JP2017117551A - 燃料電池カートリッジ及び燃料電池モジュール並びに燃料電池セルスタックの冷却方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池セルスタック101と、酸化性ガスをセルスタック101の周囲に供給する酸化性ガス供給ヘッダ221と、セルスタック101の周囲を通過した酸化性ガスを排出する酸化性ガス排出ヘッダ223とを備え、モジュール容器205内に装備される燃料電池カートリッジ203であって、酸化性ガス排出ヘッダ223の内部空間とモジュール容器205内側でかつ燃料電池カートリッジ203の外外側の空間を連通する連通孔20と、酸化性ガス供給管229から酸化性ガス供給ヘッダ221へ供給される酸化性ガスの流れを利用したエゼクタ作用によって、モジュール容器205内の酸化性ガスを酸化性ガス供給ヘッダ221内に導入する周辺流体吸引具10を装備する。
【選択図】図2
Description
このことから、酸化性ガスや燃焼ガスの熱伝達に着目して、燃料電池セルスタックの発電部を冷却することを想起することができる。
ここでは、第1実施形態及び第2実施形態の2つの実施形態を説明するが、はじめに図1〜図3を参照して、各実施形態に共通する燃料電池モジュール,燃料電池カートリッジ及び燃料電池セルスタックについて説明する。その後、図2,図4を参照して、第1,2実施形態に共通する燃料電池カートリッジの燃料電池セルスタックの冷却手法の概念を説明し、更に、図5〜図7を参照して第1実施形態に係る酸化性ガス供給ヘッダの構成を、図8〜図10を参照して第2実施形態に係る酸化性ガス供給ヘッダの構成を、それぞれ説明する。なお、第1実施形態及び第2実施形態に共通な構成の説明では、各実施形態を区別せずに、単に、実施形態と言う。
また、以下においては、固体酸化物形燃料電池(SOFC)について、燃料電池セルをSOFCセルと、燃料電池セルスタックをセルスタックと、燃料電池カートリッジをSOFCカートリッジと、燃料電池モジュールをSOFCモジュールとも言う。
以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて各構成要素の位置関係を特定するが、鉛直方向に対して必ずしもこの限りである必要はない。例えば、紙面における上方向が鉛直方向における下方向に対応してもよい。また、紙面における上下方向が鉛直方向に直行する水平方向に対応してもよい。
また、以下においては、固体酸化物形燃料電池(SOFC)のセルスタックとして円筒形を例として説明するが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。
まず、図3を参照して各実施形態に係る円筒形セルスタックについて説明する。ここで、図3は、各実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。セルスタック101は、円筒形状の基体管103と、基体管103の外周面に複数形成された燃料電池セル105と、隣り合う燃料電池セル105の間に形成されたインターコネクタ107とを有する。燃料電池セル105は、燃料極109と固体電解質111と空気極113とが積層して形成されている。また、セルスタック101は、基体管103の外周面に形成された複数の燃料電池セル105の内、基体管103の軸方向において最も端に形成された燃料電池セル105の空気極113に、インターコネクタ107を介して電気的に接続されたリード膜115を有する。
基体管103は、多孔質材料からなり、例えば、CaO安定化ZrO2(CSZ)、又はY2O3安定化ZrO2(YSZ)、又はMgAl2O4とされる。この基体管103は、燃料電池セル105とインターコネクタ107とリード膜115とを支持すると共に、基体管103の内周面に供給される燃料ガスを基体管103の細孔を介して基体管103の外周面に形成される燃料極109に拡散させるものである。
空気極113は、例えば、LaSrMnO3系酸化物、又はLaCoO3系酸化物で構成される。この空気極113は、固体電解質111との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン(O2−)を生成するものである。
次に、図1と図2とを参照して各実施形態に係るSOFCモジュール及びSOFCカートリッジについて説明する。
