JP4942287B2 - 発電装置 - Google Patents
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Description
固体酸化物を利用する燃料電池は、800℃程度の高温環境下で効率よく発電することから、燃料電池セル群を収容する室内の温度分布が極めて重要である。そこには、下記のような事象に対処しなければならない。
個々の燃料電池セルの発電電圧は微小であり、多数個の燃料電池セルを直列に接続して配列しなければならない。
個々の燃料電池に、燃料ガスと有酸素ガス(通常は空気)を供給しなければならない。
多数用いられている燃料電池セルの中の最低温度のものでも、効率よく発電する温度に維持しなければならない。
その温度は800℃程度の高温であり、その温度に耐えられる材質が限られてくる。
燃料電池セル群の温度差が大きいと、高温部の温度はさらに高くなるために、その高温に耐えられる材質がさらに限られてしまう。
そこで、燃料電池セル群の温度差ができるだけ小さく抑えられる構造設計が極めて重要となる。
同一燃料電池セル内に生じる温度差についても同様であり、その温度差をできるだけ小さく抑えられる構造設計が重要となる。
図示108は燃料ガスの受入れ口であり、受入れられた燃料ガスは、分配管112で燃料ガス通路114a、114b、114c、114dに分配される。燃料ガス通路114a、114b、114c、114dは、燃料電池セル116a,116b,116c,116dを貫通しており、筒状の燃料電池セル116a,116b,116c,116dの内側に形成されている燃料極に燃料ガスを供給する。燃料ガス通路114a、114b、114c、114dは、垂直方向上方に伸びている。
筒状の燃料電池セル116a,116b,116c,116dの外側に酸素極が配置されており、その酸素極に有酸素ガス(この場合は空気)を供給する有酸素ガス通路120a,120b,120cが、燃料電池セル116a,116b,116c,116dの間隙に挿入されている。有酸素ガス通路120a,120b,120cはパイプ状であり、垂直方向に伸びており、下端から有酸素ガスを噴出す。有酸素ガスを噴出す様子が矢印110で図示されている。有酸素ガス受け入れ口104から、加圧された有酸素ガスが受け入れられる。
筒状の燃料電池セル116a,116b,116c,116dの外側に形成されている酸素極に送り込まれた酸素は、イオン化した状態で、筒状の燃料電池セル116a,116b,116c,116dの中間に形成されている固体電解質を通過し、筒状の燃料電池セル116a,116b,116c,116dの内側に形成されている燃料極に移動し、そこで燃料ガスと反応して、酸素極と燃料極の間に電位差を発生させる。
筒状の燃料電池セル116a,116b,116c,116dの内側に送り込まれた燃料ガスの一部は、酸素と反応することなく筒状の燃料電池セル116a,116b,116c,116dを通過する。有酸素ガス通路120a,120b,120cから送り込まれた有酸素ガスの一部も消費されないで、燃料電池セル群収容室118から上方に戻っていく。発電に利用されなかった燃料ガスと有酸素ガスは燃焼室122で燃焼し、高温の燃焼排ガスを生成する。高温の燃焼排ガスは、熱交換室124に送り込まれ、有酸素ガス受け入れ口104から送り込まれた有酸素ガスを加熱し、自らは冷却されて排気口102から排気される。
予熱された有酸素ガスを燃料電池セル群収容室118に送り込むと、燃料ガスと有酸素ガスが反応するときに生じる発熱と相俟って、燃料電池セル群収容室118を発電に適した高温に維持することができる。
燃料電池セル群収容室118に送り込まれた燃料ガスと有酸素ガスは、燃料電池セル116の内外面に沿って下方から上方に流れる。燃料電池セル116は、燃料ガスと有酸素ガスが反応することによって発熱体となっている。垂直方向に伸びる発熱体に沿ってガスが下方から上方に流れると、下方から上方に流れるガスが徐々に加熱されていく。図10のカーブC1は、横軸に燃料電池セル116の高さをとり、縦軸に燃料電池セル116の温度を測定した一例を示しており、燃料電池セル116の上端と下端では約150℃の温度差が生じる。燃料電池セル116の下端を発電効率の高い800℃程度に調温すると、燃料電池セル116の上端では950℃程度の高温となり、その高温に耐えられる材質の選定がひどく難しくなる。
