JP2011070782A - 燃料電池と燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】起動時や運転時において、セルユニットの平面内における温度分布の均一化を図ることができる燃料電池と燃料電池システムを提供する。
【解決手段】固体電解質型セルを有するセルユニットD1に加熱ガスを流接させることにより、そのセルユニットD1を昇温させるようにした燃料電池10において、上記加熱ガスの流接に伴い、セルユニットD1に生じる温度差を緩和するための温度差緩和用ガスを、そのセルユニットD1に送給流接するための温度差緩和用ガス送給部F1を設けている。
【選択図】図2
【解決手段】固体電解質型セルを有するセルユニットD1に加熱ガスを流接させることにより、そのセルユニットD1を昇温させるようにした燃料電池10において、上記加熱ガスの流接に伴い、セルユニットD1に生じる温度差を緩和するための温度差緩和用ガスを、そのセルユニットD1に送給流接するための温度差緩和用ガス送給部F1を設けている。
【選択図】図2
Description
本発明は、固体電解質型セルを用いた複数のセルユニットを有する燃料電池と燃料電池システムに関するものである。
従来、この種の燃料電池として、燃料電池スタック構造体とした名称において特許文献1に開示された構成のものがある。
特許文献1に開示された燃料電池スタック構造体は、金属薄板より成る円盤状のセパレータで囲まれた空間内に収容されて、一方の面を外部に露出させた単セルを備えるとともに中心部分に位置して発電用ガスを導入するガス流路を具備した固体電解質型燃料電池を複数積層して成り、その固体電解質型燃料電池の熱容量の大きい中心部分に、温度調節専用の加熱ガス又は冷却ガスを流す温度調節用ガス流路を設けたものである。
特許文献1に開示された燃料電池スタック構造体は、金属薄板より成る円盤状のセパレータで囲まれた空間内に収容されて、一方の面を外部に露出させた単セルを備えるとともに中心部分に位置して発電用ガスを導入するガス流路を具備した固体電解質型燃料電池を複数積層して成り、その固体電解質型燃料電池の熱容量の大きい中心部分に、温度調節専用の加熱ガス又は冷却ガスを流す温度調節用ガス流路を設けたものである。
上記の構成により、熱容量の大きい部分と小さい部分との温度差を少なくして応力集中が生じるのを抑制し、昇降温時における耐久性の向上を実現させている。
しかしながら、上記特許文献1に記載の発明では、所期の効果を得ることができるものの、起動時や運転時において、特に急速起動を行う場合や、急激に発電出力を変化させる負荷変動運転時の場合は、セルユニットの平面内における温度分布の所期の均一化を一層向上させることが必要となる。
そこで本発明は、起動時や運転時において、セルユニットの平面内におけるさらなる温度分布の均一化を図ることができる燃料電池と燃料電池システムの提供を目的としている。
上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池は、固体電解質型セルを有するセルユニットに加熱ガスを流接させることによって、そのセルユニットを昇温させるようにしたものであり、上記加熱ガスの流接に伴い、セルユニットに生じる温度差を緩和するための温度差緩和用ガスを、そのセルユニットに送給流接するための温度差緩和用ガス送給部を設けたことを特徴としている。
上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池システムは、上記した燃料電池を用いたものであり、温度差緩和用ガス送給部を介して、温度差緩和用ガスをセルユニットに送給流接させるガス送給手段を設けたことを特徴としている。
本発明によれば、起動時や運転時において、セルユニットの平面内におけるさらなる温度分布の均一化を図ることができる。これにより、起動時間のさらなる短縮を図ることができるとともに、負荷変動運転の応答性を向上させることができる。
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図1(A)は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図、(B)は、(A)に包囲線Iで示す部分の概略構造を示す部分拡大図である。また、図2(A)は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池システムの一部をなす燃料電池の概略斜視図、(B)は、その燃料電池の平面図である。なお、図2(A),(B)において示す矢印は、温度差緩和用ガスの流動方向を示している。
本発明の第一の実施形態に係る燃料電池システムA1は、図1に示すように、空気ブロワ1、アノードオフガス循環ブロワ2、空気供給装置3、燃料ポンプ4、流路切替え部9、温度センサS1〜S3を配設した燃料電池10、起動用燃焼器30、プレ改質器40、プレ改質器加熱用熱交換器45、燃料蒸発器50、カソード空気予熱用熱交換器55、アフターバーナ60及び制御部Bを有して構成されている。
なお、図においてはプレ改質器加熱用熱交換器45を、単に「熱交換器45」と記している。
なお、図においてはプレ改質器加熱用熱交換器45を、単に「熱交換器45」と記している。
空気供給装置3は、新規の酸素含有ガス(以下、「空気」という。)を起動用燃焼器30に送給するためのものであり、コンプレッサやブロワー等を有して構成されている。
この空気供給装置3と起動用燃焼器30の受入側との間には、送給パイプ3aが配設されている。
なお、図1において実線で示されている各種のパイプ類は、燃料電池10の起動時において空気や燃料が流通することを示し、また、点線で示すパイプ類はそれら空気や燃料が流通していないことを示している。
この空気供給装置3と起動用燃焼器30の受入側との間には、送給パイプ3aが配設されている。
なお、図1において実線で示されている各種のパイプ類は、燃料電池10の起動時において空気や燃料が流通することを示し、また、点線で示すパイプ類はそれら空気や燃料が流通していないことを示している。
燃料ポンプ4は、炭化水素燃料(以下、「燃料」という。)を起動用燃焼器30に加圧送給するためのものであり、その燃料ポンプ4と起動用燃焼器30の受入側との間には送給パイプ4aが配設されている。
また、送給パイプ3aには空気供給弁5が、また、送給パイプ4aには燃料噴射弁6とともに、調圧用レギュレータ(図示しない)がそれぞれ配設されている。
また、送給パイプ3aには空気供給弁5が、また、送給パイプ4aには燃料噴射弁6とともに、調圧用レギュレータ(図示しない)がそれぞれ配設されている。
起動用燃焼器30は、燃料電池10の起動時において、その燃料電池10を加熱昇温させるための加熱ガスを生成するためのものであり、燃料に着火するための点火プラグあるいはグロープラグ等からなる点火装置(図示しない)が設けられている。なお、本実施形態において示す起動用燃焼器30は、空燃比を任意に設定する機能を有している。
起動用燃焼器30の送出側と流路切替え部9との間には、送給パイプ30aが配設されている。
流路切替え部9は、図1(B)に示すように、送給パイプ30a、下記の送給パイプ55a、その流路切替え部9から燃料電池10のケース14との間に配設した送給パイプ9a、この送給パイプ9aと後述する一例に係る流路形成体EAとの間に配設した分岐パイプ9bに、切替え弁7,8を配設した構成のものである。
流路切替え部9は、図1(B)に示すように、送給パイプ30a、下記の送給パイプ55a、その流路切替え部9から燃料電池10のケース14との間に配設した送給パイプ9a、この送給パイプ9aと後述する一例に係る流路形成体EAとの間に配設した分岐パイプ9bに、切替え弁7,8を配設した構成のものである。
切替え弁7は、送給パイプ30aと送給パイプ55aとを切り替えることにより、起動用燃料器30から送給される加熱ガスと、カソード空気予熱用熱交換器55から送給される新規の空気とを択一的に切り替えるものである。
また、切替え弁8は、送給パイプ9aを流通する過熱ガス又は空気を分岐パイプ9bに分流/停止を行うように切り替えられるようになっている。
すなわち、燃料電池10の起動時においては、その燃料電池10のカソード11に向かう加熱ガスの一部を、温度差緩和用ガスとして後述する流路形成体EAに向けて分流させるように切り替えられる。
すなわち、燃料電池10の起動時においては、その燃料電池10のカソード11に向かう加熱ガスの一部を、温度差緩和用ガスとして後述する流路形成体EAに向けて分流させるように切り替えられる。
換言すると、本燃料電池システムA1の起動時には、起動燃焼器30によって生成した加熱ガスをケース14と、流路形成体EAの双方からセルスタック13に送給するようになっている。
空気ブロワ1は、カソード空気予熱用熱交換器55を介して燃料電池10のケース14に新規の空気を送給するためのものであり、後述する制御部Bの出力側に接続されて、回転数を増減制御されるようになっている。
この空気ブロワ1とカソード空気予熱用熱交換器55との間には、送給パイプ1aが配設されており、その空気ブロワ1から送給される新規の空気を、カソード空気予熱用熱交換器55に送給するようになっている。
この空気ブロワ1とカソード空気予熱用熱交換器55との間には、送給パイプ1aが配設されており、その空気ブロワ1から送給される新規の空気を、カソード空気予熱用熱交換器55に送給するようになっている。
カソード空気予熱用熱交換器55は、空気ブロワ1から送給される新規の空気を加熱するものであり、そのカソード空気予熱用熱交換器55とプレ改質器加熱用熱交換器45との間に送給パイプ45aが、また、燃料電池10のケース14との間に送給パイプ55aがそれぞれ配設されている。
これにより、プレ改質器加熱用熱交換器45から排出された高温ガスと新規の空気との熱交換を行わせることにより新規の空気を加熱して、ケース14に送給できるようにしている。
これにより、プレ改質器加熱用熱交換器45から排出された高温ガスと新規の空気との熱交換を行わせることにより新規の空気を加熱して、ケース14に送給できるようにしている。
