JP2007026928A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】 起動時間を短縮化し、さらに、各々の発電セルにより得られる電力量を制御容易な燃料電池を提供する。
【解決手段】 断熱部材10に覆われた装置本体1内に、複数の発電セルを上下方向に積層した燃料電池スタック2と、この燃料電池スタックに装置本体1外部から酸化剤ガスを供給する酸化剤供給ライン4と、装置本体内を起動時に加熱する加熱装置6と、酸化剤ガス供給ラインに介装され、燃料電池スタックの上方に設けられて、装置本体内の熱を吸収することにより酸化剤ガスを加熱する吸熱装置3とを設けた。好ましくは、酸化剤供給ライン4に、吸熱装置の下流側に接続され、加熱装置の近傍に位置して、起動時に内部に供給された酸化剤ガスを加熱装置の放熱により加熱する酸化剤加熱器44を設けた。同様に、吸熱装置3の上流側に接続され、加熱装置の外側部を冷却することにより酸化剤ガスを加熱する空気熱交換機構66を介装した。
【選択図】 図1
【解決手段】 断熱部材10に覆われた装置本体1内に、複数の発電セルを上下方向に積層した燃料電池スタック2と、この燃料電池スタックに装置本体1外部から酸化剤ガスを供給する酸化剤供給ライン4と、装置本体内を起動時に加熱する加熱装置6と、酸化剤ガス供給ラインに介装され、燃料電池スタックの上方に設けられて、装置本体内の熱を吸収することにより酸化剤ガスを加熱する吸熱装置3とを設けた。好ましくは、酸化剤供給ライン4に、吸熱装置の下流側に接続され、加熱装置の近傍に位置して、起動時に内部に供給された酸化剤ガスを加熱装置の放熱により加熱する酸化剤加熱器44を設けた。同様に、吸熱装置3の上流側に接続され、加熱装置の外側部を冷却することにより酸化剤ガスを加熱する空気熱交換機構66を介装した。
【選択図】 図1
Description
本発明は、起動時に燃料電池スタックを効率的に予熱することができる燃料電池に関するものである。
現在、燃料電池の一種として、装置本体内に、固体電解質層の両側を空気極層(カソード)と燃料極層(アノード)とで挟んだ積層構造を有する発電セルと、セパレータとが交互に複数段積層された燃料電池スタックを具備する燃料電池が開発されている。
この空気極層及び燃料極層は、多孔質層からなり、燃料極層には、燃料ガス(H2CH4等)が供給される。
他方、空気極層には、空気(O2)が供給され、この空気は、電子を受け取って酸化物イオン(O2-)になりながら、空気極層の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に達する。さらに、この酸化物イオンは、固体電解質層内を燃料極層の方向に向かって拡散移動して、燃料極層の近傍に到達すると、上記燃料ガスと反応して反応生成物(H2O)を生じ、燃料極層に電子を放出する。これらの反応は発熱反応である。
他方、空気極層には、空気(O2)が供給され、この空気は、電子を受け取って酸化物イオン(O2-)になりながら、空気極層の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に達する。さらに、この酸化物イオンは、固体電解質層内を燃料極層の方向に向かって拡散移動して、燃料極層の近傍に到達すると、上記燃料ガスと反応して反応生成物(H2O)を生じ、燃料極層に電子を放出する。これらの反応は発熱反応である。
一方、上述の発電セルの反応を開始するためには、特許文献1に示すように、400℃〜600℃の温度が必要とされる。このため、例えば、燃料電池スタックの外周に、起動時に発電セルを上記温度まで昇温させる電気ヒータやバーナー等の加熱装置を設けた燃料電池が開発されている。
ところが、燃料電池は、加熱装置を稼働させて、装置本体内の温度が上昇して、上部の発電セルが反応開始温度以上になっても、高温ガスが上昇することにより下部の発電セルが反応開始温度にならず、その結果として起動時間が長くなるという問題があった。
また、加熱装置により装置本体内をさらに加熱して、全ての発電セルを反応開始温度以上に上昇させてから燃料電池を起動させても、上部の発電セルと下部の発電セルとに温度差が生じて、両者に発電効率の差が生じるという問題があった。特に、両者の温度差が200℃以上になると、両発電セルの電流量が極端に異なり、各々の発電セルにより得られる電力量を制御し難くなるという問題があった。