本発明では、燃料電池セル群収容室内の温度差を抑制する構造を創作する。局部的に加熱されることがない発電装置を実現する。
本発明の発電装置では、有酸素ガス通路は、箱形状であって、燃料電池セルに対向する面の燃料ガス通路が伸びる方向に沿って多数の有酸素ガス供給口が分散して形成されており、有酸素ガス通路と燃料電池セルの燃料ガス通路とが交差する位置関係におかれている。加熱されやすい燃料ガス通路の下流ほど、加熱されて温度上昇した有酸素ガスで冷却するという問題がなくなり、加熱されやすい燃料ガス通路の下流でもまだ加熱されていないために温度上昇していない有酸素ガスで冷却することができる。燃料電池セルの温度分布を一様化しやすい。
この場合、まだ加熱されていない相対的に低温の有酸素ガスを燃料電池セルに一様に供給することができ、燃料電池セルの温度分布を一様化しやすい。
(形態1) 有酸素ガスは空気である。
(形態2) 空気通路は高さの低い箱状であり、その上面に空気供給口が多数形成されている。
(形態3) 空気通路は、熱伝導性の高い金属で形成されている。
本発明を具現化した発電装置の第1実施例を、図面を参照しながら説明する。図1は、本実施例に係る発電装置の縦断面図であり、図2は図1のII−II線縦断面図であり、図3は図1のIII−III線横断面図であり、図4は図2の部分断面拡大図である。
図1から図3に示すように、発電ユニット10は、内側から外側に向かって第1室44、第2室46、第3室48からなる3重構造となっており、中心部の第1室44とその外側の第2室46を仕切る内仕切壁36と、第2室46とその外側の第3室48を仕切る外仕切壁38と、第3室48と外部を仕切る外壁40を有している。外壁40は断熱部材42で覆われている。
発電ユニット10の中心部の第1室44内には、燃料電池セル12の複数個が配列されて構成されているセルスタック14と、酸素を含む空気をセルスタック14に供給する空気供給部材16と、予備改質ガス内に含まれるメタンを燃料となる水素や一酸化炭素等に改質する改質器18と、改質された燃料ガスをセルスタック14に供給するマニホールド24等が配設されている。予備改質ガスは、発電ユニット10の外部に配置された予備改質器(図示省略)によって、炭素数2以上のプロパン等のガスを主にメタンや水素や一酸化炭素等に改質したガスである。
図4は、図2に示すセルスタック14の断面の拡大図である。図4に示すように、燃料極12aは楕円柱形状に形成され、その周面の半分強が固体電解質層12bで覆われ、固体電解質層12bの更に外側を酸素極12cが覆っている。燃料極12aの周面の酸素極12cと反対側はインターコネクタ12dで覆われている。燃料極12aの内部には長手方向に貫通する5本の燃料ガス通路20が並列に形成されている。
燃料極12aは多孔質であり、ニッケル(Ni)を主成分とするニッケル/YSZサーメット(混合焼結体)からなる。固体電解質層12bは緻密質であり、ジルコニア(ZrO2)にイットリア(Y2O3)を加えた混合物からなる。酸素極12cは多孔質であり、ペロブスカイト型酸化物であるLSM(La1−xSrxMnO3)からなる。インターコネクタ12dは導電性セラミックからなる。
隣合う燃料電池セル12の一方の酸素極12cと他方の燃料電池セル12のインターコネクタ12dとの間に、集電部材22が介装されている。集電部材22は、蛇腹状に折畳まれた導電性金属部材である。一方の燃料電池セル12の酸素極12cは、集電部材22とインターコネクタ12dを介して、他方の燃料電池セル12の燃料極12aに電気的に接続されている。多数本の燃料電池セル12が直列に接続されてセルスタック14が形成されている。蛇腹状の集電部材22は、空気が通過することを禁止しない。
セルスタック14a、14c,14eの燃料通路20には、改質器18aで改質された燃料ガスが送り込まれる。セルスタック14a、14c,14eの改質器18aから遠い方の端部では燃料通路20が開放されており、発電のために消費されなかった燃料ガスが放出される。セルスタック14b,14dの燃料通路20には、改質器18bで改質された燃料ガスが送り込まれる。セルスタック14b,14dの改質器18bから遠い方の端部では燃料通路20が開放されており、発電のために消費されなかった燃料ガスが放出される。セルスタック14a、14c,14eは、マニホールド24a,24c,24eによって片持ち状に支持され、セルスタック14b,14dは、マニホールド24b,24dによって片持ち状に支持されている。