プレ改質器加熱用熱交換器45は、プレ改質器40との間において熱交換を行えるように配設されており、これの出力側とカソード空気予熱用熱交換器55の間に送給パイプ45aが連結されている。
また、上記送給パイプ45aとアフターバーナ60の出力側との間には送給パイプ60aが配設されている。
また、上記送給パイプ45aとアフターバーナ60の出力側との間には送給パイプ60aが配設されている。
アフターバーナ60は、新規の燃料と空気又はカソードオフガスとアノードオフをそれぞれ混合燃焼することによって、加熱ガスを生成する機能を有するものであり、このアフターバーナ60の入力側には、これに燃料を送給するための送給パイプ60cと、新規の空気を送給するための送給パイプ60dとが連結されている。
送給パイプ60cと送給パイプ60dには、切替え弁60e,60fが配設されており、それらのうちの切替え弁60eには下記の送給パイプ2cが連結され、また、切替え弁60fには送給パイプ11cが連結されている。
上記の切替え弁60e,60fにより、新規の燃料と空気又はカソードオフガスとアノードオフをアフターバーナ60に送給できるようにしている。
すなわち、アフターバーナ60は、それら送給パイプ60c,60dを通じて送給される燃料と新規の空気又はカソードオフガス(「排カソードガス」ともいう)とアノードオフガス(「排アノードガス」ともいう)を混合燃焼させて、高温の燃焼ガスを生成するものである。
すなわち、アフターバーナ60は、それら送給パイプ60c,60dを通じて送給される燃料と新規の空気又はカソードオフガス(「排カソードガス」ともいう)とアノードオフガス(「排アノードガス」ともいう)を混合燃焼させて、高温の燃焼ガスを生成するものである。
プレ改質器40は、アノード12に送給する燃料ガスを改質する機能を有するものであり、このプレ改質器40の入力側には上記した送給パイプ60bとともに、改質用の新規の空気を送給するための送給パイプ40bが配設されている。
また、このプレ改質器40の出力側とアノード12との間には送給パイプ40aが配設されている。すなわち、改質した燃料ガスをアノード12に送給できるようにしている。
また、このプレ改質器40の出力側とアノード12との間には送給パイプ40aが配設されている。すなわち、改質した燃料ガスをアノード12に送給できるようにしている。
アノードオフガス循環ブロワ2は、燃料電池10のアノード12から排出された排アノードガスをプレ改質器40及び系外に向けて送給排出するためのものであり、アノード12とアノードオフガス循環ブロワ2との間に排出パイプ12aが連結されている。
アノードオフガス循環ブロワ2の送出側には、排アノードガスを系外に導出するための導出パイプ2aが配設されているとともに、その導出パイプ2aと、燃料蒸発器50とプレ改質器40との間に配設された送給パイプ50aとの間に分岐パイプ2bが配設されている。
アノードオフガス循環ブロワ2の送出側には、排アノードガスを系外に導出するための導出パイプ2aが配設されているとともに、その導出パイプ2aと、燃料蒸発器50とプレ改質器40との間に配設された送給パイプ50aとの間に分岐パイプ2bが配設されている。
ケース14のガス排出部14eには、そのケース14から排出される排ガスを系外に導出するための導出パイプ11aが配設されているとともに、その導出パイプ11aと燃料蒸発器50の熱交換部(図示していない)との間には分岐パイプ11bが連結されている。
燃料蒸発器50は、新規に送給された燃料をガス化して予熱する機能を有するものであり、本実施形態においては、分岐パイプ11bを通じてケース14から排出された排ガスである高温ガスから熱交換してガス化する熱交換構造を具備している。
なお、導出パイプ2aと送給パイプ60cとの間、導出パイプ11aと送給パイプ60dとの間にも分岐パイプ2c,11cが連結されて、それぞれの排ガスを送給できるようにしている。
なお、導出パイプ2aと送給パイプ60cとの間、導出パイプ11aと送給パイプ60dとの間にも分岐パイプ2c,11cが連結されて、それぞれの排ガスを送給できるようにしている。
本実施形態において示す燃料電池10は、図2(A),(B)に示すように、セルスタック13をケース14に収容しているとともに、そのケース14内に詳細を後述する一対のガス誘導部材15,15を配設した構成になっている。
なお、図1に示すセルスタック13は、多数積層したセルユニットD1…のうちの、一つのもののみを示すことにより簡略化して示している。
なお、図1に示すセルスタック13は、多数積層したセルユニットD1…のうちの、一つのもののみを示すことにより簡略化して示している。
ケース14は、互いに所要の間隔にした上壁14aと底壁14bの全周にわたり周壁14cを囲繞形成した気密性を有する円筒形に形成されている。
周壁14cには、軸線Oを通る直径線O1上であって、詳細を後述する流路形成体EAを挟む両側位置に、上記した起動用燃焼器30から送給される加熱ガスを導入するための起動用ガス導入部14dと、ケース14内に導入された加熱ガスを排出するためのガス排出部14eが配設されている。
すなわち、加熱ガスは、流路形成体EAを挟む一方の側から他方の側に流通するようになっている。
周壁14cには、軸線Oを通る直径線O1上であって、詳細を後述する流路形成体EAを挟む両側位置に、上記した起動用燃焼器30から送給される加熱ガスを導入するための起動用ガス導入部14dと、ケース14内に導入された加熱ガスを排出するためのガス排出部14eが配設されている。
すなわち、加熱ガスは、流路形成体EAを挟む一方の側から他方の側に流通するようになっている。
上記したケース14は例えばフェライト系SUSで形成されており、底壁14b,上壁14a及び周壁14cの各外面を断熱材(図示しない)で被覆している。
起動用ガス導入部14dは、周壁14cに形成した側面視方形の導入側開口を囲繞する四角筒形に形成されている。
ガス排出部14eは、周壁14cに形成した方形の排出側開口の側縁に一致させ、かつ、上底壁14a,14b間にわたる高さにした一対の仕切り板14f,14fにより区画形成されている。
また、仕切り板14f,14fの両側の周壁42cには、空気を導入するための空気導入口14g,14gが形成されている。
ガス排出部14eは、周壁14cに形成した方形の排出側開口の側縁に一致させ、かつ、上底壁14a,14b間にわたる高さにした一対の仕切り板14f,14fにより区画形成されている。
また、仕切り板14f,14fの両側の周壁42cには、空気を導入するための空気導入口14g,14gが形成されている。
ガス誘導部材15,15は、一対の仕切り板14f,14fの内縁に、厚さ0.1(mm)程度のセラミックスシート等の熱的な絶縁材(図示しない)を介して基端部を密着固定し、かつ、その基端部から先端部にかけてセルスタック13の外周面に沿って曲成されている。
これにより、運転モードにおいて、空気導入口14g,14gからケース14内に導入した空気を、周壁14c内面に沿って周回させた後、セルスタック13の間隙tを通じてガス排出部14eに誘導排出するようにしている。
これにより、運転モードにおいて、空気導入口14g,14gからケース14内に導入した空気を、周壁14c内面に沿って周回させた後、セルスタック13の間隙tを通じてガス排出部14eに誘導排出するようにしている。
具体的には、セルスタック13の外周面のそれぞれ約2/3を覆う長さにした横長方形の板材を、当該外周面に沿う一円周をなすように曲成したものである。このようなガス誘導部材15,15は、例えば0.1(mm)ほどの肉厚にしたフェライト系SUSにより形成することができる。
すなわち、起動用ガス導入部14dに対向する位置には、ガス誘導部材15,15の開放端により区画形成された開口域が区画形成され、ケース14内に導入された空気をセルスタック13内に誘うようにしている。
換言すると、ガス誘導部材15,15は、平面視において直径線O1を中心とした線対称に曲成されており、ガス誘導部材15,15とケース14の周壁14c内面との間に、空気を流通させるための予熱流路α,α(図2(B)に示す)が区画形成されている。
換言すると、ガス誘導部材15,15は、平面視において直径線O1を中心とした線対称に曲成されており、ガス誘導部材15,15とケース14の周壁14c内面との間に、空気を流通させるための予熱流路α,α(図2(B)に示す)が区画形成されている。
なお、ガス誘導部材15,15としては、上記したフェライト系SUSの他、良伝導伝熱性を有しかつ耐熱性を有するとともに耐酸化性又は耐還元性を有する材料を使用することができる。
例えばFe‐Cr含有ステンレス、Crofer22APU、Ni系のステンレス、インコネル(登録商標)等を採用することができるが、セルユニット積層体と接触させる場合は、接触面にセラミックスペーパを挟持したり、絶縁皮膜を形成するなど絶縁材で形成すればよいものである。
例えばFe‐Cr含有ステンレス、Crofer22APU、Ni系のステンレス、インコネル(登録商標)等を採用することができるが、セルユニット積層体と接触させる場合は、接触面にセラミックスペーパを挟持したり、絶縁皮膜を形成するなど絶縁材で形成すればよいものである。
ガス誘導部材15,15とセルスタック13との間には、それらを電気的絶縁性を有しかつ熱伝導性を有する絶縁層(図示しない)が介設されている。
絶縁層は、ガラスコート,ガラスウール,セラミックシートにより形成され若しくはセルスタック13とガス誘導部材15,15とユニット外集電体20との間に充填することにより形成されている。
絶縁層は、ガラスコート,ガラスウール,セラミックシートにより形成され若しくはセルスタック13とガス誘導部材15,15とユニット外集電体20との間に充填することにより形成されている。
図3(A)は、図2(B)に示す断面II‐IIに沿うセルユニットの拡大断面図、(B)は、そのセルユニットに設けた流路形成体の拡大平面図、図4は、図2(B)に示す断面III‐IIIに沿うセルユニットの拡大断面図である。また、図5は、セルスタックをなす一例に係るセルユニットの分解斜視図である。