また、加熱装置により装置本体内をさらに加熱して、全ての発電セルを反応開始温度以上に上昇させてから燃料電池を起動させても、上部の発電セルと下部の発電セルとに温度差が生じて、両者に発電効率の差が生じるという問題があった。特に、両者の温度差が200℃以上になると、両発電セルの電流量が極端に異なり、各々の発電セルにより得られる電力量を制御し難くなるという問題があった。
そこで、本発明は、上部の発電セルと下部の発電セルとの温度差を軽減して、起動時間を短縮化し、さらには、両者の電流量の差を減少させて、各々の発電セルにより得られる電力量を容易に制御することができる燃料電池を提供することを課題とする。
請求項1に記載の発明は、断熱部材に覆われた装置本体内に、複数の発電セルを上下方向に積層した燃料電池スタックと、この燃料電池スタックに装置本体外部から酸化剤ガスを供給する酸化剤供給ラインと、上記装置本体内を起動時に加熱する加熱装置と、上記酸化剤ガス供給ラインに介装され、上記燃料電池スタックの上方に設けられて、上記装置本体内の熱を吸収することにより上記酸化剤ガスを加熱する吸熱装置とが設けられていることを特徴とする燃料電池である。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の燃料電池において、上記燃料電池スタックが、上記発電セルの発電反応により放出される排ガスが当該発電セルの外周部より放出されるシールレス構造であり、かつ、上記吸熱装置が、平面視において、上記発電セル上部を覆うように配設されていることを特徴とするものである。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の燃料電池において、上記吸熱装置が、上記酸化剤ガスの供給口及び排出口が設けられた筺体であり、かつ、当該筺体内部に、当該供給口から流入した酸化剤ガスを迂回させながら排出口へ供給する邪魔板が設けられていることを特徴とするものである。
請求項4に記載の発明は、請求項1ないし3のいずれか1項に記載の燃料電池において、上記吸熱装置が、上記筺体外周から外方に延在して、上記装置本体内の熱を吸収する外付伝熱部材が備えられていることを特徴とするものである。
請求項5に記載の発明は、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の燃料電池において、上記酸化剤供給ラインに、上記吸熱装置と直列的に接続され、上記加熱装置の近傍に位置して、起動時に内部に供給された上記酸化剤ガスを上記加熱装置の放熱により昇温させる起動用酸化剤加熱器が設けられていることを特徴とするものである。
請求項6に記載の発明は、請求項1ないし5のいずれか1項に記載の燃料電池において、上記酸化剤供給ラインに、上記吸熱装置の上流側に接続され、上記加熱装置の外側部を冷却することにより上記酸化剤ガスを加熱する空気熱交換機構が介装されていることを特徴とするものである。
請求項7に記載の発明は、請求項5又は請求項6に記載の燃料電池において、上記吸熱装置が、上記起動用酸化剤加熱器の上流側に設けられていることを特徴とするものである。
上述の請求項1に記載の発明によれば、複数の発電セルを上下方向に積層した燃料電池スタックと、この発電セルに装置本体外部から酸化剤ガスを供給する酸化剤供給ラインと、上記装置本体内を起動時に加熱する加熱装置と、上記酸化剤ガス供給ラインに介装され、上記燃料電池スタックの上方に設置された吸熱装置とが設けられているため、起動時に加熱装置により加熱されて装置本体内が高温になり、上昇した高温ガスの熱を吸熱装置により吸収することにより、酸化剤ガスを間接的に加熱することができる。このため、この加熱された酸化剤ガスによって、発電セルを内部から反応開始温度まで上昇させることができる。
また、装置本体内は、上記高温ガスの熱により上部が高温になるのに対して、下部が高温になりにくいため、燃料電池スタックの上方に設けた吸熱装置における熱交換により上部を冷却して、全体の温度差を減少させることができる。
その結果、燃料電池は、上部の発電セルと下部の発電セルとの温度差が軽減して、上記間接的に加熱された酸化剤ガスによって、全ての発電セルを効率的に加熱することができるため、起動時間を短縮することができる。
さらに、上記温度差の軽減により、上部の発電セルと下部の発電セルとの電流量の差が減少するため、各々の発電セルにより得られる電力量を容易に制御することができる。
その結果、燃料電池は、上部の発電セルと下部の発電セルとの温度差が軽減して、上記間接的に加熱された酸化剤ガスによって、全ての発電セルを効率的に加熱することができるため、起動時間を短縮することができる。
