JP2008235094A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池モジュール、燃焼器、燃料ガス供給装置、酸化剤ガス供給装置、水供給装置、電力変換装置及び制御装置が筐体に収容される燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system in which a fuel cell module, a combustor, a fuel gas supply device, an oxidant gas supply device, a water supply device, a power conversion device, and a control device are housed in a casing.
通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この固体電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。 In general, a solid oxide fuel cell (SOFC) uses an oxide ion conductor, for example, stabilized zirconia, as a solid electrolyte, and an electrolyte / electrode in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of the solid electrolyte. The joined body is sandwiched between separators (bipolar plates). This fuel cell is normally used as a fuel cell stack in which a predetermined number of electrolyte / electrode assemblies and separators are laminated.
上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料から改質原料ガスを得た後、この改質原料ガスに水蒸気改質や部分酸化改質、又はオートサーマル改質等を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。 As the fuel gas supplied to the fuel cell, hydrogen gas generated from a hydrocarbon-based raw fuel by a reformer is usually used. In a reformer, generally, after obtaining a reforming raw material gas from a hydrocarbon-based raw fuel such as fossil fuels such as methane and LNG, steam reforming, partial oxidation reforming, or A reformed gas (fuel gas) is generated by performing autothermal reforming or the like.
この場合、単一のユニットケース内に、燃料電池、改質装置、前記燃料電池で発生した直流電力を電源出力仕様に変換する電力変換装置、制御装置及び補機類を内蔵した燃料電池システム（燃料電池電源装置）が知られている。 In this case, a fuel cell system in which a fuel cell, a reformer, a power conversion device that converts DC power generated in the fuel cell into a power output specification, a control device, and auxiliary devices are built in a single unit case ( Fuel cell power supply devices) are known.
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池電源装置では、図５に示すように、ユニットケースのフレーム１に横桟１ａ、１ｂが設けられることにより、このフレーム１内が上下３段に構成されている。上段の横桟１ａ上には、改質装置２が配置され、中段の横桟１ｂ上には、制御装置３と燃料電池４とが背中合わせになるように配置されている。制御装置３の背面部には、断熱材３ａが設けられるとともに、外周部に断熱材３ｂが設けられて制御装置３を周囲の高熱から保護している。
For example, in the fuel cell power supply device disclosed in
フレーム１の底板上には、改質装置２に原燃料を送り込む燃料ポンプ５、燃料電池４に反応空気を送り込む空気ポンプ６等の補機類が配置されている。フレーム１の上部側に設けられる補助棚１ｃ上には、改質器バーナ用空気ポンプ６が配置されるとともに、前記改質器バーナ用空気ポンプ６の前方には、ＰＧバーナ７が配置されている。フレーム１の床面上には、燃料電池４の側方に位置して電力変換装置８が配置されている。
On the bottom plate of the
上記の特許文献１では、フレーム１の中段に、横桟１ｂ上に位置して制御装置３と燃料電池４とが背中合わせに配置されている。ここで、制御装置３は、比較的低温の環境下で使用されるものである一方、燃料電池４は、発電によって温度が上昇している。特に、高温型燃料電池（固体酸化物形燃料電池や溶融炭酸塩形燃料電池等）や、中温型燃料電池（リン酸形燃料電池や水素分離膜形燃料電池等）が用いられる際、断熱材３ａ、３ｂによっても、制御装置３への熱影響が懸念されている。
In the above-mentioned
さらに、フレーム１の上段には、横桟１ａ上に改質装置２やＰＧバーナ７等が配置されているとともに、これらの下方に燃料電池４が配置されている。このため、改質装置２及びＰＧバーナ７で発生する熱は、上昇するだけであって、燃料電池４の昇温に使用されることがない。これにより、特に、高温型燃料電池及び中温型燃料電池の起動性や始動性の改善が図れないという問題がある。
Further, in the upper stage of the
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池モジュールの起動性及び始動性を良好に向上させるとともに、比較的低温で使用される制御装置等に熱影響が及ぶことを可及的に阻止することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention solves this kind of problem, and improves the startability and startability of the fuel cell module as well as exerts as much heat as possible on the control device used at a relatively low temperature. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system that can be prevented.