上記したセルスタック13は、固体電解質型セル16を用いた一例に係るセルユニットD1を互いに所要の間隙t(図3(A)参照)をもって複数積層してなるものである。
セルユニットD1は、図3(A)に示すように、固体電解質型セル16の上側にユニット内集電体17とセパレータ18を、下側にセル板19とユニット外集電体20とを軸線Oを中心とした同軸的に整列積層させた円盤形のものであり、また、その軸線Oに一致して詳細を後述する流路形成体EAが配設されている。
セルユニットD1は、図3(A)に示すように、固体電解質型セル16の上側にユニット内集電体17とセパレータ18を、下側にセル板19とユニット外集電体20とを軸線Oを中心とした同軸的に整列積層させた円盤形のものであり、また、その軸線Oに一致して詳細を後述する流路形成体EAが配設されている。
なお、密封部材21は、セル板19とセパレータ18の外周を密封するためのものであり、これにより、内部に燃料ガスの流路となる空隙uが区画形成されている。
すなわち、当接させた密封部材21とセル板19及び密封部材21とセパレータ18とは、全周にわたり気密的(ガス密的)にレーザ溶接等により接合されてセルユニットD1を構成している。
すなわち、当接させた密封部材21とセル板19及び密封部材21とセパレータ18とは、全周にわたり気密的(ガス密的)にレーザ溶接等により接合されてセルユニットD1を構成している。
固体電解質型セル16は、中心に円形開口16aを形成した円盤形のものであり、アノード12に電解質及びカソード11を印刷・焼成法により成膜した燃料極支持型のものである。
電解質としては、例えば8モルパーセントイットリア安定化ジルコニアを使用しているが、ペロブスカイト型酸化物系、リン酸塩系やホウ酸塩系等の固体酸を採用することもできる。
また、アノード12としては、ニッケル+イットリア安定化ジルコニアのサーメット、また、カソード11としてはランタンストロンチュウムマンガナイトを使用することができる。
電解質としては、例えば8モルパーセントイットリア安定化ジルコニアを使用しているが、ペロブスカイト型酸化物系、リン酸塩系やホウ酸塩系等の固体酸を採用することもできる。
また、アノード12としては、ニッケル+イットリア安定化ジルコニアのサーメット、また、カソード11としてはランタンストロンチュウムマンガナイトを使用することができる。
セパレータ18は、詳細を後述する流路部品E2を中央部に一体に形成した円板形のものである。
セル板19は、SUS430のリング形状圧延板からなり、リング内周側で円盤形セルの外周部と接合されている。
セル板19は、SUS430のリング形状圧延板からなり、リング内周側で円盤形セルの外周部と接合されている。
ユニット内集電体17は上記した空隙u内に配置されており、それは、インコネル(登録商標)製の金属メッシュを円環形に成形したものであり、これの周縁部をセル板19及びセパレータ18にレーザ溶接等により接合している。
本実施形態において示す流路形成体EAは、燃料ガスをセルユニットD1内に送給するとともに、加熱ガスの流接に伴ってセルユニットD1に生じる温度差を緩和するための温度差緩和用ガスを、そのセルユニットD1に送給流接させるための温度差緩和用ガス送給部F1を形成したものである。
すなわち、本実施形態において示す流路形成体EAは、SUS430等により形成された六つの流路部品E1〜E6を互いに積層させて接着した構成になっている。
流路部品E1は円板形のものであり、これの中心には、ボルト挿入孔90(図3,5参照)が形成されているとともに、軸心Oを挟む図示前後両側に、後述する温度差緩和用ガスを流通させるための流通路の一部をなす流通孔91,91が平面視において長方形にして形成されている。
また、軸心Oを中心とする90度の角度間隔で四つのアノードガス流入孔92…が形成されているとともに、それらアノードガス流入孔92…と45度の角度差をつけ、かつ、同じ90度の角度間隔で四つのアノードガス流出孔93…が形成されている。
流路部品E2は、セパレータ18の中央部に一体に形成されており、そのセパレータ18の中央部にボルト挿入孔90、温度差緩和用ガスを流通させるための流通路の一部をなす流通孔91,91、アノードガス流入孔92及びアノードガス流出孔93を配設したものである。
なお、流通孔91,91、アノードガス流入孔92及びアノードガス流出孔93は、上記した流路部品E1の流通孔91,91等と互いに積層したときにそれぞれ一連の流通路をなすように配設されている。
なお、流通孔91,91、アノードガス流入孔92及びアノードガス流出孔93は、上記した流路部品E1の流通孔91,91等と互いに積層したときにそれぞれ一連の流通路をなすように配設されている。
流路部品E3は、ユニット内流路厚さを確保するとともに、セル部へアノードガスを流入あるいは流出させる機能を有するものである。
この流路部品E3には、上記したものと同等のボルト挿入孔90、温度差緩和用ガスを流通させるための流通路の一部をなす流通孔91,91、アノードガス流入孔92及びアノードガス流出孔93が配設されており、それらは、上記した流路部品E1,E2に形成したものとそれぞれ一連の流通路をなすように配設されている。
この流路部品E3には、上記したものと同等のボルト挿入孔90、温度差緩和用ガスを流通させるための流通路の一部をなす流通孔91,91、アノードガス流入孔92及びアノードガス流出孔93が配設されており、それらは、上記した流路部品E1,E2に形成したものとそれぞれ一連の流通路をなすように配設されている。
流路部品E3には、さらに、アノードガス流入孔92…、アノードガス流出孔93…にそれぞれ連通し、かつ、周面に開口した流出入路101,101(図4等参照)が形成されており、それらの流出入路101,101を通じてアノードガスをセルユニットD1内に流出入させられるようにしている。
なお、上記した流路部品E3は、ユニット内流路の厚みを確保できればよく、円盤形セルの寸法が不均一となりやすいため、その外径はセルから離れた外径とすることが好ましい。
なお、上記した流路部品E3は、ユニット内流路の厚みを確保できればよく、円盤形セルの寸法が不均一となりやすいため、その外径はセルから離れた外径とすることが好ましい。
流路部品E4は、固体電解質型セル16と同じ厚みにした円板形のものであり、これには、上記したものと同等のボルト挿入孔90、温度差緩和用ガスを流通させるための流通路の一部をなす流通孔91,91、アノードガス流入孔92及びアノードガス流出孔93が配設されており、それらは、上記した流路部品E1〜E3に形成したものと一連の流通路をなすように配設されている。
なお、ボルト挿入孔90、アノードガス流入孔92及びアノードガス流出孔93等の一部のものは図示していない。
なお、ボルト挿入孔90、アノードガス流入孔92及びアノードガス流出孔93等の一部のものは図示していない。
流路部品E5は、所要の板厚にした円板形のものであり、これには、上記したものと同等のボルト挿入孔90、温度差緩和用ガスを流通させるための流通路の一部をなす流通孔91,91、アノードガス流入孔92及びアノードガス流出孔93が配設されており、それらは、上記した流路部品E1〜E4に形成したものとそれぞれ一連の流通路をなすように配設されている。
なお、上記の流路部品E5はその外周部で円盤形セルの内周部と接合されることとなり、セル板19と同じ機能を果たすこととなる。よって、流路部品E5の板厚は、セパレータが電解質と接合する面と高さが合う厚みにしている。
なお、上記の流路部品E5はその外周部で円盤形セルの内周部と接合されることとなり、セル板19と同じ機能を果たすこととなる。よって、流路部品E5の板厚は、セパレータが電解質と接合する面と高さが合う厚みにしている。
流路部品E6は、流路部品E1とほぼ同じ外径にしかつ所要の板厚にした円板形のものであり、これには、上記したものと同等のボルト挿入孔90、温度差緩和用ガスを流通させるための流通路の一部をなす流通孔91,91、アノードガス流入孔92及びアノードガス流出孔93が配設されており、それらは、上記した流路部品E1〜E5に形成したものとそれぞれ一連の流通路をなすように配設されている。
また、図3(B)に示すように、下面には、流通孔91,91に内端部を連通し、かつ、ガス噴出用開口を周面に臨ませた断面コ字形のガス送出用溝100,100一方は図示していない)が直径線O2に一致して形成されている。
上記した各流路部品E1〜E6を、セパレータ18とセル板19との間に挟持して互いに積層させることにより、一連の流通路β,β、アノードガス流入路γ…及びアノードガス流出路δ…を連設した流路形成体EAが形成される。
組み立て工順の一例を示すと次の通りである。
(1) 流路部品E1とセパレータ18とは、ロウ付け、溶接、拡散接合などで予め接合する。
(2) 同様に流路部品E3,E4を予め接合したセル板内周側の流路部品E5と、セル 板19とをセルに接合(ロウ材やガラス接合材、セラミックス接合材を用いて接合することができる。)する。
(3) セパレータ18とセル板19の外周に密封部材21を挟んで接合する。
(4) セルユニットD1どうしを積層し、隣り合うセルユニットD1,D1の流露部品E1とE6との間は絶縁性のガラス接合材で接合するか、一方の面を絶縁性のセラミックス層表面処理してロウ付け等、電気的絶縁性の接合を行うことにより、電気的な絶縁を図るとともにガスタイトな接合を行っている。
(1) 流路部品E1とセパレータ18とは、ロウ付け、溶接、拡散接合などで予め接合する。
(2) 同様に流路部品E3,E4を予め接合したセル板内周側の流路部品E5と、セル 板19とをセルに接合(ロウ材やガラス接合材、セラミックス接合材を用いて接合することができる。)する。
(3) セパレータ18とセル板19の外周に密封部材21を挟んで接合する。
(4) セルユニットD1どうしを積層し、隣り合うセルユニットD1,D1の流露部品E1とE6との間は絶縁性のガラス接合材で接合するか、一方の面を絶縁性のセラミックス層表面処理してロウ付け等、電気的絶縁性の接合を行うことにより、電気的な絶縁を図るとともにガスタイトな接合を行っている。