セルスタック14a、14c,14eと、セルスタック14b,14dは、反対方向に伸びている。上下方向に多段に配列されているセルスタック14a、14b,14c,14d、14eは、上下方向において、交互に反対向きに配列されている。
上下5段の空気供給部材16a,16b,16c,16d,16eは、両端が空気供給管50によって支持されており、強度が高い。
図1〜図3に示すように、セルスタック14の燃料通路20は左右方向に伸びており、空気供給部材16は、上下方向に伸びている。両持ち状の空気供給部材16と、片持ち状のセルスタック14が交差する位置関係におかれている。
図1から図3に示すように、外仕切壁38の4つの内周面にも、フィン54と同様にフィン56が取付けられている。フィン56の形状もフィン54と同様である。このようにフィン56が取付けられているため、外仕切壁38とフィン56と内仕切壁36によって、外仕切壁38の4つの内周面と内仕切壁36の外面との間の全体に亘って、上下方向に伸びる細い角柱形状の通路が複数本形成される。フィン54は第3室48のサイズを規定し、フィン56は第2室46のサイズを規定する。
外壁40の底板と外仕切壁38の底板の間は、第3室48の一部であり、そこに空気導入管34が連通している。外仕切壁38の底板と内仕切壁36の底板の間は、第2室46の一部であり、そこに燃焼排ガス導出管58が連通している。
第3室48は、外部から取り込まれた空気が通過する。第2室46は、第1室44で生成された燃焼排ガスが通過する。第1室44は燃料電池セル群収容室として利用される。
空気は空気通過室48を下方から上方に移動する。燃焼排ガスは燃焼排ガス通過室46を上方から下方に通過する。通過方向が逆であり、両者の間で活発な熱交換が行われる。
燃料電池セル群収容室44の外形はほぼ立方体である。燃焼排ガス通過室46の外形もほぼ立方体である。空気通過室48の外形もほぼ立方体である。発電ユニット10は、最小表面積で最大容積を収容する6面体であり、放熱量が少ない。
後記するように、燃料電池セル群収容室44は最も高温であり、燃焼排ガス通過室46は2番目に高温であり、空気通過室48が3番目に高温である。最も高温な燃料電池セル群収容室44を、2番目に高温な燃焼排ガス通過室46で取り囲み、その外側を3番目に高温な空気通過室48で取り囲む構造となっている。最も高温に維持する必要がある燃料電池セル群収容室44を最も内側に配置することによって、燃料電池セル群収容室44を最も高温に維持しやすい最適な構造となっている。
燃料ガス導入管26から改質器18a,18bに送られた予備改質ガスは、改質器18a,18b内で、水素と一酸化炭素を含む燃料ガスに改質され、各マニホールド24に送られる。改質された燃料ガスは、各マニホールド24から各燃料電池セル12へ送られ、各燃料電池セル12内の燃料ガス通路20に流入する。
空気導入管34から第3室48に送られた空気は、フィン54の間をすり抜けて上部に達し、外壁40の上面に沿って流れ、第3室48に開口している空気供給管50内に流入する。空気は、空気供給管50を下方に移動しながら、5つの空気供給部材16に流入し、全ての空気供給口16fから流出する。流出する空気は、上方向、若しくは斜め上方向に上昇し、すぐ上のセルスタック14の下側全体に分散される。
酸素は、イオン化して固体電解質を通過して燃料極に至り、水素または一酸化炭素と反応し、酸素極と燃料極の間に電位差を発生させる。すなわち、発電する。
本実施例の燃料電池では、燃料電池セルが水平方向に伸びているのに対し、空気が上方に移動する関係が得られ、燃料電池セルの温度勾配に交差する有酸素ガスの流れが生み出される。燃料電池セルを冷却する空気に燃料電池を冷却した熱が累積していくことが抑制され、第1室44内の温度差が減少する。実験によると図10のカーブC2に示すように、燃料電池セルの上流端と下流端の温度差が50℃以下に抑制される。
本実施例では、加熱されやすいセルスタック14の下流側に多量の空気が供給され、加熱されにくいセルスタック14の上流側に少量の空気が供給されるように、空気供給口16fの密度と開口面積が調整されている。これもまた、セルスタック14の温度分布を一様化するのに寄与している。