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールを昇温させる燃焼器と、前記燃料電池モジュールに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池モジュールに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池モジュールに水を供給する水供給装置と、前記燃料電池モジュールで発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置と、前記燃料電池モジュールの発電量を制御する制御装置とを筐体に収容する燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell module that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, a combustor that raises the temperature of the fuel cell module, and a fuel gas supply device that supplies the fuel gas to the fuel cell module An oxidant gas supply device for supplying the oxidant gas to the fuel cell module, a water supply device for supplying water to the fuel cell module, and converting direct current power generated in the fuel cell module into required specification power The present invention relates to a fuel cell system in which a power conversion device for controlling and a control device for controlling the power generation amount of the fuel cell module are housed in a casing.
そして、筐体は、燃料電池モジュール及び燃焼器が収容され、且つ前記燃料電池モジュールが前記燃焼器の上方に配置されるモジュール部と、燃料ガス供給装置、酸化剤ガス供給装置及び水供給装置が配置される流体供給部と、電力変換装置及び制御装置が配置される電装部とに分割されるとともに、前記モジュール部と前記電装部との間に前記流体供給部が介装されている。 The casing includes a module unit in which the fuel cell module and the combustor are accommodated and the fuel cell module is disposed above the combustor, a fuel gas supply device, an oxidant gas supply device, and a water supply device. The fluid supply unit is divided into an electrical component in which the power conversion device and the control device are arranged, and the fluid supply unit is interposed between the module unit and the electrical component.
また、流体供給部は、水供給装置が最下部に配置されることが好ましい。これにより、水供給装置に、例えば、水漏れが発生しても、燃料ガス供給装置及び酸化剤ガス供給装置が被水することを阻止することが可能になる。 Moreover, it is preferable that a water supply apparatus is arrange | positioned at the lowest part for a fluid supply part. Thereby, for example, even if a water leak occurs in the water supply device, it is possible to prevent the fuel gas supply device and the oxidant gas supply device from getting wet.
さらに、流体供給部は、燃料ガスを検知する検知器を備えるとともに、前記検知器は、前記流体供給部の最上部に配置されることが好ましい。これにより、燃料ガス供給装置から燃料ガスの漏れが発生しても、検知器を介してガス漏れを迅速且つ確実に検出することが可能になる。 Furthermore, it is preferable that the fluid supply unit includes a detector that detects fuel gas, and the detector is disposed at the uppermost part of the fluid supply unit. Thereby, even if fuel gas leaks from the fuel gas supply device, the gas leak can be detected quickly and reliably via the detector.
さらにまた、流体供給部は、酸化剤ガス供給装置の上方に燃料ガス供給装置が配置されることが好ましい。酸化剤ガス供給装置は、エアポンプを備える一方、燃料ガス供給装置は、燃料ガスポンプを備えている。特に、Ａ／Ｆ（空気／燃料ガス）の値が大きい燃料電池システムにおいては、エアポンプは、燃料ガスポンプに比べて体積が大きく、且つ、重量物となっている。従って、酸化剤ガス供給装置を燃料ガス供給装置の下方に配置することにより、設置安定性の向上を図ることができる。しかも、燃料ガス供給装置から燃料ガスの漏れが発生しても、この燃料ガスを酸化剤ガス供給装置により吸入することを回避することが可能になる。 Furthermore, it is preferable that the fuel gas supply device is disposed above the oxidant gas supply device in the fluid supply unit. The oxidant gas supply device includes an air pump, while the fuel gas supply device includes a fuel gas pump. In particular, in a fuel cell system having a large A / F (air / fuel gas) value, the air pump has a larger volume and a heavy object than the fuel gas pump. Therefore, the installation stability can be improved by disposing the oxidant gas supply device below the fuel gas supply device. In addition, even if fuel gas leaks from the fuel gas supply device, it is possible to avoid inhaling the fuel gas by the oxidant gas supply device.