また、上記した各流路部品E1〜E6を積層させてなる流路形成体EAを配設したセルユニットD1どうしを互いに積層することにより、下側のセルユニットD1の流路部品E1の上面に、上側のものの流路部品E6の下面が当接することにより、ガス流出用溝100,100の開口が下側のセルユニットD1の流路部品E1の上面によって閉塞されてガス噴出口100a,100a(図3参照)が区画形成されるとともに、セルユニットD1,D1間に流路部品E6の板厚分の間隙tが形成される。
換言すると、流通路β,β内を流通する温度差緩和用ガスを、ガス流出用溝100,100、ガス噴出口100a,100aを通じて、上下に隣接して積層されたセルユニットD1,D1の間隙tに噴出させられるようにしているのである。
図6は、図2(B)に示すII‐II線に沿う燃料電池の断面図、図7は、図2(B)に示すIII‐III線に沿う燃料電池の断面図である。
上記の構成からなる燃料電池10の製造工程は、概ね次のとおりである。
まず、上下隣接するセルユニットD1の流路形成体EA…どうしをセラミックス系接着材によって接着して順次重ね合わせると、全てのセルユニットD1…の流路形成体EA…が連なった流通路β,β(図6参照)等が形成される。
これらのセルユニットD1…をケース14の上壁14aと底壁14bとの間に挟み込んでボルト120,ナット121によって挟持固定する。
これにより、上下隣接する二つのセルユニットD1,D1間に、それぞれ流路部品E6の板厚分の間隙tが形成されるとともに、その間隙tにガス噴出口100a,100a…を臨ませた状態になる。
上記の構成からなる燃料電池10の製造工程は、概ね次のとおりである。
まず、上下隣接するセルユニットD1の流路形成体EA…どうしをセラミックス系接着材によって接着して順次重ね合わせると、全てのセルユニットD1…の流路形成体EA…が連なった流通路β,β(図6参照)等が形成される。
これらのセルユニットD1…をケース14の上壁14aと底壁14bとの間に挟み込んでボルト120,ナット121によって挟持固定する。
これにより、上下隣接する二つのセルユニットD1,D1間に、それぞれ流路部品E6の板厚分の間隙tが形成されるとともに、その間隙tにガス噴出口100a,100a…を臨ませた状態になる。
本実施形態において示す温度差緩和用ガス送給部F1は、図6に示すように、上記流通路β,βと、ガス噴出口100a,100a…とにより構成している。
本実施形態においては、図2(B)に示すように、ガス噴出口100a,100aを起動用ガス導入部14dから流入する温度差緩和用ガスの流れ方向aに直交する方向に向けた状態にしている。
本実施形態においては、図2(B)に示すように、ガス噴出口100a,100aを起動用ガス導入部14dから流入する温度差緩和用ガスの流れ方向aに直交する方向に向けた状態にしている。
換言すると、本実施形態においては、温度差緩和用ガスの流れ方向aが、軸線Oを通る直径線O1に一致しているとすると、ガス流出用溝100,100を、その直径線O1に直交する直径線O2に一致させて配置している。
次に、セルスタック13の外周に対し、絶縁層を介してガス誘導部材15,15が密着させるとともに、例えば上壁14aと底壁14bに設けた溝部(図示しない)に嵌め込むことにより固定している。
以上のようにして、燃料電池10が組み立てられる。
次に、セルスタック13の外周に対し、絶縁層を介してガス誘導部材15,15が密着させるとともに、例えば上壁14aと底壁14bに設けた溝部(図示しない)に嵌め込むことにより固定している。
以上のようにして、燃料電池10が組み立てられる。
図8は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池システムの一部をなす制御部Bが有する機能を示すブロック図である。
上記した温度センサS1〜S3のうち、温度センサS1が上述した起動用ガス導入部14d、温度センサS2がガス排出部14e、また、温度センサS3がセルユニットD1にそれぞれ配設されており、それら温度センサS1〜S3が制御部Bの入力側に接続されている。
温度センサS3のセルユニットD1への配設は、例えば積層段中段のII‐II線上のセルユニットD1外周部や中心流路部EAに埋設するとよい。
また、制御部Bの出力側には、空気供給装置3、燃料ポンプ4、空気供給弁5、起動用燃焼器30、燃料噴射弁6、切替え弁7,8、空気ブロワ1,2等が接続されている。
上記した温度センサS1〜S3のうち、温度センサS1が上述した起動用ガス導入部14d、温度センサS2がガス排出部14e、また、温度センサS3がセルユニットD1にそれぞれ配設されており、それら温度センサS1〜S3が制御部Bの入力側に接続されている。
温度センサS3のセルユニットD1への配設は、例えば積層段中段のII‐II線上のセルユニットD1外周部や中心流路部EAに埋設するとよい。
また、制御部Bの出力側には、空気供給装置3、燃料ポンプ4、空気供給弁5、起動用燃焼器30、燃料噴射弁6、切替え弁7,8、空気ブロワ1,2等が接続されている。
制御部Bは、本燃料電池システムA1に用いるプログラムの実行により、下記の各機能を発揮する。
(1)加熱ガスをセルユニットD1に向けて送給するとともに、温度差緩和用ガス送給部F1を介して、温度差緩和用ガスをセルユニットD1に送給流接させる機能。この機能を「ガス送給手段B1」という。
本実施形態においては、空気供給装置3、燃料ポンプ4、起動用燃焼器30、空気供給弁5、燃料噴射弁6及び切替え弁7,8によって温度差緩和用ガスを温度差緩和用ガス送給部F1に送給している。
ケース14と流路形成体EAにそれぞれ送給される加熱ガスと温度差緩和用ガスの流量比率は、セルスタック13や流路形成体EAの熱容量に依存して決定する。
(1)加熱ガスをセルユニットD1に向けて送給するとともに、温度差緩和用ガス送給部F1を介して、温度差緩和用ガスをセルユニットD1に送給流接させる機能。この機能を「ガス送給手段B1」という。
本実施形態においては、空気供給装置3、燃料ポンプ4、起動用燃焼器30、空気供給弁5、燃料噴射弁6及び切替え弁7,8によって温度差緩和用ガスを温度差緩和用ガス送給部F1に送給している。
ケース14と流路形成体EAにそれぞれ送給される加熱ガスと温度差緩和用ガスの流量比率は、セルスタック13や流路形成体EAの熱容量に依存して決定する。
(2)燃料電池10の温度が設定値以上であるか否かを判定する機能。この機能を「温度判定手段B2」という。
具体的には、温度センサS3によってセルユニットD1の温度を測定している。
「設定値」は、燃料電池10が発電できる温度帯域のことをいう。
セルスタック13に配設した温度センサS3によって、そのセルスタック13の温度を取得するとともに、その取得した温度が予め設定した規定値に達したか否かを判定し、その規定値に達したと判定されたときに、起動モードから通常運転モードに移行させている。
具体的には、温度センサS3によってセルユニットD1の温度を測定している。
「設定値」は、燃料電池10が発電できる温度帯域のことをいう。
セルスタック13に配設した温度センサS3によって、そのセルスタック13の温度を取得するとともに、その取得した温度が予め設定した規定値に達したか否かを判定し、その規定値に達したと判定されたときに、起動モードから通常運転モードに移行させている。
(3)燃料電池10の温度が設定値以上であると判定されたときには、加熱ガスと温度差緩和用ガスの送給を停止する機能。この機能を「ガス停止手段B3」という。
(4)セルユニットD1の上流側と下流側との温度差を測定する機能。この機能を「温度差測定手段B4」という。
セルユニットD1の上流側の温度は温度センサS1、セルユニットD1の下流側の温度は温度センサS2によって取得している。
(4)セルユニットD1の上流側と下流側との温度差を測定する機能。この機能を「温度差測定手段B4」という。
セルユニットD1の上流側の温度は温度センサS1、セルユニットD1の下流側の温度は温度センサS2によって取得している。
(5)セルユニットD1の下流側の温度が設定値以上となったか否かを判定する機能。この機能を「上流側温度判定手段B5」という。
(6)セルユニットD1の下流側の温度が設定値以上となったと判定したときには、セルユニットに流接させていた加熱ガスに替えて冷却ガスを送給流接させる機能。この機能を「冷却ガス送給手段B6」という。
すなわち、冷却ガスを導入する場合は、発電していて要求発電出力が大きくなり、発電電流を上昇させた場合を想定することができる。その場合は、起動加熱時とは異なり、セルユニット下流側で温度が上昇するため、これを冷却する目的で温度差緩和用ガスを導入すると、セル部温度分布を緩和する効果が大きい。発電時は、カソード空気はガス導入部14gから導入され、ガス誘導部材15の外周の予熱流路で予熱されるとともに、ガス誘導部材15の開端部で折り返してセルユニットD1間に導入されます。
(6)セルユニットD1の下流側の温度が設定値以上となったと判定したときには、セルユニットに流接させていた加熱ガスに替えて冷却ガスを送給流接させる機能。この機能を「冷却ガス送給手段B6」という。
すなわち、冷却ガスを導入する場合は、発電していて要求発電出力が大きくなり、発電電流を上昇させた場合を想定することができる。その場合は、起動加熱時とは異なり、セルユニット下流側で温度が上昇するため、これを冷却する目的で温度差緩和用ガスを導入すると、セル部温度分布を緩和する効果が大きい。発電時は、カソード空気はガス導入部14gから導入され、ガス誘導部材15の外周の予熱流路で予熱されるとともに、ガス誘導部材15の開端部で折り返してセルユニットD1間に導入されます。
温度センサS3で測定した温度が設定値以上に上がってしまう場合は、ガス導入部14gから導入するカソード用空気の導入温度を下げるか流量を増加して冷却をする。大負荷(大電流発電)運転を開始して、温度センサS3と温度センサS2で測定した温度の差分が設定値以上になる場合は、流路F2(図13参照)から温度差緩和用ガスを導入して下流部を冷却するようにしてもよい。