熱伝導性の空気供給部材16とセルスタック14の間には、パッキン62が介在しており、直接には接触していない。それでも、熱伝導性の空気供給部材16は、セルスタック14の上流側と下流側の温度差を小さく抑える。加熱されやすいセルスタック14の下流流側では、輻射が活発に起こって熱伝導性の空気供給部材16に熱を伝える。セルスタック14の下流側の温度は低下する。輻射によって加熱された熱伝導性の空気供給部材16は、熱伝導によって低温部を加熱する。加熱された空気供給部材16は、相対的に低温なセルスタック14の上流側に向けて輻射し、セルスタック14の上流部を加熱する。熱伝導性の空気供給部材16がセルスタック14に直接には接触していなくても、近接して位置しているために、熱伝導性の空気供給部材16は、セルスタック14の高温部から低温部に伝えられる熱エネルギーの移動を促進する。
各燃料電池セル12の先端近傍には夫々スパーク電極60が配設されている。スパーク電極60が火花放電することによって、燃料電池セル12の先端から流出する燃料ガスのオフガスと、燃料電池セル12の下流側へ誘導される空気のオフガスが燃焼する。改質器18は燃料電池セル12の先端に近接していることから、燃料ガスのオフガスと空気のオフガスとの燃焼によって発生する燃焼熱を改質反応の吸熱反応に効率よく利用することができる。
燃焼排ガスは極めて高温であり、そのままでは熱交換器に投入しがたい。それほどの高温に耐えられる熱交換器は材質が限られ、高価である。本実施例では、燃焼熱でまず改質器18を加熱する。改質反応は吸熱反応であり、燃焼排ガスの熱は吸熱に利用される。燃焼熱でまず改質器18を加熱するために、燃焼排ガスの温度は低下する。このために、第2室46を流れる燃焼排ガスの温度は適度に冷却されており、仕切り壁36,38に特別の材料を使わなくてもすむ。
上昇した燃焼排ガスは、第1室44の上面に沿って第2室46に流入する。第2室46内に流入した燃焼排ガスは、上下方向に伸びる複数の細い角柱形状の通路を下方向に通過して第2室46の下部に流入し、燃焼排ガス導出管58から外部に導出される。
このとき、空気導入管34から導入された予加熱された空気(約200℃)は第3室48内に流入し、上下方向に伸びる複数の細い角柱形状の通路を上方向に通過している。従って、第2室46を通過する燃焼排ガスと、第3室48を通過する空気との間で熱交換が行われる。外仕切板38の両面に取付けられたフィン54,56によって、熱交換率は更に高められる。この熱交換によって、空気を約650℃まで予加熱しておくことができる。なお、約500℃まで温度低下した燃焼排ガスは、発電ユニット10の外部に配設された、図示しない予備改質器の加熱に利用することができ、さらには空気の予熱に利用することもできる。
本発明を具現化した発電装置の第1参考例を、図面を参照しながら説明する。図5は、本参考例に係る発電装置の燃料電池セル群収容室の縦断面の概略図である。
本参考例の発電装置は、図9に示す従来の発電装置と類似の構成であり、発電ユニット200の下部に燃料電池セル群収容室218が配置され、中間高さに燃焼室222が配置され、上部に熱交換室224が配置されている。本参考例の発電ユニット200は、燃料電池セル群収容室218内の構成が従来技術と相違している。よって、主に燃料電池セル群収容室218内について説明し、重複説明を省略する。
筒状の燃料電池セル216a,216b,216c,216dの間隙に、空気通路220a,220b,220cが挿入されている。空気通路220a,220b,220cはパイプ状であり、空気供給口220fが形成されている。空気供給口220fは、空気通路220a,220b,220cが、図中左右両側の燃料電池セル216a,216b,216c,216dに対向する部分に、夫々3個ずつ縦列に配置されている。上位の空気供給口220fの位置は、燃料電池セル216a,216b,216c,216dの下流部の位置に相当し、中位の空気供給口220fの位置は、燃料電池セル216a,216b,216c,216dの中間部の位置に相当し、下位の空気供給口220fの位置は、燃料電池セル216a,216b,216c,216dの上流部の位置に相当する。空気通路220a,220b,220cは、熱交換室224から垂直方向に下向きに伸びており、下端から空気を噴出すとともに、夫々6個の空気供給口220fからも空気を噴出す。空気を噴出す様子が矢印210で図示されている。