また、流体供給部は、検知器及び燃料ガス供給装置が配置される第１供給部と、酸化剤ガス供給装置及び水供給装置が配置される第２供給部とに分割されることが好ましい。これにより、燃料ガス供給装置から燃料ガスの漏れが発生しても、この燃料ガスを酸化剤ガス供給装置が吸入することを確実に阻止することができる。 The fluid supply unit is preferably divided into a first supply unit in which the detector and the fuel gas supply device are arranged, and a second supply unit in which the oxidant gas supply device and the water supply device are arranged. Thereby, even if fuel gas leaks from the fuel gas supply device, it is possible to reliably prevent the oxidant gas supply device from inhaling the fuel gas.
さらに、筐体は、モジュール部、流体供給部及び電装部を水平方向に沿って縦仕切り板により分割することが好ましい。作動温度毎及び機能毎にモジュール部、流体供給部及び電装部に分割されるため、熱や流体の拡散を最小化し得るとともに、機能上、良好に配置することが可能になる。 Furthermore, the casing preferably divides the module part, the fluid supply part, and the electrical component part by a vertical partition along the horizontal direction. Since it is divided into a module part, a fluid supply part, and an electrical part for each operating temperature and each function, diffusion of heat and fluid can be minimized, and it can be arranged well in terms of function.
その際、高温部（数百℃）となるモジュール部と低温部（４０℃前後）に維持する必要がある電装部との間には、流体供給部が配置されている。従って、特に、電装部に配置されて燃料電池システムの発電量を制御する制御装置は、前記燃料電池システムの稼働中に高温部であるモジュール部からの熱影響を受け難くなり、前記制御装置が高温化することを抑制することができる。 In that case, the fluid supply part is arrange | positioned between the module part used as a high temperature part (several hundred degreeC), and the electrical equipment part which needs to be maintained at a low temperature part (around 40 degreeC). Therefore, in particular, the control device that is disposed in the electrical unit and controls the power generation amount of the fuel cell system is less likely to be affected by the heat from the module unit that is the high temperature part during operation of the fuel cell system. High temperature can be suppressed.
しかも、電装部は、筐体の最外部に配置されており、前記電装部の冷却が促進されて高温化し難くなっている。これにより、制御装置を含む電装部は、良好な機能を確実に維持して作動することが可能になる。 In addition, the electrical component is arranged at the outermost part of the housing, and cooling of the electrical component is promoted, and it is difficult to increase the temperature. As a result, the electrical component including the control device can be operated while reliably maintaining a good function.
さらにまた、燃料電池モジュールは、高温型燃料電池システム、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）モジュールであることが好ましく、これにより、良好な効果が得られる。 Furthermore, the fuel cell module is preferably a high-temperature fuel cell system, for example, a solid oxide fuel cell (SOFC) module, whereby a good effect can be obtained.
また、固体酸化物形燃料電池モジュールは、少なくとも固体電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される固体酸化物形燃料電池を設け、複数の前記固体酸化物形燃料電池が積層される固体酸化物形燃料電池スタックと、酸化剤ガスを前記固体酸化物形燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器とを備えることが好ましい。燃焼器が駆動されることにより発生する熱（数百℃）は、上昇してこの燃焼器の上方に配置されている燃料電池モジュールの周辺に確実に供給されている。従って、燃料電池モジュールは、燃焼器から上昇する熱によって短時間で良好に昇温され、燃料電池システムの起動性及び始動性が向上する。 Further, the solid oxide fuel cell module includes a solid oxide fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly configured by sandwiching at least a solid electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode and a separator are stacked, The solid oxide fuel cell stack in which the solid oxide fuel cells are stacked, a heat exchanger that heats an oxidant gas before supplying the solid oxide fuel cell stack, and a hydrocarbon as a main component In order to generate a mixed fuel of raw fuel and water vapor, it is preferable to include an evaporator that evaporates water and a reformer that reforms the mixed fuel to generate a reformed gas. Heat (several hundred degrees Celsius) generated by driving the combustor rises and is reliably supplied to the periphery of the fuel cell module disposed above the combustor. Therefore, the temperature of the fuel cell module is favorably raised in a short time by the heat rising from the combustor, and the startability and startability of the fuel cell system are improved.