冷却を目的として、カソード用空気や温度差緩和用ガスとして空気を導入する場合、セルが熱衝撃で破損しないように、あらかじめ破損しない温度範囲で温調できる流量・温度のマップを作成し、これにしたがって温調して導入するようにしてもよい。
冷却を目的として、カソード用空気や温度差緩和用ガスとして空気を導入する場合、セルが熱衝撃で破損しないように、あらかじめ破損しない温度範囲で温調できる流量・温度のマップを作成し、これにしたがって温調して導入するようにしてもよい。
次に、本燃料電池システムA1の起動時における動作の一例について説明する。図9は、本発明に係る燃料電池システムの起動時における動作を示す一例に係るフローチャートである。
ステップ1:本燃料電池システムA1を始動する。
なお、図9においてはステップ1を「SТ1」と略記し、以下の各ステップについても同様に表記する。
なお、図9においてはステップ1を「SТ1」と略記し、以下の各ステップについても同様に表記する。
ステップ2:燃料ポンプ4を起動する。
ステップ3:空気供給装置3を起動する。
ステップ4:空気供給弁5、燃料噴射弁6を開駆動して、起動用燃焼器30に燃料と空気の送給を開始する。
ステップ3:空気供給装置3を起動する。
ステップ4:空気供給弁5、燃料噴射弁6を開駆動して、起動用燃焼器30に燃料と空気の送給を開始する。
ステップ5:本発明に係る燃料電池システムA1の起動時には、流路切替え部9の切替え弁7が閉駆動され、かつ、切替え弁8が開駆動される。
これにより、起動燃焼器32により生成された加熱ガスがケース14の起動用ガス導入部14dに、また、その加熱ガスの一部が温度差緩和用ガスとして上述した流路形成体EAにそれぞれ送給される。
温度センサS3によって温度を検知し、起動用燃焼器30への導入燃料流量を制御する等して燃焼リーン度を制御することにより、加熱ガス及び温度差緩和用ガスの温度を徐々に上昇させながら導入する。
燃料電池10のアノード流路側は、セルユニットD1の起動昇温に伴うアノード12の酸化を防止するため、プレ改質器40とアノード12間にリッチ燃焼ガスを循環させることができる。
具体的には、燃料電池10を加熱したオフガスで、燃料蒸発器50を加熱してプレ改質器40へ燃料と空気を導入し、リッチ燃焼あるいは自己発熱型の部分酸化反応モードで運転し、プレ改質オフガスをアノード12へ導入する。アノードオフガスの大部分はプレ改質器40に返戻して再昇温し、アノード12に送るようにする。
これにより、起動燃焼器32により生成された加熱ガスがケース14の起動用ガス導入部14dに、また、その加熱ガスの一部が温度差緩和用ガスとして上述した流路形成体EAにそれぞれ送給される。
温度センサS3によって温度を検知し、起動用燃焼器30への導入燃料流量を制御する等して燃焼リーン度を制御することにより、加熱ガス及び温度差緩和用ガスの温度を徐々に上昇させながら導入する。
燃料電池10のアノード流路側は、セルユニットD1の起動昇温に伴うアノード12の酸化を防止するため、プレ改質器40とアノード12間にリッチ燃焼ガスを循環させることができる。
具体的には、燃料電池10を加熱したオフガスで、燃料蒸発器50を加熱してプレ改質器40へ燃料と空気を導入し、リッチ燃焼あるいは自己発熱型の部分酸化反応モードで運転し、プレ改質オフガスをアノード12へ導入する。アノードオフガスの大部分はプレ改質器40に返戻して再昇温し、アノード12に送るようにする。
ステップ6:温度センサS3によって測定したセルユニットD1の温度が規定値に達したか否かを判定し、当該温度が規定値に達していると判定されればステップ7に進み、そうでなければステップ5に戻る。
ステップ7:空気供給弁5、燃料噴射弁6を閉駆動して、起動用燃焼器30に送給していた燃料と空気を停止する。
ステップ8:流路切替え部9の切替え弁7が開駆動され、かつ、切替え弁8を閉駆動して、燃料電池10に燃料と空気の送給を開始する。
ステップ9:燃料電池10の起動モードから通常運転モードに切り替える。
ステップ8:流路切替え部9の切替え弁7が開駆動され、かつ、切替え弁8を閉駆動して、燃料電池10に燃料と空気の送給を開始する。
ステップ9:燃料電池10の起動モードから通常運転モードに切り替える。
通常運転モードにおける空気の流動状態は、以下の通りである。
ガス導入部14g,14gを通じてケース14内に流入した空気は、ガス誘導部材15,15と周壁内面で区画形成される予熱流路α,αを流通して、ガス誘導部材15,15の各開放端に向けて流動する。
ガス導入部14g,14gを通じてケース14内に流入した空気は、ガス誘導部材15,15と周壁内面で区画形成される予熱流路α,αを流通して、ガス誘導部材15,15の各開放端に向けて流動する。
ガス誘導部材15,15の各開放端に到達した空気は、当該開放端においてセルスタック13に向けてそれぞれ回り込んだ後、そのセルスタック13の各間隙tを通じてガス排出部14eに向けて流動し、そのガス排出部14eを通じてケース14外に排出される。
次に、本燃料電池システムA1の起動時における動作の他例について説明する。図10は、本発明に係る燃料電池システムの起動時における動作を示す他例に係るフローチャートである。
ステップ1:本燃料電池システムA1を始動する。
なお、図9においてはステップ1を「SТ1」と略記し、以下の各ステップについても同様に表記する。
なお、図9においてはステップ1を「SТ1」と略記し、以下の各ステップについても同様に表記する。
ステップ2:燃料ポンプ4を起動する。
ステップ3:空気供給装置3を起動する。
ステップ4:空気供給弁5、燃料噴射弁6を開駆動して、起動用燃焼器30に燃料と空気の送給を開始する。
ステップ3:空気供給装置3を起動する。
ステップ4:空気供給弁5、燃料噴射弁6を開駆動して、起動用燃焼器30に燃料と空気の送給を開始する。
ステップ5:本発明に係る燃料電池システムA1の起動時には、流路切替え部9の切替え弁7が閉駆動され、かつ、切替え弁8が開駆動される。
これにより、起動燃焼器32により生成された加熱ガスがケース14の起動用ガス導入部14dに、また、その加熱ガスの一部が温度差緩和用ガスとして上述した流路形成体EAにそれぞれ送給される。
ケース14と流路形成体EAにそれぞれ送給される加熱ガスと温度差緩和用ガスの流量比率は、セルスタック13や流路形成体EAの熱容量に依存して決めていることは、上記と同様である。
これにより、起動燃焼器32により生成された加熱ガスがケース14の起動用ガス導入部14dに、また、その加熱ガスの一部が温度差緩和用ガスとして上述した流路形成体EAにそれぞれ送給される。
ケース14と流路形成体EAにそれぞれ送給される加熱ガスと温度差緩和用ガスの流量比率は、セルスタック13や流路形成体EAの熱容量に依存して決めていることは、上記と同様である。
ステップ6:加熱ガスが流通する燃料電池10の上流側における温度が設定値以上になったか否かを判定し、当該温度が設定値以上になっていると判定したときには、ステップ7に進み、そうでなければステップ5に戻る。
本実施形態における「燃料電池10の上流側の温度」とは、セルスタック13の軸線Oよりも上流側の温度の意味であり、具体的には、起動用ガス導入部14dに配置した温度センサS1によって測定した温度である。
本実施形態における「燃料電池10の上流側の温度」とは、セルスタック13の軸線Oよりも上流側の温度の意味であり、具体的には、起動用ガス導入部14dに配置した温度センサS1によって測定した温度である。
ステップ7:燃料電池10のカソード11に空気を送給する。
ステップ8:流路形成体EAに温度差緩和用ガスを送給する。
ステップ9:加熱ガスが流通する燃料電池10の下流側における温度が設定値以上になったか否かを判定し、当該温度が設定値以上になっていると判定したときには、ステップ10に進み、そうでなければステップ7に戻る。
ステップ8:流路形成体EAに温度差緩和用ガスを送給する。
ステップ9:加熱ガスが流通する燃料電池10の下流側における温度が設定値以上になったか否かを判定し、当該温度が設定値以上になっていると判定したときには、ステップ10に進み、そうでなければステップ7に戻る。
本実施形態における「燃料電池10の下流側の温度」とは、セルスタック13の軸線Oよりも下流側の温度の意味であり、具体的には、ガス排出部14eに配置した温度センサS2によって測定した温度である。
これにより、ケース導入部側が発電可能な温度に達し、下流側が当該温度に達していない場合であっても、ケース導入部から空気を送給するとともに、流路形成体EAから温度差緩和用ガスを流通させることで、ケース14の導入側を過昇温させることなく、下流部を昇温させるべく対処することができる。
これにより、ケース導入部側が発電可能な温度に達し、下流側が当該温度に達していない場合であっても、ケース導入部から空気を送給するとともに、流路形成体EAから温度差緩和用ガスを流通させることで、ケース14の導入側を過昇温させることなく、下流部を昇温させるべく対処することができる。
ステップ10:空気供給弁5、燃料噴射弁6を閉駆動して、起動用燃焼器30に送給していた燃料と空気を停止する。
ステップ11:流路切替え部9の切替え弁7が開駆動され、かつ、切替え弁8を閉駆動して、燃料電池10に燃料と空気の送給を開始する。
ステップ12:燃料電池10の起動モードから通常運転モードに切り替える。
ステップ11:流路切替え部9の切替え弁7が開駆動され、かつ、切替え弁8を閉駆動して、燃料電池10に燃料と空気の送給を開始する。
ステップ12:燃料電池10の起動モードから通常運転モードに切り替える。
上記した構成から燃料電池システムA1の運転モードにおける動作は、次のとおりである。図11は、定格運転時の燃料ガスと空気の流通状態を示す説明図、図12は、負荷変動運転時の燃料ガスと空気の流通状態を示す説明図である。
<定格運転時>
なお、図11において実線で示されている各種のパイプ類は、燃料電池10の定格運転時において空気や燃料が流通することを表している。また、温度センサや制御部等については省略して示している。