本実施例では、燃料電池セル216の上流部と中間部と下流部の3部位に空気供給口220fが分布している。従って、空気は、空気通路220内を上方から下方に流れながら、3部位の空気供給口220fから空気を噴出す。上位から噴出される空気は、まだ発電熱によって加熱されていない相対的に低温の空気であり、下位から噴出される空気は発電熱によって加熱されている相対的に高温の空気である。最も加熱されやすい、燃料電池セル216の下流部には、低温の空気が噴出され、まだ発電熱で加熱されていない、燃料電池セル216の上流部には、高温の空気が噴出されることから、燃料電池セルの温度分布が一様化される。
本発明を具現化した発電装置の第2参考例を、図面を参照しながら説明する。図6は、本参考例に係る発電装置の燃料電池セル群収容室の縦断面の概略図である。
本参考例の発電装置は、第1参考例の発電装置と、空気を供給する部材が相違している。よって、主に空気供給部材について説明し、重複説明を省略する。
本発明を具現化した発電装置の第3参考例を、図面を参照しながら説明する。図8は、本参考例に係る発電装置の燃料電池セル群収容室の縦断面の概略図である。
本参考例の発電装置は、第1参考例の発電装置と、空気を供給する部材と、燃焼排ガスの流れが相違している。よって、主に相違部分について説明し、重複説明を省略する。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
10:発電ユニット
12:燃料電池セル12a:燃料極、12b:固体電解質層、12c:酸素極、12d:インターコネクタ
14:セルスタック
16:空気供給部材、16f:空気供給口
18:改質器、18a、18b
20:燃料ガス通路
22:集電部材
24:マニホールド
26:燃料ガス導入管
28:渡り配管、28a,28b
30:配管
32:配管
34:空気導入管
36:内仕切壁
38:外仕切壁
40:外壁
42:断熱部材
44:第1室
46:第2室
48:第3室
50:空気供給管
52:邪魔板
54:フィン
56:フィン
58:燃焼排ガス導出管
60:スパーク電極
62:パッキン
(第1参考例)
200:発電ユニット
208:燃料ガス受入れ口
210:空気の流れ
212:マニホールド
216:燃料電池セル
218:燃料電池セル群収容室
220:空気通路
222:燃焼室
224:熱交換室
(第2参考例)
230:発電ユニット
234:熱交換室
240:空気の流れ
246:燃料電池セル
248:燃料電池セル群収容室
250:空気供給部材
(第3参考例)
270:発電ユニット
274:熱交換室
280:空気の流れ
286:燃料電池セル
288:燃料電池セル群収容室
290:空気供給部材
292:燃焼室
294:燃焼排ガスの流れ
Claims (3)
- 固体酸化物型の燃料電池を用いる発電装置であり、
燃料極と固体電解質と酸素極と燃料ガス通路を有する燃料電池セルと、
燃料電池セルに隣接して配置されている有酸素ガス通路とを備えており、
有酸素ガス通路は、箱形状であって、燃料電池セルに対向する面の燃料ガス通路が伸びる方向に沿って多数の有酸素ガス供給口が分散して形成され、両端が支持されて水平方向に備えられ、燃料電池セルの下方に備えられ、
燃料電池セルは、一端が支持されて水平方向に備えられ、パッキンを介して有酸素ガス通路の上面に載置され、
有酸素ガス通路と燃料電池セルの燃料ガス通路とは、交差する位置関係におかれており、
有酸素ガス通路内には、有酸素ガス通路の両端から有酸素ガスが供給され、
有酸素ガス供給口から供給される有酸素ガスは、直上の燃料電池セルに供給される、
ことを特徴とする発電装置。 - 有酸素ガス通路の燃料電池セルに対向する面は燃料電池セルよりも広く広がっていることを特徴とする請求項1の発電装置。
- 燃料電池セルの加熱されやすい部分に多量の有酸素ガスが供給されるように、有酸素ガス供給口の密度と開口面積が調整されていることを特徴とする請求項1の発電装置。
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