さらに、上記温度差の軽減により、上部の発電セルと下部の発電セルとの電流量の差が減少するため、各々の発電セルにより得られる電力量を容易に制御することができる。
上述の請求項2に記載の発明によれば、上記燃料電池スタックがシールレス構造である場合に、上記発電セルの外周部から発電反応による排ガスが放出される。そして、上記吸熱装置が、平面視において上記発電セル上部を覆うように配設されているため、酸化剤ガスを、上記装置本体内の高温ガスに加えて、発電セルから放出される排ガスを利用して間接的に加熱することができる。
上述の請求項3に記載の発明によれば、上記吸熱装置は、筺体内部に設けられた邪魔板により、供給口から流入した酸化剤ガスを、迂回させながら排出口へ供給するとともに、筺体又は邪魔板を介して長時間、間接的に加熱することができる。
上述の請求項4に記載の発明によれば、上記吸熱装置の筺体外周から外方に延在する外付伝熱部材が、上記装置本体内の熱を吸収することにより、酸化剤ガスを上記筺体又は邪魔板を介して間接的に加熱して、効率的に昇温させることができる。
上述の請求項5に記載の発明によれば、酸化剤供給ラインに設けられて、上記加熱装置の近傍に位置する上記吸熱装置と直列的に接続された起動用酸化剤加熱器が、起動時に内部に供給された酸化剤ガスを、上記吸熱装置の間接的な加熱に加え、放熱により加熱するため、一層効率的に昇温させることができる。
上述の請求項6に記載の発明によれば、上記酸化剤供給ラインに介装されて、上記吸熱装置の上流側に接続された空気熱交換機構が、上記酸化剤ガスを加熱して、より一層効率的に昇温させることができる。
また、上記加熱装置としては、電気ヒータのように電力を消費しないため、バーナーが好適である。しかしながら、バーナーは、その本体が金属材料からなり、装置本体を加熱することにより自らも加熱されるため耐熱性が問題となる。
これに対し、空気熱交換機構は、吸熱装置により加熱される前の低温酸化剤ガスによってバーナー本体の外側部を冷却して、高温雰囲気から保護するため、バーナーの使用を可能にするとともに、酸化剤ガスをバーナーの周囲の高温雰囲気により加熱することができる。
これに対し、空気熱交換機構は、吸熱装置により加熱される前の低温酸化剤ガスによってバーナー本体の外側部を冷却して、高温雰囲気から保護するため、バーナーの使用を可能にするとともに、酸化剤ガスをバーナーの周囲の高温雰囲気により加熱することができる。
上述の請求項7に記載の発明によれば、上記吸熱装置は、上記起動用酸化剤加熱器の上流側に設けられているため、起動用酸化剤加熱器により加熱される前の低温酸化剤ガスにより燃料装置本体内上部を冷却して、装置本体内全体の温度差を減少させることができる。
本発明に係る燃料電池の第1実施形態〜第4実施形態について、図1ないし図6を用いて、説明する。
まず、第1の実施形態を、図1〜図4を用いて説明する。
本実施形態の燃料電池は、装置本体1が外観略直方体状であり、外周部には断熱部材10、中央部には空洞11が各々設けられている。そして、空洞11には、複数の燃料電池スタック2が設けられており、断熱部材10には、バーナー6が介装されている。
本実施形態の燃料電池は、装置本体1が外観略直方体状であり、外周部には断熱部材10、中央部には空洞11が各々設けられている。そして、空洞11には、複数の燃料電池スタック2が設けられており、断熱部材10には、バーナー6が介装されている。
この複数の燃料電池スタック2は、空洞11の中心部に点対称に配設された4基の直方体状の燃料電池スタック2が、各々3段に積み重ねられることにより、合計12基が配設されている。そして、各々の燃料電池スタック2は、装置本体1の底面上に立設された仕切り棚20の中に配置されている。
また、各々の燃料電池スタック2は、円形の発電セルと方形のセパレータとが、上下方向に向けて交互に複数段積層されることにより、略直方体状に組まれたものである。
このうち、発電セルは、固体電解質層を燃料極層と空気極層とで挟んだ積層構造体に対して、燃料極層外側に燃料極集電体を、空気極層外側に空気極集電体を設けてなる。また、外周部にガス漏れ防止用シールを敢えて設けないシールレス構造を採用しており、発電セルの外周部から排ガスが放出されるようになっている。