なお、図11において実線で示されている各種のパイプ類は、燃料電池10の定格運転時において空気や燃料が流通することを表している。また、温度センサや制御部等については省略して示している。
プレ改質器40へは、高温水蒸気を含むアノードオフガスの一部と、燃料蒸発器50で気化した燃料ガスと、改質用の少量の空気を導入し、吸熱モードの改質反応を行い、アノード12に送給する。
カソード空気は、カソード空気予熱用熱交換器55で予熱した後、カソード11に向けて送給流接させて発電を行う。
アノード12から排出されたアノードオフガスは、これの一部を分岐してプレ改質器40に、また、残部をアフターバーナ60に送給する。
セルスタック13の排カソードオフガスは分岐し、一部をアフターバーナ60に、残部は燃料蒸発器50の熱交換流路に送給する。
アフターバーナ60は、これの燃焼排気温度が一定値(例えば800℃)になるように、燃焼用の空気を追加する。また、燃焼ガスは熱交換器45に送給して、プレ改質器40を加熱し、その後、カソード空気の予熱に利用した後に排気される。
カソード空気は、カソード空気予熱用熱交換器55で予熱した後、カソード11に向けて送給流接させて発電を行う。
アノード12から排出されたアノードオフガスは、これの一部を分岐してプレ改質器40に、また、残部をアフターバーナ60に送給する。
セルスタック13の排カソードオフガスは分岐し、一部をアフターバーナ60に、残部は燃料蒸発器50の熱交換流路に送給する。
アフターバーナ60は、これの燃焼排気温度が一定値(例えば800℃)になるように、燃焼用の空気を追加する。また、燃焼ガスは熱交換器45に送給して、プレ改質器40を加熱し、その後、カソード空気の予熱に利用した後に排気される。
<負荷変動運転時>
なお、図12において実線で示されている各種のパイプ類は、燃料電池10の負荷変動運転時において空気や燃料が流通することを表している。また、温度センサや制御部等については省略して示している。
なお、図12において実線で示されている各種のパイプ類は、燃料電池10の負荷変動運転時において空気や燃料が流通することを表している。また、温度センサや制御部等については省略して示している。
部分負荷運転(例えば定格時の20%出力のとき)時、発電出力低下に伴いセル発熱量が減少しセルスタック13の温度が低下する場合は、アフターバーナ60に送給する燃料を追加することにより、カソード予熱用熱交換器55に送給する燃焼ガスの熱量を増加させて、セルスタック13に送給するカソード空気温度を上昇させる。
高温のカソード空気をケース14及び流路形成体EAの2箇所から導入することにより、セルスタック13内の温度分布を小さくしつつ、そのセルスタック13の昇温やセル温度の低下を防止することができる。
プレ改質器40が要求する熱量に対して、カソード空気予熱用熱交換器55が要求する熱量が大きい場合は、送給パイプ60a,60bの各流量を調整して、カソード空気の温度を上昇させるようにしてもよい。
プレ改質器40が要求する熱量に対して、カソード空気予熱用熱交換器55が要求する熱量が大きい場合は、送給パイプ60a,60bの各流量を調整して、カソード空気の温度を上昇させるようにしてもよい。
一方、部分負荷運転から100%出力へ移行した場合、発電反応に伴う発熱増加に対しカソードガスの供給量切り替えの遅れ等でセルスタック13の温度が上昇してしまう場合、定格運転条件より、カソード流量を増加するかあるいは温度を低下して導入する。この場合も、高温のカソード空気をケース14及び流路形成体EAの2箇所から導入することにより、セルスタック13内の温度分布を小さくし、セルの破損を防止して温度制御することができる。また、多くの接合部や締結ボルトを具備している中心流路部を冷却する効果も期待できるので、耐久性が向上する。
敷衍すると、発電出力が増加すると発熱量もこれに伴い増加する。すなわち、ガス誘導部材15の開端部で折り返してセル部に入ってきたカソードガスは、セルから熱を奪いながら昇温し、下流になるに従いガス、セルともに温度が上昇する。
そこで、流路形成体EAから低温のガスを導入することにより、下流側の温度を下げることができ、セル全体の温度分布を小さくすることができる。
そこで、流路形成体EAから低温のガスを導入することにより、下流側の温度を下げることができ、セル全体の温度分布を小さくすることができる。
以上の構成からなる本燃料電池システムA1によれば、起動時において加熱ガスをセルスタック12の上流側から、また、流路形成体EAから分割して送給することにより、セルユニットD1の温度分布を均一化することができる。これにより、セルや接合部等の破損を防止して起動速度を向上させることができる。
具体的には、加熱ガスをセルスタック13の上流部のみから送給する場合に比較して、セルユニットD1の温度差を約半分程度にすることができる。
具体的には、加熱ガスをセルスタック13の上流部のみから送給する場合に比較して、セルユニットD1の温度差を約半分程度にすることができる。
図13(A)は、流路形成体EAに形成した第一の変形例に係る温度差緩和用ガス送給部、(B)は、流路形成体EAに形成した第二の変形例に係る温度差緩和用ガス送給部の各説明図である。
なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
第一の変形例に係る温度差緩和用ガス送給部F2は、(A)に示すように、上記した流通路β,βを流通する温度差緩和用ガスをセルユニットD1,D1間の間隙(図示しない)に噴出させるためのガス噴出口の構成が異なっている。
すなわち、上記したガス流出溝100a,100aに加えて、二つのガス流出溝100b,100bを配設した構成になっている。
ガス流出溝100b,100bは、加熱ガスの下流側に向け、かつ、軸線O1に対してそれそれ約45度の角度をもって形成されたものである。
すなわち、ガス噴出口100a´,100a´を直径線O2に一致させ、かつ、ガス噴出口100b´,100b´を直径線O1(直径線O2)と約45°の角度に形成している。
ガス流出溝100b,100bは、加熱ガスの下流側に向け、かつ、軸線O1に対してそれそれ約45度の角度をもって形成されたものである。
すなわち、ガス噴出口100a´,100a´を直径線O2に一致させ、かつ、ガス噴出口100b´,100b´を直径線O1(直径線O2)と約45°の角度に形成している。
第二の変形例に係る温度差緩和用ガス送給部F3は、(B)に示すように、上記したガス流出溝100a,100a、二つのガス流出溝100b,100bに加えて、二つのガス流出溝100c,100cを配設した構成になっている。
ガス流出溝100c,100cは、加熱ガスの上流側に向け、かつ、軸線O1に対してそれそれ約45度の角度をもって形成されたものである。
すなわち、ガス噴出口100c´,100c´を直径線O1(直径線O2)と約45°の角度に形成している。
ガス流出溝100c,100cは、加熱ガスの上流側に向け、かつ、軸線O1に対してそれそれ約45度の角度をもって形成されたものである。
すなわち、ガス噴出口100c´,100c´を直径線O1(直径線O2)と約45°の角度に形成している。
上記図13(B)に示す構成によれば、セル部に対する中心流路部(流路形成体)の熱容量が比較的大きいセルスタックを起動する場合や、発電に伴う発熱分布が燃料流れに大きく依存するセル特性であるために、高負荷運転時に中心流路部で昇温する特性のセルスタックの場合、起動時の昇温分布や発電時のセル温度分布を緩和することができる。
図14(A)〜(H)は、第三〜第五の変形例に係る温度差緩和用ガス送給部を形成した流路形成体EAの説明図である。
なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
図14(A)に示す流路形成体EAには、第三の変形例に係る温度差緩和用ガス送給部F4が形成されている。
第三の変形例に係る温度差緩和用ガス送給部F4は、断面円形にした温度差緩和用ガスを流通させるための流通路131,131に、直径線O1に直交する直径線O2に一致したガス流出用溝131a,131aを形成したものである。
すなわち、ガス噴出口131a´,131a´を直径線O2に一致させて形成している。
また、軸線Oに一致したボルト孔を兼ねるアノードガス排出路132と、その軸線Oを中心とした所定の角度間隔でアノードガス流入路133…を配設している。
第三の変形例に係る温度差緩和用ガス送給部F4は、断面円形にした温度差緩和用ガスを流通させるための流通路131,131に、直径線O1に直交する直径線O2に一致したガス流出用溝131a,131aを形成したものである。
すなわち、ガス噴出口131a´,131a´を直径線O2に一致させて形成している。
また、軸線Oに一致したボルト孔を兼ねるアノードガス排出路132と、その軸線Oを中心とした所定の角度間隔でアノードガス流入路133…を配設している。
図14(B)に示す流路形成体EAには、上記した第三の変形例に係る温度差緩和用ガス送給部F4が形成されているとともに、軸線Oに一致して配設したボルト孔134と、その軸線Oを中心としたそれぞれ所定の角度間隔で上記したものと同等のアノードガス流入路133とアノード排出路135…を配設している。
図14(C)に示す流路形成体EAには、第四の変形例に係る温度差緩和用ガス送給部F5が形成されている。
第四の変形例に係る温度差緩和用ガス送給部F5は、軸線Oに一致して形成した断面円形にした温度差緩和用ガスを流通させるための流通路136に、直径線O1に直交する直径線O2に一致したガス流出用溝136a,136aを形成した構成ものである。
すなわち、本変形例においてはガス噴出口136a´,136a´を直径線O2に一致させて形成している。
また、軸線Oを中心としたそれぞれ所定の角度間隔でアノードガス流入路133と、ボルト孔を兼ねるアノード排出路137とを形成したものである。
第四の変形例に係る温度差緩和用ガス送給部F5は、軸線Oに一致して形成した断面円形にした温度差緩和用ガスを流通させるための流通路136に、直径線O1に直交する直径線O2に一致したガス流出用溝136a,136aを形成した構成ものである。