さらに、燃料電池スタックの上方に、熱交換器、蒸発器及び改質器が配置されることが好ましい。燃焼器からの熱は、燃料電池スタックに集まり易くなり、前記燃料電池スタックの昇温時間を有効に短縮化して、起動性及び始動性の向上が図られる。 Furthermore, it is preferable that a heat exchanger, an evaporator, and a reformer are disposed above the fuel cell stack. The heat from the combustor is easily collected in the fuel cell stack, and the temperature rise time of the fuel cell stack is effectively shortened to improve the startability and startability.
本発明によれば、モジュール部において、燃料電池モジュールが燃焼器の上方に配置されているため、前記燃焼器からの熱は、上昇して前記燃料電池モジュールの周辺に確実に供給される。従って、燃料電池モジュールは、短時間で良好に昇温され、燃料電池システムの起動性及び始動性が向上する。 According to the present invention, since the fuel cell module is disposed above the combustor in the module section, the heat from the combustor rises and is reliably supplied to the periphery of the fuel cell module. Therefore, the temperature of the fuel cell module is increased well in a short time, and the startability and startability of the fuel cell system are improved.
さらに、筐体内は、燃料電池モジュール及び燃焼器が収容されるモジュール部と、燃料ガス供給装置、酸化剤ガス供給装置及び水供給装置が配置される流体供給部と、電力変換装置及び制御装置が配置される電装部とに分割されている。このため、筐体内は、作動温度毎及び機能毎に分割されており、熱や流体の拡散を最小化するとともに、機能上、最適な配置が遂行可能になる。 Further, in the casing, there are a module unit in which the fuel cell module and the combustor are accommodated, a fluid supply unit in which the fuel gas supply device, the oxidant gas supply device and the water supply device are arranged, a power conversion device and a control device. It is divided into electrical parts to be arranged. For this reason, the inside of the housing is divided for each operating temperature and for each function, so that the diffusion of heat and fluid is minimized, and an optimal arrangement for the function can be performed.
さらにまた、モジュール部と電装部との間には、流体供給部が介装されている。これにより、高温部であるモジュール部から低温部である電装部に熱が伝わることを阻止することができ、制御装置は、システム稼働中にモジュール部からの熱影響を受け難くなる。従って、制御装置を含む電装部は、良好に機能することが可能になる。 Furthermore, a fluid supply unit is interposed between the module unit and the electrical unit. Thereby, heat can be prevented from being transmitted from the module part which is the high temperature part to the electrical component part which is the low temperature part, and the control device is hardly affected by the heat from the module part during system operation. Therefore, the electrical component including the control device can function well.