このうち、発電セルは、固体電解質層を燃料極層と空気極層とで挟んだ積層構造体に対して、燃料極層外側に燃料極集電体を、空気極層外側に空気極集電体を設けてなる。また、外周部にガス漏れ防止用シールを敢えて設けないシールレス構造を採用しており、発電セルの外周部から排ガスが放出されるようになっている。
ここで、固体電解質層はイットリアを添加した安定化ジルコニア(YSZ)等、燃料極層はNi等の金属あるいはNi−YSZ等のサーメット、空気極層はLaMnO3、LaCoO3等で各々構成されている。また、燃料極集電体はNi等のスポンジ状の多孔質焼結金属板(発泡金属板)、空気極集電体はAg等のスポンジ状の多孔質焼結金属板(発泡金属板)で各々構成されている。
一方、上記セパレータは、ステンレス板(部材)で構成されている。
一方、上記セパレータは、ステンレス板(部材)で構成されている。
上記バーナー6は、空洞11と連通するように装置本体1の内壁に形成された4箇所の凹部に配設されている。このバーナー6は、図2に示すように、前面が開口した上下方向に縦長の内箱61と、この内箱61より外法の大きい外箱62とを重ね合わせた2重構造のバーナー本体63から概略構成されている。
この内箱61は、開口部に赤外線燃焼プレートからなる上記燃焼面60が配設されており、この燃料面60が上記燃料電池スタック2の中下段部側面に対応する位置に、空洞11に露出するように設けられている。
また、背面部に、赤外線燃焼プレートにバーナー燃料ガスを供給するためのバーナー燃料供給管64が接続されている。
また、背面部に、赤外線燃焼プレートにバーナー燃料ガスを供給するためのバーナー燃料供給管64が接続されている。
この内箱61及び外箱62は、SUS等の金属製であり、それぞれの周辺部に設けられたフランジ61a、62aを上下に重ね合わすことにより一体的に構成されている。また、凹部内における内箱61と外箱62との間には、隙間が設けられている。
さらに、空洞11内には、上記燃料電池スタック2の一側方に、燃料熱交換器55と、この燃料熱交換器55の下流側に接続された改質器56とが各々設けられており、上記燃料電池スタック2の他側方に、空気供給管4cと、この空気供給管4cの下流側に接続された外部マニホールド45とが各々設けられている。
上記燃料熱交換器55は、その一部が、燃焼面60に臨む位置に配設されており、起動時に燃焼面60からの放熱により内部に供給される燃料ガスが加熱されるようになっている。
上記改質器56は、上述の燃料電池スタック2の上方に配設されており、供給された燃料ガスと水蒸気とを改質して、水素等を生成するようになっている。
上記燃料熱交換器55及び上記改質器56は、燃料ガス供給管5に介装されている。
上記改質器56は、上述の燃料電池スタック2の上方に配設されており、供給された燃料ガスと水蒸気とを改質して、水素等を生成するようになっている。
上記燃料熱交換器55及び上記改質器56は、燃料ガス供給管5に介装されている。
この燃料ガス供給管5は、装置本体1の外部から断熱部材10に挿通されて、空洞11内に延在するように上方に向けて配設されている。そして、空洞11内において、装置本体1外部から導入された水蒸気供給管50が接続されて、この水蒸気供給管50の接続部の下流側に、燃料熱交換器55と上記改質器56とが各々設けられている。また、この改質器56の下流側に各燃料スタック2が接続されており、各燃料スタック2に改質後の燃料ガス(水素等)を供給するようになっている。
一方、上記空気供給管4cは、上記燃料熱交換器55と同様にして、その一部が、燃焼面60に臨む位置に配設されており、これにより起動時に燃焼面60からの放熱により内部に供給される空気が加熱されるよう空気加熱器44(起動用酸化剤加熱器)を構成している。
上記外部マニホールド45は、燃料電池スタック2の側方に、同スタック2の積層方向に沿って配設されており、各々の燃料電池スタック2に接続されている。
上記外部マニホールド45は、燃料電池スタック2の側方に、同スタック2の積層方向に沿って配設されており、各々の燃料電池スタック2に接続されている。
さらに、上記燃料電池スタック2の上方には、吸熱装置3が配設されている。この吸熱装置3は、図3に示すように、直方体状の筺体30からなり、長手方向の一端上部に供給口32、他端下部に排出口34が各々配設されている。
また、複数の邪魔板33が、各々左右端部に交互に隙間部を設けて、筺体30の右縁から左縁に向けて並行に配設されている。また、吸熱装置3は、邪魔板33と筺体30とが一体的に設けられており、上記隙間部により供給口32から排出口34へ空気の流路が形成されている。