すなわち、本変形例においてはガス噴出口136a´,136a´を直径線O2に一致させて形成している。
また、軸線Oを中心としたそれぞれ所定の角度間隔でアノードガス流入路133と、ボルト孔を兼ねるアノード排出路137とを形成したものである。
図14(D)に示す流路形成体EAには、上記した第三の変形例に係る温度差緩和用ガス送給部F4が形成されているとともに、軸線Oを挟む両側対称位置に配設されたボルト孔138,138、軸線Oに一致して配設したアノードガス流出路139、及びその軸線Oを中心とした所定の角度間隔で配設したアノードガス流入路133を形成したものである。
図14(E)に示す流路形成体EAは、上記した第三の変形例に係る温度差緩和用ガス送給部F4が形成されているとともに、軸線Oを中心としたそれぞれ所定の角度間隔で上記したものと同等のアノードガス流入路133と、ボルト孔を兼ねるアノード排出路140…を配設した構成のものである。
図14(F)に示す流路形成体EAは、上記した第四の変形例に係る温度差緩和用ガス送給部F5が形成されているとともに、軸線Oを中心としたそれぞれ所定の角度間隔で上記したものと同等のアノードガス流入路141とアノード排出路142…とを配設した構成のものである。
図14(G)に示すに示す流路形成体EAは、第五の変形例に係る温度差緩和用ガス送給部F6が形成されている。
第五の変形例に係る温度差緩和用ガス送給部F6は、軸線Oに一致して形成した断面円形の流通路136に、直径線O1に直交する直径線O2に一致したガス流出用溝136a,136aと、直径線O1と所要の角度をなして形成したガス流出用溝136b,136bとを形成したものである。
すなわち、ガス噴出口136a´,136a´を直径線O2に一致させて、また、ガス噴出口136b´,136b´を直径線O1と所要の角度をなして形成している。
また、軸線Oを中心としたそれぞれ所定の角度間隔で上記したものと同等のアノードガス流入路141とアノード排出路142…とを配設した構成のものである。
第五の変形例に係る温度差緩和用ガス送給部F6は、軸線Oに一致して形成した断面円形の流通路136に、直径線O1に直交する直径線O2に一致したガス流出用溝136a,136aと、直径線O1と所要の角度をなして形成したガス流出用溝136b,136bとを形成したものである。
すなわち、ガス噴出口136a´,136a´を直径線O2に一致させて、また、ガス噴出口136b´,136b´を直径線O1と所要の角度をなして形成している。
また、軸線Oを中心としたそれぞれ所定の角度間隔で上記したものと同等のアノードガス流入路141とアノード排出路142…とを配設した構成のものである。
図14(H)に示す流路形成体EAには、第三の変形例に係る温度差緩和用ガス送給部F4が形成されているとともに、軸線Oに一致したアノードガス排出路133と、その軸線Oを中心とした所定の角度間隔でアノードガス流入路143…を配設した構成のものである。
上記した図14に示す流路形成体EAは、温度緩和用ガス流路孔、アノード流出孔、アノード流入孔を円形や長方形に示しているが、それら円形等に限定されるものではなく、楕円形、多角形等に形成してもよいことは勿論である。
上記した図14に示す流路形成体EAは、温度緩和用ガス流路孔、アノード流出孔、アノード流入孔を円形や長方形に示しているが、それら円形等に限定されるものではなく、楕円形、多角形等に形成してもよいことは勿論である。
図2等に示す上記した流路形成体EAは、温度差緩和用ガス送給部を複数設け易い構成である。
また、図14(F)と(G)に示すものは配置構成として最も良く、流路形成体EAを複数設け易く、また、そのサイズを小さくできるため、セル部に対する流路形成体EAの熱容量差を小さくすることができるため、破損を防止して急速起動を行うことができる。
さらに、発電時に締結ボルトを冷却ガスが効率よく冷却できるので、耐久性が向上する。
さらにまた、図14(A),(D),(H)に示す流路形成体EAは、アノードガスの排口を1箇所に集約できるために配管の取り合いをし易く、アノードガス排出側のマニホルドの形状を簡素化できる。
また、図14(F)と(G)に示すものは配置構成として最も良く、流路形成体EAを複数設け易く、また、そのサイズを小さくできるため、セル部に対する流路形成体EAの熱容量差を小さくすることができるため、破損を防止して急速起動を行うことができる。
さらに、発電時に締結ボルトを冷却ガスが効率よく冷却できるので、耐久性が向上する。
さらにまた、図14(A),(D),(H)に示す流路形成体EAは、アノードガスの排口を1箇所に集約できるために配管の取り合いをし易く、アノードガス排出側のマニホルドの形状を簡素化できる。
図15は他例に係るセルユニットを示しており、(A)はその平面図、(B)は(A)に示すI‐I線に沿う断面図、(C)は(A)に示すII‐II線に沿う断面図である。
なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
他例に係るセルユニットD2は、流路形成体EAのガス噴出口100a,100aに対向して、メッシュ状の補強材144,144を配設した構成のものである。これにより、加熱ガスあるいは冷却ガスが直接セルに当たることを防止して熱衝撃を緩和できるとともに、局所的な温度差を小さくできる。これによりセルの劣化や破損を防止し、発電出力の均等化を図ることができる。また、セルユニットD2自体の強度を向上させられる。
図16は、他例に係る燃料電池を示すものであり、(A)はその平面図、(B)は(A)に示すI‐I線に沿う断面図である。なお、上述した第一の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
他例に係る燃料電池10Aは、軸線Oを挟むケース14の両側対向位置であって各間隙tに対向させて配置したガス噴射ノズル150,150を配設し、これらに温度差緩和用ガスを送給するための流路151,151をケース14の周壁14cの外側に配置した構成のものである。
ガス噴射ノズル150,150の先端部は、周壁14c、ガス誘導部材15を貫通して各間隙tに臨ませている。
ガス噴射ノズル150,150の先端部は、周壁14c、ガス誘導部材15を貫通して各間隙tに臨ませている。
この構成により、セルスタック13内部の構成を簡素化することができるとともに、セルスタック13の中心部分のサイズを小さくすることができる。
また、セルスタック13内に搭載できるセル面積率を向上することができ、セルスタック13の発電出力の容量密度を向上することができる。
さらに、セル部と中心流路部の熱容量差を小さくすることができるので起動が早く、また、負荷変動に対する応答性にすぐれた燃料電池とすることができる。
なお、図中EBで示すものは、温度差緩和用ガス送給部を形成していない流路形成体である。
また、セルスタック13内に搭載できるセル面積率を向上することができ、セルスタック13の発電出力の容量密度を向上することができる。
さらに、セル部と中心流路部の熱容量差を小さくすることができるので起動が早く、また、負荷変動に対する応答性にすぐれた燃料電池とすることができる。
なお、図中EBで示すものは、温度差緩和用ガス送給部を形成していない流路形成体である。
ところで、上述した実施形態においては、所謂起動時における動作について説明したが、低電圧や高電圧運転時の温度調節にも適用することができる。図17は、本発明に係る燃料電池システムA1の運転モードにおける動作状態を示すフローチャートである。
ステップ1:本システムA1を始動する。
なお、図16においてはステップ1を「SТ1」と略記し、以下の各ステップについても同様に表記する。
なお、図16においてはステップ1を「SТ1」と略記し、以下の各ステップについても同様に表記する。
ステップ2:セルユニットD1の温度が低下したか否かを判定し、セルユニットD1の温度が低下したと判定されればステップ3に進み、そうでなければステップ4に進む。
ステップ3:流路形成体EAに冷却ガスである新規の空気を送給して、処理を終了する。
ステップ4:セルユニットD1の温度が上昇したか否かを判定し、当該温度が上昇したと判定されればステップ5に進み、そうでなければ処理を終了する。
ステップ5:流路形成体EAに高温ガスを送給して処理を終了する。
ステップ3:流路形成体EAに冷却ガスである新規の空気を送給して、処理を終了する。
ステップ4:セルユニットD1の温度が上昇したか否かを判定し、当該温度が上昇したと判定されればステップ5に進み、そうでなければ処理を終了する。
ステップ5:流路形成体EAに高温ガスを送給して処理を終了する。
以上の構成によれば、低電圧運転を行うときのようにセルスタック13の温度が上昇する場合には、流路形成体EAから冷却ガスを導入して冷却することができる。一方、高電圧運転を行うときのようにセルスタック13の温度が低下する場合には、加熱ガスを導入して昇温することができる。
上述した実施形態によれば、次の効果を得ることができる。
・まず、起動用燃焼器から送出された燃焼ガスを、アノード12と流路形成体EAへ分配送給し、熱容量の大きい流路形成体EAの昇温遅れを防止することができる。
・起動時の加熱ガスを流路形成体EAからセルユニットD1間の間隙tに噴出して流接させているので、熱容量の大きい流路形成体EAの昇温遅れを防止することができることに加えて、セルユニットD1の流接方向下流側の昇温遅れもあわせて改善することができる。
・まず、起動用燃焼器から送出された燃焼ガスを、アノード12と流路形成体EAへ分配送給し、熱容量の大きい流路形成体EAの昇温遅れを防止することができる。
・起動時の加熱ガスを流路形成体EAからセルユニットD1間の間隙tに噴出して流接させているので、熱容量の大きい流路形成体EAの昇温遅れを防止することができることに加えて、セルユニットD1の流接方向下流側の昇温遅れもあわせて改善することができる。
・また、例えば400℃以上に昇温した後も加熱ガスを送給して昇温を続けることができる。
すなわち、高い温度に昇温した後、アノードは燃料ガスで酸化劣化する場合があるが、酸化に弱いアノードを採用したセルスタックにおいても、劣化を防止して急速起動することができる。
