56に接続される余剰酸素含有ガス排出流路77を介して、右側の熱交換器30の第一の流路48に流入し、後述するように、第二の流路50にハウジング外から供給された酸素含有ガスと熱交換し、外部に排出される。
The surplus fuel gas flows into the
図6の熱交換器30は、上記形態と略同一であるが、この熱交換器30では、図7に示すように、第一の流路48の上部に排出管79が連結され、余剰の燃料ガスが第一の流路48を下方にジグザグ状に流通した後、排出管79を介して上方に排出されるように構成されている。一方、第二の流路50の下面に供給管81が連結され、外部からの新鮮な酸素含有ガスが供給管81から第二の流路50内の下部に供給され、第二の流路50をジグザグ状に流通した後、第二の流路50上面に形成された流出開口58を介して上方の上部ガス室16に供給されるように構成されている。
Although the
第一、第二の流路48、50にそれぞれ連通する排出管79、供給管81を異なる位置に、図6では、熱交換器30の上下に設けたので、例えば、排出管79に排ガスを所定位置に導出する管を容易に接続でき、図1に示す場合よりも設計の自由度が大きくなる。尚、図1においても、図7に示すような排出管79、供給管81を有する熱交換器を用いても良いことは勿論である。
The
以上のように構成された燃料電池組立体では、左側の熱交換器30において、燃料電池セルの反応に用いられなかった高温の余剰の燃料ガスが、新鮮な外部の酸素含有ガスと熱交換を行い、右側の熱交換器30において、燃料電池セルの反応に用いられなかった高温の余剰の酸素含有ガスが、新鮮な外部の酸素含有ガスと熱交換を行い、ハウジング2外に排出される高温の排ガスを用いて、外部からの低温の酸素含有ガスを加熱できる。熱交換された余剰の燃料ガスと余剰の酸素含有ガスは外部に導出され、それぞれ回収され、再利用される。
In the fuel cell assembly configured as described above, in the
尚、図6では、余剰の燃料ガスと余剰の酸素含有ガスの両者を用いて、外部からの新鮮な酸素含有ガスと熱交換した例について説明したが、本願発明では、余剰の酸素含有ガスのみ、または余剰の燃料ガスのみを用いて、左右の熱交換器で熱交換してもよい。この場合には、燃料電池組立体の構造を簡略化できる。 In addition, in FIG. 6, although the example which heat-exchanged with the fresh oxygen-containing gas from the outside using both the excess fuel gas and the excess oxygen-containing gas was demonstrated, in this invention, only an excess oxygen-containing gas is demonstrated. Alternatively, heat may be exchanged with the left and right heat exchangers using only excess fuel gas. In this case, the structure of the fuel cell assembly can be simplified.
図8は、本発明のさらに他の形態を示すもので、この形態では、図1の形態において、左右の側面に燃焼ガスと酸素含有ガスの熱交換器を設けるのみならず、背面にも、燃焼ガスと水との熱交換器を設けた形態である。図1と同様の構成のものは同一符号を用いている。 FIG. 8 shows still another embodiment of the present invention. In this embodiment, in the embodiment of FIG. 1, not only a heat exchanger for combustion gas and oxygen-containing gas is provided on the left and right side surfaces, but also on the back surface. This is a mode in which a heat exchanger for combustion gas and water is provided. Components having the same configuration as in FIG. 1 use the same reference numerals.