また、複数の邪魔板33が、各々左右端部に交互に隙間部を設けて、筺体30の右縁から左縁に向けて並行に配設されている。また、吸熱装置3は、邪魔板33と筺体30とが一体的に設けられており、上記隙間部により供給口32から排出口34へ空気の流路が形成されている。
加えて、その外周部から鍔状に外付伝熱部材31が備えられており、この外付伝熱部材31が空洞11の四隅近傍に位置するように設けられている。
上述のようにして構成される吸熱装置3は、外付伝熱部材31を含め、SUS等の伝熱部材から構成されている。
上述のようにして構成される吸熱装置3は、外付伝熱部材31を含め、SUS等の伝熱部材から構成されている。
なお、吸熱装置3は、その他の一実施形態として、例えば、図3に示すように、各々筺体30の中央上部に供給口32、筺体30の角隅下部にそれぞれ排出口34を配設することもできる。この場合には、1つの供給口32に対して2つの排出口34を設けるため、排出口34の断面積が供給口32の断面積の半分となる。
さらに、断熱部材10には、装置本体1の外部から空気導入管4aが上方に向けて導入されている。
ここで、バーナー6の本体63は、上述のように内箱61と外箱62との間に隙間が形成されている。そして、空気導入管4aの上端部は、この隙間により形成される空気流路66(空気熱交換機構)の下端部に接続されている。この空気流路66は、内部に供給された空気によってバーナー本体63を冷却するとともに、内箱内61の高温のバーナー燃料ガスによって上記空気を加熱するようになっている。
さらに、この空気流路66の上端部には、接続管4bの下端部が接続されており、この接続管4bは、上方に向けて配管されて、上端部が上記吸熱装置3の供給口32に接続されている。
ここで、バーナー6の本体63は、上述のように内箱61と外箱62との間に隙間が形成されている。そして、空気導入管4aの上端部は、この隙間により形成される空気流路66(空気熱交換機構)の下端部に接続されている。この空気流路66は、内部に供給された空気によってバーナー本体63を冷却するとともに、内箱内61の高温のバーナー燃料ガスによって上記空気を加熱するようになっている。
さらに、この空気流路66の上端部には、接続管4bの下端部が接続されており、この接続管4bは、上方に向けて配管されて、上端部が上記吸熱装置3の供給口32に接続されている。
そして、吸熱装置3の排出口34は、空気加熱器44を備えた空気供給管4cの上端部に接続されており、この空気供給管4cの下端部は、上記外部マニホールド45の下端部に接続されている。
以上のとおり、第1の実施形態の燃料電池は、空気導入管4a、接続管4b及び空気供給管4cによって、空気供給ライン4が構成されており、この空気供給ライン4に、上流側から順に空気流路66、上記吸熱装置3、上記空気加熱器44が設けられている。
以上のとおり、第1の実施形態の燃料電池は、空気導入管4a、接続管4b及び空気供給管4cによって、空気供給ライン4が構成されており、この空気供給ライン4に、上流側から順に空気流路66、上記吸熱装置3、上記空気加熱器44が設けられている。
次に、第2の実施形態ないし第4の実施形態について、説明する。
第2の実施形態の燃料電池は、図5に示すように、空気供給ライン4に、上流側から順に上記空気流路66、上記空気加熱器44、吸熱装置3が設けられており、上記空気加熱器44の下流側に吸熱装置3が配設されている点において第1の実施形態の燃料電池と異なる。
第2の実施形態の燃料電池は、図5に示すように、空気供給ライン4に、上流側から順に上記空気流路66、上記空気加熱器44、吸熱装置3が設けられており、上記空気加熱器44の下流側に吸熱装置3が配設されている点において第1の実施形態の燃料電池と異なる。
このため、上記接続管4bは、上記空気流路66の上端部に接続されて、バーナー6の図中奥側から下方へと延在するように断熱部材10に埋設されている。さらに、断熱部材10内から空洞11の下部に配設されて、燃焼面60に沿って上方に延在しており、上端部が上記吸熱装置3の供給口32に接続されている。そして、この接続管4bの一部が、燃焼面に臨む位置に配設されて、空気加熱器44を構成している。
また、上記空気供給管4cは、上記吸熱装置3の排出口34から外部マニホールド45の上端部に接続されている。
また、上記空気供給管4cは、上記吸熱装置3の排出口34から外部マニホールド45の上端部に接続されている。
第3の実施形態の燃料電池は、図6に示すように、空気流路66が設けられていない点において第1の実施形態の燃料電池と異なる。