すなわち、高い温度に昇温した後、アノードは燃料ガスで酸化劣化する場合があるが、酸化に弱いアノードを採用したセルスタックにおいても、劣化を防止して急速起動することができる。
次に、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図18は、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
また、図15において実線で示されている各種のパイプ類は、燃料電池10の起動時において空気や燃料が流通することを示していることは、上述したとおりである。
また、図15において実線で示されている各種のパイプ類は、燃料電池10の起動時において空気や燃料が流通することを示していることは、上述したとおりである。
本発明の第二の実施形態に係る燃料電池システムA2は、補助燃焼器160を設けた点が、上述した第一の実施形態に係る燃料電池システムA1と相違している。
補助燃焼器160は、燃料電池10を起動させるときに、その燃料電池10を加熱昇温させるための加熱ガスを生成するためのものであり、流路形成体EAに加熱ガスを送給するようになっている。
補助燃焼器160は、燃料電池10を起動させるときに、その燃料電池10を加熱昇温させるための加熱ガスを生成するためのものであり、流路形成体EAに加熱ガスを送給するようになっている。
すなわち、補助燃焼器160と流路形成体EAとの間には、加熱ガスを送給するための送給パイプ160aが配設されている。
また、送給パイプ160aとカソード予熱用熱交換器55との間には、分岐パイプ160bが連結されており、空気ブロワ1によって送給される新規の空気を運転モード等において加熱昇温させることができる。
また、送給パイプ160aとカソード予熱用熱交換器55との間には、分岐パイプ160bが連結されており、空気ブロワ1によって送給される新規の空気を運転モード等において加熱昇温させることができる。
このような補助燃焼器160を設けることにより、起動時のセルスタック13の温度調整の制御性が向上するため、起動時間をより短縮できる。特に、上流側と下流側において、起動用の加熱ガスから発電用のカソード空気に切り替える過渡の制御を安定して行うことができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
・上述した実施形態においては、セルユニット間の間隙に配設したガス噴出口を、積層したセルユニットの位置に関わらずに同数のものを例として説明したが、各セルユニットに生じる温度差を勘案して増減設定してもよい。
・また、各セルユニットに生じる温度差を勘案して、ガス噴出口の向き、ガス噴出口の断面積の変更等をすることができ、さらには、それらを適宜組み合わせることができる。これにより、セルユニットに生じる温度差をさらに小さくすることができる。
・上述した実施形態においては、セルユニット間の間隙に配設したガス噴出口を、積層したセルユニットの位置に関わらずに同数のものを例として説明したが、各セルユニットに生じる温度差を勘案して増減設定してもよい。
・また、各セルユニットに生じる温度差を勘案して、ガス噴出口の向き、ガス噴出口の断面積の変更等をすることができ、さらには、それらを適宜組み合わせることができる。これにより、セルユニットに生じる温度差をさらに小さくすることができる。
・上述した実施形態においては、ガス導入部から加熱ガスを導入して、ガス排出部から排出させる構成のものを例として説明したが、ガス導入部からケース内に送給するようにしてもよい。
また、上述した実施形態においては、ガス誘導部材を配設した構成のものを例示したが、必ずしも配設する必要はない。
また、上述した実施形態においては、ガス誘導部材を配設した構成のものを例示したが、必ずしも配設する必要はない。
10,10A 燃料電池
13 セルスタック
16 固体電解質型セル
18 セパレータ
19 セル板
100a ガス噴出口
136 流通路
150 ガス噴出ノズル
151 送給パイプ
B1 ガス送給手段
B2 温度差測定手段
B3 ガス停止手段
B4 温度差測定手段
B5 ガス温度調整手段
D1,D2 セルユニット
EA,EB 流路形成体
F1〜F6 温度差緩和用ガス送給部
t 間隙
u 空隙
β 流通路
13 セルスタック
16 固体電解質型セル
18 セパレータ
19 セル板
100a ガス噴出口
136 流通路
150 ガス噴出ノズル
151 送給パイプ
B1 ガス送給手段
B2 温度差測定手段
B3 ガス停止手段
B4 温度差測定手段
B5 ガス温度調整手段
D1,D2 セルユニット
EA,EB 流路形成体
F1〜F6 温度差緩和用ガス送給部
t 間隙
u 空隙
β 流通路
Claims (7)
- 固体電解質型セルを有するセルユニットに加熱ガスを流接させることにより、そのセルユニットを昇温させるようにした燃料電池において、
上記加熱ガスの流接に伴い、セルユニットに生じる温度差を緩和するための温度差緩和用ガスを、そのセルユニットに送給流接するための温度差緩和用ガス送給部を設けたことを特徴とする燃料電池。 - セルユニットは、固体電解質型セルを配設したセル板とセパレータとの間に水素含有ガス又は酸素含有ガスを流通させるための空隙が形成されているとともに、その空隙に酸素含有ガス又は水素含有ガスを送給するための流路形成体が配設されており、
その流路形成体に、温度差緩和用ガス送給部を設けていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。 - セルユニットを互いに間隙をおいて積層したセルスタックを有しており、
温度差緩和用ガス送給部は、温度差緩和用ガスを流通させるための流通路と、この流通路を流通する温度差緩和用ガスをセルユニット間の間隙に噴出させるためのガス噴出口とを有していることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池。 - セルユニットを互いに間隙をおいて積層したセルスタックをケースに収容しており、
温度差緩和用ガス送給部は、セルユニット間の各間隙に臨むようにケース外からケース内に突入させた複数のガス噴出ノズルと、
ケース外に配設され、各ガス噴出ノズルに温度差緩和用ガスを送給するための送給パイプを有していることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池。 - ガス噴出口を、加熱ガスの流接方向に交差する向きに配していることを特徴とする請求項3又は4に記載の燃料電池。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載した燃料電池を用いた燃料電池システムであって、
温度差緩和用ガス送給部を介して、温度差緩和用ガスをセルユニットに送給流接させるガス送給手段を設けたことを特徴とする燃料電池システム。 - セルユニットの上流側における加熱ガスと、そのセルユニットの下流側における加熱ガスの温度差を測定する温度差測定手段と、
上記セルユニットの下流側の温度が設定値以上となったか否かを判定する上流側温度判定手段と、
セルユニットの下流側の温度が設定値以上となったと判定したときには、セルユニットに流接させていた加熱ガスに替えて冷却ガスを送給流接させる冷却ガス送給手段とを設けたことを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013020705A (ja) * | 2011-07-07 | 2013-01-31 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法 |
JP2013157134A (ja) * | 2012-01-27 | 2013-08-15 | Nissan Motor Co Ltd | 固体酸化物型燃料電池システム |
JP2014032823A (ja) * | 2012-08-02 | 2014-02-20 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池システム及びその制御方法 |
JPWO2021059351A1 (ja) * | 2019-09-24 | 2021-04-01 |
-
2009
- 2009-09-24 JP JP2009218420A patent/JP2011070782A/ja active Pending
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013020705A (ja) * | 2011-07-07 | 2013-01-31 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法 |
JP2013157134A (ja) * | 2012-01-27 | 2013-08-15 | Nissan Motor Co Ltd | 固体酸化物型燃料電池システム |
JP2014032823A (ja) * | 2012-08-02 | 2014-02-20 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池システム及びその制御方法 |
US9537163B2 (en) | 2012-08-02 | 2017-01-03 | Honda Motor Co., Ltd. | Fuel cell system and method of controlling the fuel cell system |
JPWO2021059351A1 (ja) * | 2019-09-24 | 2021-04-01 | ||
WO2021059351A1 (ja) * | 2019-09-24 | 2021-04-01 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 |
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