SOFCモジュール201は、図1に示すように、例えば、複数のSOFCカートリッジ203と、これら複数のSOFCカートリッジ203を収納する圧力容器(モジュール容器)205とを有する。また、SOFCモジュール201は、燃料ガス供給主管207と複数の燃料ガス供給枝管207aとを有する。また、SOFCモジュール201は、燃料ガス排出主管209と複数の燃料ガス排出枝管209aとを有する。また、SOFCモジュール201は、酸化性ガス供給主管(不図示)と酸化性ガス供給枝管220aとを有する。図2には酸化性ガス供給枝管220aの端部のみを示すが、ここでは、酸化性ガス供給主管と酸化性ガス供給枝管220aとを合わせたものを酸化性ガス供給管220とする。また、SOFCモジュール201は、酸化性ガス排出主管(不図示)と複数の酸化性ガス排出枝管(本発明の酸化性ガス排出管)222aとを有する。図2には酸化性ガス排出枝管222aの端部のみを示すが、ここでは、酸化性ガス排出主管と酸化性ガス排出枝管222aとを合わせたものを酸化性ガス排出管222とする。
次に、各実施形態のSOFCカートリッジにおけるセルスタックの冷却手法の概念を説明する。
(構成)
第1実施形態にかかる酸化性ガス供給ヘッダ221は、図5,図6に示すように、酸化性ガス供給ダクト50を備えている。この酸化性ガス供給ダクト50は、酸化性ガスをSOFCカートリッジ203の周方向に均一に分配化させた後に各酸化性ガス供給隙間235aに供給して、発電部215へ略均一に吹出して、供給する酸化性ガスを均一化させるためのものである。
第1実施形態に係るSOFCカートリッジ203は、このように、酸化性ガス供給ヘッダ221の入口部分に、周辺流体吸引具10が装備されているので、周辺流体吸引具10により、酸化性ガス供給ヘッダ221へ導入される酸化性ガスの流量が増大し、発電部215内の各セルスタック101の周囲に導入される酸化性ガスの流量が増加する。セルスタック101の周囲に供給される酸化性ガスの温度は、セルスタック101の発電部の温度よりも低いので、発電部に供給される酸化性ガスは、発電反応における発熱を冷却する役割を果たし、酸化性ガスの流量増加分によりセルスタック101の発電部の冷却効果が高められる。また流量増加によりセルスタック101の軸方向中央部の温度の高い領域の冷却量が増加し、発電部における温度分布の均等化を促進される。
つまり、SOFCモジュール201外から供給する酸化性ガスの圧力エネルギによる流れを利用して圧力容器205内の排酸化性ガスを引き込むものであるため、発電部と圧力容器205内との温度差の伴う対流が小さく、SOFCカートリッジ203の鉛直方向下部から上部へと向かう煙突効果が小さい時でも、酸化性ガスの逆流を確実に防止できるので発電部の冷却効果が促進される。
(構成)
第2実施形態にかかる酸化性ガス供給ヘッダ221も、図8〜図10に示すように、第1実施形態の酸化性ガス供給ダクト50と同様な酸化性ガス供給ダクト50Aを備えている。図8〜図10において、図5,図6と同様な符号は同様な部材を示しているので、これらについては説明を簡略化し、本実施形態の酸化性ガス供給ダクト50Aに特有な構成を中心に説明する。
周辺流体吸引具10Aは、既に説明したように、ノズル部11Aと、ディフューザ部12Aと、吸入室13Aとをそなえている。
本実施形態に係るSOFCカートリッジ203は、このように、酸酸化性ガス供給ヘッダ221の内部に、周辺流体吸引具10Aが装備されているので、周辺流体吸引具10により排酸化性ガスの一部を再循環として取り込むことで、発電部215内の各セルスタック101の周囲に導入される酸化性ガスの流量が増加する。セルスタック101の周囲に供給される酸化性ガスの温度は、セルスタック101の発電部の温度よりも低いので、発電部215に供給される酸化性ガスは、発電反応における発熱を冷却する役割を果たし、酸化性ガスの流量増加分によりセルスタック101の発電部の冷却効果を高めることができる。また流量増加によりセルスタック101の軸方向中央部の温度の高い領域の冷却量が増加し、発電部における温度分布の均等化を促進される。SOFCカートリッジ203は、各SOFCスタック101の発電部の温度分布をより均一化させることで、発電出力をより増加させることができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施形態を適宜変更して実施することができる。
例えば、第1実施形態と第2実施形態とを組み合わせて実施することも有効である。
また、周辺流体吸引具の配置個所も、上記実施形態のものに限定されない。
11 ノズル部
11a ノズル部11
12 デュフューザ部
12a デュフューザ部12の入口側の開口
12b 出口側の開口
13 吸入室
13a 導入口
14 接続管
15 導入口
20 連通孔
50,50A 酸化性ガス供給ダクト
53 吹出孔
54 案内面54aを有する壁部
54a 案内面
56 酸化性ガス供給空間
60 排酸化性ガス排出ダクト
101 燃料電池セルスタック(セルスタック)
201 燃料電池モジュール(SOFCモジュール)
203 燃料電池カートリッジ(SOFCカートリッジ)