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０の正面説明図であり、図３は、前記燃料電池システム１０の回路図である。
FIG. 1 is a schematic perspective view of a
燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池システム１０は、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール１２と、前記燃料電池モジュール１２を昇温させる燃焼器１４と、前記燃料電池モジュール１２に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置（燃料ガスポンプを含む）１６と、前記燃料電池モジュール１２に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（エアポンプを含む）１８と、前記燃料電池モジュール１２に水を供給する水供給装置（水ポンプを含む）２０と、前記燃料電池モジュール１２で発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置２２と、前記燃料電池モジュール１２の発電量を制御する制御装置２４とを備え、これらが単一の筐体２６に収容される。
The
燃料電池モジュール１２は、図示しないが、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される固体電解質（固体酸化物）をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体２８とセパレータ３０とが積層される固体酸化物形の燃料電池３２を設け、複数の前記燃料電池３２が鉛直方向に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック３４を備える（図４参照）。
Although not shown, the
図２に示すように、燃料電池スタック３４の積層方向上端側には、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック３４に供給する前に加熱する熱交換器３６と、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器３８と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器４０とが配設される。
As shown in FIG. 2, on the upper end side in the stacking direction of the
燃料電池スタック３４の積層方向下端側には、前記燃料電池スタック３４を構成する燃料電池３２に積層方向（矢印Ａ方向）に沿って締め付け荷重を付与するための荷重付与機構４２が配設される（図３参照）。
At the lower end side in the stacking direction of the
改質器４０は、都市ガス中に含まれるエタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ6）及びブタン（Ｃ4Ｈ10）等の高級炭化水素（Ｃ2+）を、主としてメタン（ＣＨ4）を含む原燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。
The
燃料電池３２は、作動温度が数百℃と高温であり、電解質・電極接合体２８では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素が得られ、この水素がアノード電極に供給される。
The
熱交換器３６は、燃料電池スタック３４から排出される使用済み反応ガス（以下、排ガス又は燃焼排ガスともいう）を流すための第１排ガス通路４４と、被加熱流体である空気を排ガスと対向流に流すための空気通路４６とを有する。第１排ガス通路４４は、蒸発器３８に水を蒸発させるための熱源として排ガスを供給するための第２排ガス通路４８に連通する。この第２排ガス通路４８は、排気管５０に連通する。空気通路４６の上流側は、空気供給管５２に連通するとともに、前記空気通路４６の下流側は、燃料電池スタック３４の酸化剤ガス供給連通孔５３に連通する。
The
蒸発器３８は、互いに同軸上に配設される外管部材５４ａと内管部材５４ｂとを備える２重管構造を採用し、この２重管は、第２排ガス通路４８内に配置される。外管部材５４ａと内管部材５４ｂとの間には、原燃料通路５６が形成されるとともに、前記内管部材５４ｂ内には、水通路５８が形成される。蒸発器３８の第２排ガス通路４８は、主排気管６０に連通する。
The
外管部材５４ａには、改質器４０の入口部に連結される混合燃料供給管６２が接続される。改質器４０の出口側には、改質ガス供給路６４の一端が連結されるとともに、前記改質ガス供給路６４の他端は、燃料電池スタック３４の燃料ガス供給連通孔６６に連通する。燃料電池モジュール１２及び燃焼器１４は、断熱材６８に囲繞される（図２参照）。
A mixed
図３に示すように、燃料ガス供給装置１６は、原燃料通路５６に接続されるとともに、前記原燃料通路５６の途上には、切換弁７０を介して原燃料分岐通路７２が設けられる。この原燃料分岐通路７２は、燃焼器１４に接続される。
As shown in FIG. 3, the fuel
酸化剤ガス供給装置１８は、空気供給管５２に接続されるとともに、前記空気供給管５２の途上に設けられた切換弁７４には、空気分岐通路７６が接続される。この空気分岐通路７６は、燃焼器１４に接続される。燃焼器１４は、例えば、バーナを備えており、上記のように、原燃料及び空気が供給される。なお、このバーナに代えて他の手段（電気ヒータ等）を用いることができ、その際、必要に応じて原燃料、空気、電力の供給を選択的に行うように構成すればよい。
The oxidant