このため、上記空気導入管4aは、開口部が装置本体1上方に設けられており、一部装置本体1の断熱部材10に埋設されて、下端部が空洞11内の吸熱装置3の供給口32に接続されている。
また、空気供給管4cは、燃料面60に沿って配設されており、この空気供給管4cの一部が、燃料面60に臨む位置に配設されて、空気加熱器44を構成している。また、空気供給管4cの下端部が、外部マニホールド45の下端部に接続されている。
よって、空気供給ライン4は、空気導入管4a及び空気供給管4cにより構成されている。
このため、上記空気導入管4aは、開口部が装置本体1上方に設けられており、一部装置本体1の断熱部材10に埋設されて、下端部が空洞11内の吸熱装置3の供給口32に接続されている。
また、空気供給管4cは、燃料面60に沿って配設されており、この空気供給管4cの一部が、燃料面60に臨む位置に配設されて、空気加熱器44を構成している。また、空気供給管4cの下端部が、外部マニホールド45の下端部に接続されている。
よって、空気供給ライン4は、空気導入管4a及び空気供給管4cにより構成されている。
第4の実施形態の燃料電池は、空気流路66が設けられていない点において第2の実施形態の燃料電池と異なる。
このため、上記空気導入管4aは、開口部が装置本体1下方に設けられており、一部装置本体1の断熱部材10に埋設されて、燃焼面60に沿って空洞11内に配設されている。そして、空気導入管4aの一部が、燃焼面60に臨む位置に配設されて、空気加熱器44を構成しており、上端部が、吸熱装置3の供給口32に接続されている。
さらに、空気供給管4cは、第2の実施形態と同様に、上記吸熱装置3の排出口34から外部マニホールド45の上端部に接続されている。
よって、空気供給ライン4は、第3の実施形態と同様に、空気導入管4a及び空気供給管4cにより構成されている。
このため、上記空気導入管4aは、開口部が装置本体1下方に設けられており、一部装置本体1の断熱部材10に埋設されて、燃焼面60に沿って空洞11内に配設されている。そして、空気導入管4aの一部が、燃焼面60に臨む位置に配設されて、空気加熱器44を構成しており、上端部が、吸熱装置3の供給口32に接続されている。
さらに、空気供給管4cは、第2の実施形態と同様に、上記吸熱装置3の排出口34から外部マニホールド45の上端部に接続されている。
よって、空気供給ライン4は、第3の実施形態と同様に、空気導入管4a及び空気供給管4cにより構成されている。
次に、上述の第1実施形態の燃料電池について、作用を説明する。
燃料電池を起動する際に、まず、バーナー燃料供給管64にバーナー燃料ガスを供給して、バーナー6を点火する。これと並行して、装置本体1の外部から空気導入管4aに空気、燃料ガス供給ライン5に燃料ガス、水蒸気供給管50に水蒸気を各々供給する。
燃料電池を起動する際に、まず、バーナー燃料供給管64にバーナー燃料ガスを供給して、バーナー6を点火する。これと並行して、装置本体1の外部から空気導入管4aに空気、燃料ガス供給ライン5に燃料ガス、水蒸気供給管50に水蒸気を各々供給する。
すると、バーナー6の燃焼面60の遠赤外線燃焼プレートからの放熱により、燃料電池スタック2が昇温するとともに、装置本体1内の温度も上昇する。
それと同時に、上記空気は、空気流路66に供給され、遠赤外線燃焼プレートの放熱により高温になったバーナー燃料ガスによって加熱される。
一方、バーナー6は、吸熱装置3や空気加熱器44により加熱される前の低温空気によってバーナー本体63の外側部が冷却されて、高温雰囲気から保護されるため、加熱装置として使用可能となる。これにより、エネルギー効率的に優れた遠赤外線バーナーによって燃料電池スタック2を加熱することができる。
一方、バーナー6は、吸熱装置3や空気加熱器44により加熱される前の低温空気によってバーナー本体63の外側部が冷却されて、高温雰囲気から保護されるため、加熱装置として使用可能となる。これにより、エネルギー効率的に優れた遠赤外線バーナーによって燃料電池スタック2を加熱することができる。
次いで、空気は、空気流路66から接続管4bに供給された後、供給口32から吸熱装置3に供給される。
すると、空気は、空洞11内を上昇する熱により、吸熱装置3を介して間接的に加熱される。その際、邪魔板33によって形成された流路を排出口34に向かって蛇行しつつ流れながら、外付伝熱部材31を含む吸熱装置3全体が吸収した多量の熱により、間接的に加熱されて、効率的に昇温する。特に、燃料電池スタック2がシールレス構造を採用しているため、発電反応が開始した後は、発電セルの外周部から放出される高温の排ガスにより加熱されて、一層効率的に昇温する。
