JP2008218277A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数の発電セルとセパレータを交互に積層し、架台18上に固定して構成した燃料電池スタック13を発電反応室1の中央付近に少なくとも高さ方向に複数積層する。これら燃料電池スタック13に近接して高さ方向に燃料改質器42を配置する。この燃料改質器42上端部に未改質燃料ガスの導入管45a〜45dを接続するとともに、下端部に改質された燃料ガスの排出管32を接続し、かつ高さ方向中段の燃料電池スタック13に対向する部位に予熱バーナ7を設置した。この予熱バーナと燃料電池スタックとの間に、少なくとも予熱バーナの加熱面を全て覆うようにして遮熱板8を配設した。
【選択図】図1
Description
また、固体酸化物燃料電池は、発電セルが上述の反応に400℃〜500℃の温度を必要とするため、燃料電池スタックの周囲に電気ヒータ等の予熱ヒータが設置されている。
加えて、燃料電池の起動時には、予熱バーナに臨むように位置して、当該予熱バーナに直接的に加熱される燃料電池スタックが著しく高温となってしまうため、全ての燃料電池スタックが昇温する前に、予熱バーナの作動を停止させることとなってしまう。
尚、上述した燃料ガスマニホールド19aと空気マニホールド19bは、何れも各燃料電池スタック13の内部に形成されており、スタック内において、燃料ガスマニホールド19aは、後述する燃料バッファタンク47a〜47dの燃料分配管46に接続され、空気マニホールド19bは後述する空気バッファタンク52の空気分配管56に接続されている。
尚、内部缶体20の上部と下部の中央には、各燃料電池スタック13より発電反応室1に放出された高温の排ガスを外部に排出するための排気管81、82が設けられている。
この内部缶体20の下部に設けられた排気管82は、内部缶体20の上部に設けられた排気管81よりも排出口が大きく形成されて、排気管81よりも排ガスの排気量が多く、排ガスが発電反応室1において全体として下方に流動するように設けられている。
これによって、側部空気熱交換器53及び側部燃料熱交換器43は、バーナ7からの輻射熱を直接的に受熱しないようになっている。
上部空気熱交換器50は、上述した側部空気熱交換器53の下流側熱交換器であり、その入口が配管51により側部空気熱交換器53の上端部に接続されると共に、出口が上述した空気バッファタンク52の上端部に接続されている。
燃料バッファタンク47a〜47dからの燃料分配管46は各々燃料電池スタック13の上端部と下端部に接続され、空気バッファタンク52からの空気分配管56は、上側2段の燃料電池スタック13においてはスタック下端部に接続され、下側2段の燃料電池スタック13においてはスタック上端部に接続されている。
これにより、各燃料電池スタック13が予熱バーナ7からの輻射熱を直接的に受熱することを避けて、直接的な受熱により一部の燃料電池スタック13が加速的に昇温するのを防止し、全ての燃料電池スタック13を均一的に昇温させ、結果的に起動時間を短縮するようになっている。また、遮熱板8が予熱バーナ7から50mm以上離れた位置に設置されることによりバーナ7の失火が防止される。
この水蒸気発生器40は、燃料改質用の高温水蒸気を得るための熱交換器であって、水蒸気の発生には高温よりも寧ろ多量の熱量を必要とすることから、発電反応室1から離隔し、且つ、上述した熱交換器43、53より外側の低温部位となる下部排気管82内に配設されている。
そして、混合ガスは、各翼部42a〜42d内を下方に流通する過程で改質触媒によって吸熱反応である改質が燃料電池スタック13からの輻射熱を回収することによりなされる。改質反応による吸熱量は温度の高い改質器上部において多く、改質器下方に向かって減少するため、この吸熱量の変化により、燃料電池スタック13の高さ方向の熱的バランスが均一化される。
ここで、燃料バッファタンク47内の燃料ガスは、図6に示すように、それぞれ各燃料電池スタック13の上端部および下端部から供給される。このように、燃料ガスをスタック上下(スタック両端)より供給することで、ガス流通過程での圧損差を緩和し、各発電セル11へ等分配された燃料ガスを安定的に供給することができる。これにより、各発電セルの発電性能を均一にし、発電効率を向上させることができる。
ここで、空気バッファタンク52内の空気は、図6に示すように、燃料電池スタック13の昇温している発電反応室1の高さ方向の中央部側から供給(上側2段のスタックは下端部から、下側2段のスタックは上端部から供給する)され、そこから上下方向に流通する過程で昇温された空気が比較的温度の低いスタック両端側を昇温する。これにより、スタックの高さ方向の温度を均一化できる。
7 予熱バーナ
8 遮熱板
11 発電セル
12 セパレータ
13 燃料電池スタック
18 架台
32 排出管
42a〜42d 燃料改質器
43 側部燃料熱交換器
45a〜45d 導入管
53 側部空気熱交換器
56 空気分配管
Claims (6)
- 複数の発電セルとセパレータを交互に積層し、架台に固定して燃料電池スタックを構成し、発電反応室に収容すると共に、運転時、前記燃料電池スタックに改質された燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して発電反応を生じさせる燃料電池において、
前記燃料電池スタックは、前記発電反応室の中央付近において少なくとも高さ方向に複数積層されると共に、これら燃料電池スタックに近接して高さ方向に燃料改質器が配置されており、当該燃料改質器の上端部に未改質燃料ガスの導入管が接続され、下端部に改質された燃料ガスの排出管が接続され、かつ高さ方向の中段の上記燃料電池スタックに対向する部位に予熱バーナが配設されていることを特徴とする燃料電池。 - 上記予熱バーナと上記燃料電池スタックとの間には、少なくとも上記予熱バーナの加熱面を全て覆うようにして遮熱板が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。
- 上記燃料電池スタックには、上記発電反応に使用されなかった残余のガスを上記発電セルの外周部より放出するシールレス構造が採用され、かつ上記発電反応室を気密的に覆っている缶体の下部には、上記発電セルから放出された上記残余のガスを、上記発電反応室で全体として下方に流動させる排出口が設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池。
- 前記燃料改質器は、最上段の燃料電池スタックから最下段の燃料電池スタックに至るまで近接して配置されることを特徴とする請求項1ないし3の何れか一項に記載の燃料電池。
- 前記発電反応室には、高さ方向に延びる燃料熱交換器が設けられ、かつ
当該燃料熱交換器は、その下端部に外部からの未改質燃料ガスが導入される燃料ガス供給管が接続されると共に、その上端部に上記導入管に通ずる排出口が形成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項4の何れか一項に記載の燃料電池。 - 各燃料電池スタックには、燃料電池スタック内に酸化剤ガスを供給するための空気分配管が接続されており、且つ、高さ方向中央より上側の燃料電池スタックにおいては、前記空気分配管が燃料電池スタック下端部に接続されると共に、下側の燃料電池スタックにおいては、前記空気分配管が燃料電池スタック上端部に接続されることを特徴とする請求項1ないし請求項5の何れか一項に記載の燃料電池。
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