水供給装置２０には、水通路５８が連通する。燃料ガス供給装置１６、酸化剤ガス供給装置１８及び水供給装置２０は、制御装置２４により制御されるとともに、前記制御装置２４には、燃料ガスを検知する検知器７８が電気的に接続される。電力変換装置２２には、例えば、商用電源８０（又は、負荷や２次電池等）が接続される。
A
図１及び図２に示すように、筐体２６は、全体として矩形状を有する外枠８２を有する。この外枠８２内には、筐体２６内を矢印Ｂ方向（水平方向）に分割するための第１縦仕切り板８４と第２縦仕切り板８６とが、それぞれ所定の間隔ずつ離間して設けられる。筐体２６内は、第１縦仕切り板８４及び第２縦仕切り板８６を介して、モジュール部８８、流体供給部９０及び電装部９２に分割されるとともに、前記モジュール部８８と前記電装部９２との間に、前記流体供給部９０が介装される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
モジュール部８８には、燃料電池モジュール１２及び燃焼器１４が収容されるとともに、前記燃料電池モジュール１２は、前記燃焼器１４の上方に配置される。なお、燃料電池モジュール１２及び燃焼器１４は、断熱材６８内に収容されている。電装部９２には、電力変換装置２２及び制御装置２４が配置される。
The
流体供給部９０は、横仕切り板９４を介して第１供給部９６と第２供給部９８とに、上下に２分割される。第１供給部９６には、燃料ガス供給装置１６及び検知器７８が収容されるとともに、前記検知器７８は、前記燃料ガス供給装置１６の上方に配置される。第２供給部９８には、酸化剤ガス供給装置１８及び水供給装置２０が配置されるとともに、前記水供給装置２０は、流体供給部９０の最下部に配置される。酸化剤ガス供給装置１８は、第２供給部９８内で載置台１００を介して保持される。
The
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
The operation of the
図３に示すように、燃料ガス供給装置１６の駆動作用下に、原燃料通路５６には、例えば、都市ガス（ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10を含む）等の原燃料が供給される。一方、水供給装置２０の駆動作用下に、水通路５８には、水が供給されるとともに、空気供給管５２には、酸化剤ガス供給装置１８を介して酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。
As shown in FIG. 3, under the driving action of the fuel
図４に示すように、蒸発器３８では、原燃料通路５６を流れる原燃料に水蒸気が混在されて混合燃料が得られ、この混合燃料は、混合燃料供給管６２を介して改質器４０の入口部に供給される。混合燃料は、改質器４０内で水蒸気改質され、Ｃ2+の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガス（燃料ガス）が得られる。この改質ガスは、改質器４０の出口部に連通する改質ガス供給路６４を通って燃料電池スタック３４の燃料ガス供給連通孔６６に供給され、前記改質ガス中のメタンが改質されて水素ガスが得られ、この水素ガスを主成分とする燃料ガスは、アノード電極（図示せず）に供給される。
As shown in FIG. 4, in the
一方、空気供給管５２から熱交換器３６に供給される空気は、この熱交換器３６の空気通路４６に沿って移動する際、第１排ガス通路４４に沿って移動する後述する排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器３６で加温された空気は、燃料電池スタック３４の酸化剤ガス供給連通孔５３に供給され、図示しないカソード電極に供給される。
On the other hand, when the air supplied from the
従って、電解質・電極接合体２８では、燃料ガスと空気との電気化学反応により発電が行われる。各電解質・電極接合体２８の外周部に排出される高温（数百℃）の排ガスは、熱交換器３６の第１排ガス通路４４を通って空気と熱交換を行い、この空気を所望の温度に加温して温度低下が惹起される。
Therefore, in the electrolyte /
この排ガスは、第２排ガス通路４８に沿って移動することにより、水通路５８を通過する水を蒸発させる。蒸発器３８を通過した排ガスは、主排気管６０を介して外部に排出される。
The exhaust gas moves along the second exhaust gas passage 48 to evaporate water passing through the
この場合、本実施形態では、図１及び図２に示すように、筐体２６内に水平方向に分割形成されているモジュール部８８には、燃料電池モジュール１２と燃焼器１４とが配置されるとともに、前記燃料電池モジュール１２は、前記燃焼器１４の上方に配置されている。このため、燃焼器１４が駆動されることにより発生する熱（数百℃）は、上昇してこの燃焼器１４の上方に配置されている燃料電池モジュール１２の周辺に確実に供給されている。従って、燃料電池モジュール１２は、燃焼器１４から上昇する熱によって短時間で良好に昇温され、燃料電池システム１０の起動性及び始動性が向上するという効果が得られる。
In this case, in the present embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, the
さらに、本実施形態では、筐体２６の内部は、第１縦仕切り板８４及び第２縦仕切り板８６を介してモジュール部８８、流体供給部９０及び電装部９２に分割されている。そして、モジュール部８８には、燃料電池モジュール１２及び燃焼器１４が配置され、流体供給部９０には、検知器７８、燃料ガス供給装置１６、酸化剤ガス供給装置１８及び水供給装置２０が配置され、電装部９２には、電力変換装置２２及び制御装置２４が配置されている。
Furthermore, in the present embodiment, the inside of the