すると、空気は、空洞11内を上昇する熱により、吸熱装置3を介して間接的に加熱される。その際、邪魔板33によって形成された流路を排出口34に向かって蛇行しつつ流れながら、外付伝熱部材31を含む吸熱装置3全体が吸収した多量の熱により、間接的に加熱されて、効率的に昇温する。特に、燃料電池スタック2がシールレス構造を採用しているため、発電反応が開始した後は、発電セルの外周部から放出される高温の排ガスにより加熱されて、一層効率的に昇温する。
一方、装置本体1の上部は、空気加熱器44により加熱される前の比較的低温な空気が吸熱装置3に供給されることよって冷却される。このため、装置本体1内の温度差が減少して、上部の発電セルと下部の発電セルとの温度差が格段に軽減される。
次いで、吸熱装置3の排出口34から排出された空気は、空気供給管4cに供給されて、空気加熱器44まで移動すると、燃焼面60からの放熱により加熱される。
この空気加熱器44により加熱された高温の空気は、空気供給ライン4からマニホールド45を介して燃料電池スタック2へ供給される。
この空気加熱器44により加熱された高温の空気は、空気供給ライン4からマニホールド45を介して燃料電池スタック2へ供給される。
他方、上記燃料ガス供給ライン5に供給されたガスは、上記水蒸気とともに燃料熱交換器55に供給され、バーナー6の燃焼面60からの放熱により加熱された後、改質器56に供給される。この改質器56により改質されて、高温の水素ガスとなり、各燃料電池スタック2に供給される。
次に、上述の第2実施形態〜第4実施形態の燃料電池について、作用を説明する。
上述の第1実施形態の燃料電池と同様にして燃料電池を起動する際に、まず、バーナー6を点火する。これと併せて、空気導入管4aに空気、燃料ガス供給ライン5に燃料ガス、水蒸気供給管50に水蒸気を各々供給する。
すると、第1の実施形態と同様にして、バーナー6の燃焼面60からの放熱により、燃料電池スタック2が昇温するとともに、装置本体1内の温度も上昇する。
それと同時に、第2の実施形態における燃料電池の場合には、上記空気は、空気流路66に供給され、バーナー燃料ガスによって加熱され、バーナー6は、吸熱装置3や空気加熱器44により加熱される前の空気により冷却される。
次いで、空気は、空気流路66から、接続管4bに供給されて、空気加熱器44において燃焼面60からの放熱により加熱された後に、吸熱器3に供給される。
この吸熱器3に供給された空気は、第1の実施形態と同様に、空洞11内の熱により間接的に加熱されて、効率的に昇温した後、排出口34から外部マニホールド45を介して、各燃料電池スタック2へ供給される。
この吸熱器3に供給された空気は、第1の実施形態と同様に、空洞11内の熱により間接的に加熱されて、効率的に昇温した後、排出口34から外部マニホールド45を介して、各燃料電池スタック2へ供給される。
第3の実施形態における燃料電池の場合には、バーナー6の燃焼面60からの放熱と同時に、上記空気は、吸熱装置3に供給されて、空洞11内の熱により間接的に加熱されて効率的に昇温する。
一方、装置本体1の上部は、空気加熱器44により加熱される前の低温の空気が吸熱装置3に供給されることにより冷却される。
一方、装置本体1の上部は、空気加熱器44により加熱される前の低温の空気が吸熱装置3に供給されることにより冷却される。
次いで、吸熱装置3の排出口34から排出された空気は、空気供給管4cに供給されて、空気加熱器44において燃焼面60からの放熱により加熱された後、外部マニホールド45を介して各燃料電池スタック2に供給される。
また、第4の実施形態における燃料電池の場合には、上記空気は、空気加熱器44において燃焼面60からの放熱により加熱された後に、吸熱装置3に供給される。
次いで、吸熱装置3に供給された空気は、空洞11内の熱により間接的に加熱されて効率的に昇温した後、排出口34から空気供給管4cに供給され、次いで外部マニホールド45を介して、各燃料電池スタック2に供給される。
次いで、吸熱装置3に供給された空気は、空洞11内の熱により間接的に加熱されて効率的に昇温した後、排出口34から空気供給管4cに供給され、次いで外部マニホールド45を介して、各燃料電池スタック2に供給される。