図8(a)において、ハウジングの左右の側面には燃焼ガスと酸素含有ガスの熱交換器30が設けられ、ハウジングの背面には燃焼ガスと水の熱交換器90が設けられている。この熱交換器90は、熱交換器30と同様の構造を有しており、第一の流路には燃焼ガス、第二の流路には水が供給され、熱交換をする。そして、熱交換器90の第一流路には、熱交換器30の第一流路を通過した燃焼ガスが供給されるように、熱交換器90の第一流路には、熱交換器30の第一流路が接続されている。このような燃料電池組立体では、熱交換器30で熱交換し、酸素含有ガスの加熱に充分寄与した残りの燃焼ガスが熱交換器90の第一流路に流入し、残りの燃焼ガスの熱エネルギーにより水を加熱できる。
In FIG. 8A, a
図8(b)は、ハウジングの左右の側面には燃焼ガスと酸素含有ガスの熱交換器30が設けられ、ハウジングの背面には燃焼ガスと水の熱交換器91が設けられており、熱交換器91は熱交換器30と同一構造を有しており、熱交換器91の第一の流路にも、燃焼ガスが直接流入するように構成されている。このような構造では、水を充分に加熱できる。加熱された水は、外部に導出される。言わば熱交換器90、91は給湯器の役割を担っている。図8において、矢印は燃焼ガスの熱交換器への流入を示す。
In FIG. 8B, a
尚、熱交換器90、91は、図1に示すような構造に限定されるものではなく、例えば、薄い厚みの箱状の排ガス収容空間中に配管を蛇行させて形成し、配管内に水を供給させるようにしてもよい。この場合、構造を簡略化できる。
Note that the
図9は、本発明のさらに他の形態を示すもので、この形態では、図1の形態において、熱交換器を三層構造とした形態である。この熱交換器95は板状をなしており、厚み方向に3層の流路が積層された構造を有している。そして、内側から酸素含有ガスが流通する第一の流路96、燃焼ガスが流通する第二の流路97、水が流通する第三の流路98とされている。
FIG. 9 shows still another embodiment of the present invention. In this embodiment, the heat exchanger has a three-layer structure in the embodiment of FIG. The
このような形態では、燃焼ガスが流通する第二の流路97が、第一の流路96と第三の流路98の間に存在するため、燃焼ガスにより酸素含有ガスの加熱を行うことができるとともに、水の加熱を行うことができる。しかも酸素含有ガスが流通する流路96が最も内側であるため、酸素含有ガスを充分に加熱できる。さらに、水が流通する第三の流路98が最も外側に位置しているため、ハウジングの外面を低温化できる。
In such a configuration, since the
以上添付図面を参照して本発明に従って構成された燃料電池組立体の好適実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能であることは多言を要しない。例えば、図示の実施形態においては、ハウジング2の右側面と左側面とに熱交換器を配設しているが、所望ならばハウジング2の上面、下面、前面にも熱交換器を配設することができる。
The preferred embodiments of the fuel cell assembly configured according to the present invention have been described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to such embodiments and departs from the scope of the present invention. It is not necessary to say variously that various modifications and corrections are possible. For example, in the illustrated embodiment, heat exchangers are disposed on the right side surface and the left side surface of the
また、図示の実施形態においては、酸素含有ガスを熱交換器を通して流通せしめているが、所望ならば酸素含有ガスに代えて或いはこれに加えて燃料ガスを熱交換器を通して流通せしめて余熱することもできる。 In the illustrated embodiment, the oxygen-containing gas is circulated through the heat exchanger. However, if desired, the fuel gas may be circulated through the heat exchanger instead of or in addition to the oxygen-containing gas for preheating. You can also.
更に、図示の実施形態においては上部ガス室16に流入せしめた酸素含有ガスを連通ガス室18、下部ガス室14及び中空ガス噴出板21を介してセルスタック24a、24b、24c及び24dに供給しているが、所望ならば連通ガス室18、下部ガス室14及び中空ガス噴出板21に代えて、上部ガス室16から下方にセルスタック24a、24b、24c及び24d間に垂下する複数個の酸素含有ガス供給管を配設し、上部ガス室16から酸素含有ガス供給管に酸素含有ガスを流動せしめ、酸素含有ガス供給管の下部に配設した噴出孔から酸素含有ガスを噴出せしめてセルスタック24a、24b、24c及び24dに供給することもできる。
Further, in the illustrated embodiment, the oxygen-containing gas that has flowed into the
また、本発明では、対向する二側面に、酸素含有ガスと燃焼ガスとの熱交換器30を設けた例について説明したが、対向する二側面に水と燃焼ガスとの熱交換器90を設けても良い。
In the present invention, the example in which the
2:ハウジング
12:発電・燃焼室
14:下部ガス室
16:上部ガス室
18:連通ガス室
24a、24b、24c及び24d:セルスタック
26a、26b、26c及び26d:改質手段
30、90、91:熱交換器
48、96:第一の流路
50、97:第二の流路
98:第三の流路
2: Housing 12: Power generation / combustion chamber 14: Lower gas chamber 16: Upper gas chamber 18:
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