JP5239174B2 - 燃料電池 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料ガス及び水蒸気を効率的に混合することができる上部燃料熱交換器を備えた燃料電池に関するものである。
近年、上記燃料電池としては、発電効率が高く、作動温度が高いために排熱を有効に利用できるなどの多くの利点を有する固体酸化物形燃料電池の研究開発が進められている。
このような固体酸化物形燃料電池は、一般に、外周が断熱材で覆われてなるハウジング内に、発電セルとセパレータとが交互に複数段積層されてなる燃料電池スタックが収容されており、この発電セル11は、図5に示すように、固体電解質層21の一方の表面に燃料極層22が形成されるとともに、他方の表面に空気極層23が形成されている。また、燃料極層22の外側に燃料極集電体32が配設されるとともに、空気極層23の外側に空気極集電体33が配設されており、セパレータ12には、燃料ガス流路12aと酸化剤流路12bとが形成されている。
そして、固体酸化物形燃料電池は、水素ガスがセパレータ12に形成された燃料ガス流路12aを通じて燃料極集電体32から燃料極層22に移動して、燃料極層22において電子を放出するとともに、酸素ガスが酸化剤流路12bを通じて空気極集電体33から空気極層23、さらには空気極層23内を固体電解質層21に向けて移動しつつ、電子を授与して酸化物イオンとなる。すると、この酸化物イオンが固体電解質層21内に達して、同電解質層21内を燃料極層22に向けて拡散移動して、水素ガスと反応して水を生成しつつ、燃料極層22に電子を放出する。これにより、固体酸化物形燃料電池は、当該電子が起電力として取り出し可能になるとともに、シールレス構造を採用しているため、上述の発電反応に使用されなかった残余のガスや上記水による水蒸気が外に放出される。(例えば、特許文献1)。
特開2004−335164号公報
ところで、上記固体酸化物形燃料電池は、図6に示すように、上述の複数枚の発電セル11を具備する燃料電池スタック13が高さ方向に複数段積層されたスタックユニットを平面に複数列配設することによって、さらなる発電効率の上昇が望める。この場合の固体酸化物形燃料電池は、上記発電セル11に燃料ガスを水素ガスに改質して供給する燃料ガス供給手段9と、発電セル11に酸素等の酸化剤を供給する酸化剤供給手段5とが各列のスタックユニットの燃料電池スタック13に接続されている。
この燃料ガス供給手段9は、その上流部に水蒸気発生器40において発生した水蒸気を供給する水蒸気供給管41が接続されており、水素ガスへの転化率を高めるために改質温度を高くすべく、燃料電池スタック13の側方に側部燃料熱交換器93が介装されるとともに、この側部燃料熱交換器93の下流側に燃料電池スタック13の上方に配設された上部燃料熱交換器96が介装されている。そして、この上部燃料熱交換器96の下流側に改質触媒が内蔵されて、燃料ガスを水蒸気との吸熱反応により水素ガスに改質して上記各スタックユニットに分配供給する改質器92が介装されている。他方、酸化剤供給手段5は、燃料電池スタック13の上方に配設された上部空気熱交換器50と、この上部空気熱交換器50の上流側に設けられた側部空気熱交換器53とが介装されている。
加えて、固体酸化物形燃料電池は、上述の発電セル11における反応に400℃〜500℃の温度が必要とされるため、スタック13の周囲に電気ヒータやバーナ等の加熱装置97が配設されている。この加熱装置97は、起動時にハウジング20内の空気が加熱されて高温加熱空気となって上昇することにより、扁平な缶体からなる上部燃料熱交換器96や上部空気熱交換器50を間接的に加熱するとともに、側部燃料熱交換器93、側部空気熱交換器53を直接的又は間接的に加熱するようになっている。これにより、固体酸化物形燃料電池は、側部燃料熱交換器93及び上部燃料熱交換器96によって又は側部空気熱交換器53及び上部空気熱交換器50によって加熱された燃料ガス又は空気の昇温や、ハウジング20内の高温加熱空気等により、上記燃料電池スタック13が上記温度まで昇温するようになっている。
また、固体酸化物形燃料電池は、上記起動後に放出される残余のガスや水蒸気の熱も上部燃料熱交換器96や側部燃料熱交換器93等によって吸収されて、燃料ガス等が加熱されることから、改質器92において水蒸気との吸熱反応により水素ガスに改質されて、各燃料電池スタック13に供給される。
しかしながら、上部燃料熱交換器96は、扁平な缶体からなるため、燃料等が直ぐに改質器92に排出されて、加熱時間が短く、ハウジング20内の高温加熱空気等によって燃料ガス等を効果的に加熱することができず、改質器92内における燃料ガスの水素ガスへの転化率が低下してしまうため、発電効率が低下してしまう。