他方、上記燃料ガスは、第1の実施形態と同様にして、核燃料電池スタック2に供給される。
以上のようにして、上述の第1実施形態〜第4実施形態の燃料電池は、各燃料電池スタック2に上述の各種高温ガスが供給されて、各燃料電池スタック2が内部からも加熱される。
その結果、上記温度差の軽減した発電セルが、燃焼面60の放熱により加熱されると共に、内部に供給された高温ガスによっても加熱されるため、例えば、従来8時間であった起動時間を、5時間まで短縮することができる。
その結果、上記温度差の軽減した発電セルが、燃焼面60の放熱により加熱されると共に、内部に供給された高温ガスによっても加熱されるため、例えば、従来8時間であった起動時間を、5時間まで短縮することができる。
さらに、上記温度差の軽減により、上部の発電セルと下部の発電セルとの電流量の差が減少して、各々の発電セルにより得られる電力量を制御することができる。
なお、本発明は、上述の実施の形態に何ら限定されるものではなく、例えば、燃料電池スタックは12基に限らず、また、燃料熱交換器55が配設されていなくてもよい。
1・・・装置本体
2・・・燃料電池スタック
3・・・吸熱装置
4・・・空気供給ライン(酸化剤ガス供給ライン)
4a・・・空気導入管(酸化剤ガス供給ライン)
4b・・・接続管(酸化剤ガス供給ライン)
4c・・・空気供給管(酸化剤ガス供給ライン)
4d・・・接続管(酸化剤ガス供給ライン)
6・・・バーナー(加熱装置)
10・・・断熱部材
44・・・空気加熱器(起動用酸化剤加熱器)
66・・・空気流路(空気熱交換機構)
2・・・燃料電池スタック
3・・・吸熱装置
4・・・空気供給ライン(酸化剤ガス供給ライン)
4a・・・空気導入管(酸化剤ガス供給ライン)
4b・・・接続管(酸化剤ガス供給ライン)
4c・・・空気供給管(酸化剤ガス供給ライン)
4d・・・接続管(酸化剤ガス供給ライン)
6・・・バーナー(加熱装置)
10・・・断熱部材
44・・・空気加熱器(起動用酸化剤加熱器)
66・・・空気流路(空気熱交換機構)
Claims (7)
- 断熱部材に覆われた装置本体内に、複数の発電セルを上下方向に積層した燃料電池スタックと、この燃料電池スタックに装置本体外部から酸化剤ガスを供給する酸化剤供給ラインと、上記装置本体内を起動時に加熱する加熱装置と、上記酸化剤ガス供給ラインに介装され、上記燃料電池スタックの上方に設けられて、上記装置本体内の熱を吸収することにより上記酸化剤ガスを加熱する吸熱装置とが設けられていることを特徴とする燃料電池。
- 上記燃料電池スタックは、上記発電セルの発電反応により放出される排ガスが当該発電セルの外周部より放出されるシールレス構造であり、かつ、上記吸熱装置は、平面視において、上記発電セル上部を覆うように配設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。
- 上記吸熱装置は、上記酸化剤ガスの供給口及び排出口が設けられた筺体であり、かつ、当該筺体内部に、当該供給口から流入した酸化剤ガスを迂回させながら排出口へ供給する邪魔板が設けられていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池。
- 上記吸熱装置は、上記筺体外周から外方に延在して、上記装置本体内の熱を吸収する外付伝熱部材が備えられていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の燃料電池。
- 上記酸化剤供給ラインには、上記吸熱装置と直列的に接続され、上記加熱装置の近傍に位置して、起動時に内部に供給された上記酸化剤ガスを上記加熱装置の放熱により昇温させる起動用酸化剤加熱器が設けられていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の燃料電池。
- 上記酸化剤供給ラインには、上記吸熱装置の上流側に接続され、上記加熱装置の外側部を冷却することにより上記酸化剤ガスを加熱する空気熱交換機構が介装されていることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の燃料電池。
- 上記吸熱装置は、上記起動用酸化剤加熱器の上流側に設けられていることを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の燃料電池。
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