このため、筐体２６内は、作動温度毎及び機能毎にモジュール部８８、流体供給部９０及び電装部９２に分割されており、熱や流体の拡散を最小化し得るとともに、機能上、良好に配置することが可能になる。
For this reason, the inside of the
その際、高温部（数百℃）となるモジュール部８８と低温部（４０℃前後）に維持する必要がある電装部９２との間には、流体供給部９０が配置されている。従って、特に、電装部９２に配置されて燃料電池システム１０の発電量を制御する制御装置２４は、前記燃料電池システム１０の稼働中に高温部であるモジュール部８８からの熱影響を受け難くなり、前記制御装置２４が高温化することを抑制することができる。しかも、電装部９２は、筐体２６の最外部に配置されており、前記電装部９２の冷却が促進されて高温化し難くなっている。
In that case, the
これにより、制御装置２４を含む電装部９２は、良好な機能を確実に維持して作動することが可能になるという利点がある。なお、高温部であるモジュール部８８において、例えば、燃料電池モジュール１２及び燃焼器１４を囲繞して断熱する断熱材６８を相当に肉厚に構成することにより、外部への熱影響を抑制することも考えられる。
Thereby, the
さらにまた、本実施形態では、水供給装置２０が流体供給部９０の最下部に配置されている。従って、水供給装置２０に、例えば、水漏れが発生しても、燃料ガス供給装置１６及び酸化剤ガス供給装置１８が被水することを阻止することが可能になる。
Furthermore, in this embodiment, the
さらに、流体供給部９０では、検知器７８がこの流体供給部９０の最上部に配置されている。このため、燃料ガス供給装置１６から燃料ガスの漏れが発生しても、検知器７８を介してガス漏れを迅速且つ確実に検出することが可能になる。
Further, in the
また、流体供給部９０では、酸化剤ガス供給装置１８の上方に燃料ガス供給装置１６が配置されている。酸化剤ガス供給装置１８は、エアポンプを備える一方、燃料ガス供給装置１６は、燃料ガスポンプを備えている。特に、Ａ／Ｆの値が大きい燃料電池システム１０においては、エアポンプは、燃料ガスポンプに比べて体積が大きく、且つ、重量物となっている。従って、酸化剤ガス供給装置１８を燃料ガス供給装置１６の下方に配置することにより、設置安定性の向上を図ることができる。しかも、燃料ガス供給装置１６から燃料ガスの漏れが発生しても、この燃料ガスを酸化剤ガス供給装置１８により吸入することを回避することが可能になる。
In the
ここで、流体供給部９０は、横仕切り板９４を介して検知器７８及び燃料ガス供給装置１６が配置される第１供給部９６と、酸化剤ガス供給装置１８及び水供給装置２０が配置される第２供給部９８とに分割されている。これにより、特に、燃料ガス供給装置１６から燃料ガスの漏れが発生しても、この燃料ガスを酸化剤ガス供給装置１８が吸入することを確実に阻止することができる。
Here, the
さらにまた、燃料電池モジュール１２では、高温型燃料電池システム、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）モジュールにより構成されることにより、良好な効果が得られるが、固体酸化物形燃料電池モジュールに代えて、他の高温型燃料電池モジュールや中温型燃料電池モジュールにも好適に用いることができる。例えば、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）及び水素分離膜形燃料電池（ＨＭＦＣ）等が良好に採用可能である。
Furthermore, the
また、本実施形態では、燃料電池スタック３４の上部側に、熱交換器３６、蒸発器３８及び改質器４０が配置される一方、前記燃料電池スタック３４の下部に、燃焼器１４が配置されている。このため、燃焼器１４からの熱は、燃料電池スタック３４に集まり易くなり、前記燃料電池スタック３４の昇温時間を有効に短縮化して、起動性及び始動性の向上が図られる。
In the present embodiment, the
１０…燃料電池システム １２…燃料電池モジュール
１４…燃焼器 １６…燃料ガス供給装置
１８…酸化剤ガス供給装置 ２０…水供給装置
２２…電力変換装置 ２４…制御装置
２６…筐体 ２８…電解質・電極接合体
３０…セパレータ ３２…燃料電池
３４…燃料電池スタック ３６…熱交換器
３８…蒸発器 ４０…改質器
７８…検知器 ８０…商用電源
８２…外枠 ８４、８６…縦仕切り板
８８…モジュール部 ９０…流体供給部
９２…電装部 ９４…横仕切り板
９６、９８…供給部
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記燃料電池モジュールを昇温させる燃焼器と、
前記燃料電池モジュールに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
前記燃料電池モジュールに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池モジュールに水を供給する水供給装置と、
前記燃料電池モジュールで発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置と、
前記燃料電池モジュールの発電量を制御する制御装置と、
を筐体に収容する燃料電池システムであって、
前記筐体は、前記燃料電池モジュール及び前記燃焼器が収容され、且つ前記燃料電池モジュールが前記燃焼器の上方に配置されるモジュール部と、
前記燃料ガス供給装置、前記酸化剤ガス供給装置及び前記水供給装置が配置される流体供給部と、
前記電力変換装置及び前記制御装置が配置される電装部と、
に分割されるとともに、
前記モジュール部と前記電装部との間に前記流体供給部が介装されることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell module that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas;