205 圧力容器(モジュール容器)
215 発電部
220 酸化性ガス供給管
220a 酸化性ガス供給枝管
221 酸化性ガス供給ヘッダ(酸化性ガス供給室)
222 酸化性ガス排出管
222a 酸化性ガス排出枝管
223 酸化性ガス排出ヘッダ(酸化性ガス排出室)
235a 酸化性ガス供給隙間
235b 酸化性ガス排出隙間
Claims (8)
- 燃料電池セルスタックと、
複数の前記燃料電池セルスタックの一端側に配置され、酸化性ガス供給管から供給された酸化性ガスを前記燃料電池セルスタックの周囲に供給する酸化性ガス供給ヘッダと、
前記燃料電池セルスタックの他端側に配置され、前記燃料電池セルスタックの周囲を通過した酸化性ガスを排出する酸化性ガス排出ヘッダと、
を備え、モジュール容器内に装備される燃料電池カートリッジであって、
前記酸化性ガス排出ヘッダの内部空間と、前記モジュール容器内側でかつ前記燃料電池カートリッジの外側の空間とを連通する連通孔と、
前記酸化性ガス供給管から前記酸化性ガス供給ヘッダへ供給される酸化性ガスの流れを利用したエゼクタ作用によって、前記モジュール容器内の酸化性ガスの少なくとも一部を前記酸化性ガス供給ヘッダ内に導入する周辺流体吸引具とが装備されている
ことを特徴とする燃料電池カートリッジ。 - 前記周辺流体吸引具は、前記酸化性ガス供給管と前記酸化性ガス供給ヘッダとの間に装備されていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池カートリッジ。
- 前記酸化性ガス供給ヘッダは、
前記酸化性ガス供給管が接続された酸化性ガス供給ダクトと、
前記酸化性ガス供給ダクトに形成され、前記酸化性ガス供給ダクト内に供給された酸化性ガスを吹き出す複数の吹出孔と、
前記吹出孔から排出された酸化性ガスを、前記酸化性ガス供給隙間に通じる酸化性ガス供給空間に案内する案内面を有する壁部と、を備え、
前記周辺流体吸引具は、前記酸化性ガス供給管と前記酸化性ガス供給ダクトとの間に装備されていることを特徴とする請求項2記載の燃料電池カートリッジ。 - 前記酸化性ガス供給ヘッダは、
前記酸化性ガス供給管が接続された酸化性ガス供給ダクトと、
前記酸化性ガス供給ダクトに形成され、前記酸化性ガス供給ダクト内に供給された酸化性ガスを吹き出す複数の吹出孔と、
前記吹出孔から吹き出された酸化性ガスを、前記酸化性ガス供給隙間に通じる酸化性ガス供給空間に案内する案内面を有する壁部と、を備え、
前記周辺流体吸引具は、前記複数の吹出孔の内の少なくとも一部の吹出孔と前記酸化性ガス供給空間との間に装備されていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池カートリッジ。 - 前記案内面を有する壁部には、前記モジュール容器内の酸化性ガスの少なくとも一部を前記酸化性ガス供給ヘッダの内部に酸化性ガスを導入する導入口が設けられていることを特徴とする請求項4記載の燃料電池カートリッジ。
- 前記周辺流体吸引具は、
前記酸化性ガス供給管から供給された酸化性ガスを噴射するノズル部と、
前記ノズル部の下流側に設けられ噴射された酸化性ガスが導入される開口を有するデュフューザ部と、
前記デュフューザ部の開口に前記モジュール容器内の酸化性ガスの少なくとも一部を吸入させる吸入室と、
を有することを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の燃料電池カートリッジ。 - モジュール容器内に、請求項1〜6の何れか一項に記載の燃料電池カートリッジを複数備えたことを特徴とする燃料電池モジュール。
- 燃料電池セルスタックと、
複数の前記燃料電池セルスタックの一端側に配置され、酸化性ガス供給管から供給された酸化性ガスを前記燃料電池セルスタックの周囲に供給する酸化性ガス供給ヘッダと、
前記燃料電池セルスタックの他端側に配置され、前記燃料電池セルスタックの周囲を通過した酸化性ガスを排出する酸化性ガス排出ヘッダと、
を備え、モジュール容器内に装備される燃料電池カートリッジにおいて、前記燃料電池セルスタックを冷却する方法であって、
前記酸化性ガス排出ヘッダの内部の酸化性ガスの一部を前記モジュール容器内側でかつ前記燃料電池カートリッジの外側の空間に排出させ、
前記酸化性ガス供給管から前記酸化性ガス供給ヘッダへ供給される酸化性ガスの流れを利用するエゼクタ作用によって、前記モジュール容器内に排出された酸化性ガスの少なくとも一部を前記酸化性ガス供給ヘッダ内に導入し、前記燃料電池セルスタックへ供給する前記酸化性ガスの流量を増加する
ことを特徴とする燃料電池セルスタックの冷却方法。
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