A combustor for heating the fuel cell module;
A fuel gas supply device for supplying the fuel gas to the fuel cell module;
An oxidant gas supply device for supplying the oxidant gas to the fuel cell module;
A water supply device for supplying water to the fuel cell module;
A power converter for converting direct current power generated in the fuel cell module into required specification power;
A control device for controlling the power generation amount of the fuel cell module;
A fuel cell system for housing
The housing includes a module unit in which the fuel cell module and the combustor are accommodated, and the fuel cell module is disposed above the combustor;
A fluid supply unit in which the fuel gas supply device, the oxidant gas supply device, and the water supply device are disposed;
An electrical component in which the power conversion device and the control device are disposed;
Is divided into
The fuel cell system, wherein the fluid supply unit is interposed between the module unit and the electrical unit.
前記検知器は、前記流体供給部の最上部に配置されること特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the fluid supply unit includes a detector that detects the fuel gas.
The fuel cell system according to claim 1, wherein the detector is disposed at an uppermost part of the fluid supply unit.
前記酸化剤ガス供給装置及び前記水供給装置が配置される第２供給部と、
に分割されること特徴とする燃料電池システム。 5. The fuel cell system according to claim 3, wherein the fluid supply unit includes a first supply unit in which the detector and the fuel gas supply device are disposed.
A second supply unit in which the oxidant gas supply device and the water supply device are disposed;
A fuel cell system that is divided into two parts.
酸化剤ガスを前記固体酸化物形燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、
炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器と、
前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 8. The fuel cell system according to claim 7, wherein the solid oxide fuel cell module comprises a solid oxide in which at least a solid electrolyte is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode and a separator is laminated. A solid oxide fuel cell stack in which a solid fuel cell is provided and a plurality of the solid oxide fuel cells are stacked;
A heat exchanger that heats oxidant gas before supplying it to the solid oxide fuel cell stack;
An evaporator for evaporating water in order to produce a mixed fuel of raw fuel mainly composed of hydrocarbon and water vapor;
A reformer for reforming the mixed fuel to generate a reformed gas;
A fuel cell system comprising:
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