さらには、燃料ガスが水蒸気と充分に混合されぬままの状態で、改質器92に供給されてしまうため、燃料ガスと水蒸気との割合が変化して、改質器92内の燃料ガスの水素ガスへの転化率に変動が生じて、水素ガスの各スタックユニットへの供給割合が変化してしまう。このため、各燃料電池スタック13における上述の発電セル11の反応効率を制御することができなくなることから、全ての燃料電池スタック13の発電効率を最大にすることができずに、結果として発電効率の低下を招いてしまうという問題があった。
そこで、本発明は、ハウジング上部の高温加熱空気によって燃料ガス等を効果的に加熱することができるとともに、燃料ガスと水蒸気とを充分に混合させる上部燃料熱交換器を有し、燃料電池の発電効率の低下を防止することができる燃料電池を提供することを課題とするものである。
すなわち、請求項1に記載の本発明は、外周が断熱材で覆われてなるハウジング内に、発電セル及びセパレータを交互に積層してなる複数の燃料電池スタックと、これらの燃料電池スタックに燃料ガスを水蒸気との吸熱反応により水素に改質して供給する改質器を備えた燃料ガス供給手段と、この燃料ガス供給手段に介装されて、上記燃料電池スタックの上方に配設され、内部に上記燃料ガス及び水蒸気を流動させるとともに、上記ハウジング内の熱を吸収して上記燃料ガス及び水蒸気を加熱する扁平な缶体を有する上部燃料熱交換器とが収容された燃料電池であって、上記上部燃料熱交換器内に、上記缶体内の外周部に形成され、上記燃料ガス供給手段から上記缶体の壁面に形成された供給口を通じて供給された上記燃料ガス及び上記水蒸気を周方向に旋回させることにより上記燃料ガス及び上記水蒸気が効率的に混合された混合ガスにする第1のチャンバーと、上記缶体内の中央部に形成され、上記混合ガスを上記燃料ガス供給手段の上記改質器に供給する第2のチャンバーとが隔壁部材によって区画されるとともに、上記隔壁部材には、上記第1のチャンバーの上記混合ガスを上記第2のチャンバーに流入させる連通口が形成されていることを特徴としている。
また、請求項2に記載の本発明は、請求項1に記載の燃料電池において、上記上部燃料熱交換器は、上記缶体が平面視矩形状に形成されるとともに、各角部に上記供給口が上記旋回方向に向けて上記燃料ガス及び上記水蒸気を供給するように形成され、上記隔壁部材は、有天筒状に形成され、下部が上記缶体の底部と一体的に形成されるとともに、天井部に上記連通口が形成されており、かつ上記第2のチャンバーは、上記隔壁部材と上記缶体の底部との間に形成されるとともに、上記缶体の底部における上記連通口に臨む位置以外に上記混合ガスを排出する開口が形成されていることを特徴としている。
また、請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の燃料電池において、上記燃料ガス供給手段は、上記上部燃料熱交換器の下流側に上記燃料ガスを水素に改質して、上記複数の燃料電池スタックに分配供給する改質器が接続され、かつこの改質器には、上記分配供給する複数の排出口が形成されるとともに、各排出口に連通する供給口がそれぞれ形成されており、当該各供給口に対応して上記上部燃料熱交換器の開口が複数形成されていることを特徴としている。
請求項1ないし3の何れか一項に記載の発明によれば、第1のチャンバーに燃料ガス及び水蒸気を供給して、周方向に旋回混合させるため、効率的に燃料ガス及び水蒸気を混合させて、混合ガスにすることができるとともに、この旋回混合の間に、燃料ガス及び水蒸気を、ハウジング内の高温加熱空気によって加熱することができる。次いで、隔壁部材の連通口から流入した混合ガスを、第2のチャンバーの内圧によって燃料ガス供給手段を介して燃料電池スタックに供給することができる。
その結果、燃料ガスと水蒸気とが充分に混合されるために改質器内の燃料ガスの転化率に変動が生ずることなく、その上、旋回混合の間の充分な加熱時間により燃料ガスの改質温度を高くして、充分な高転化率を得ることができるため、発電効率を高めることができる。
特に、請求項2に記載の本発明によれば、上部燃料熱交換器の各角部に供給口を燃料ガス及び水蒸気が旋回方向に向けて供給されるように形成したため、燃料ガス等の旋回流を乱すことなく、上記燃料ガス及び水蒸気を効率的に混合させることができる。また、連通口を有天筒状の隔壁部材の天井部に形成するとともに、隔壁部材の下部を缶体の底部と一体的に設けたため、第1のチャンバーにおいて燃料ガス等が周方向に充分に旋回混合され、混合ガスとなって、平面方向中央の天井側に流動した際に初めて、連通口から第2のチャンバーに流入するため、より混合時間を長くすることができる上に、より長時間、燃料ガス等を加熱することができる。このため、より確実に転化率の変動を阻止し、かつ転化率の上昇を促すことができる。
また、上記上部燃料熱交換器は、上述のように改質器内の燃料ガスの転化率の変動が防止されて、充分な高転化率が得られるように燃料ガス等を混合・加熱するため、請求項3に記載の発明のように下流側に接続された改質器が燃料ガスを水素に改質して、複数の燃料電池スタックに分配供給する複数の排出口を有するとともに、各排出口に連通する供給口をそれぞれ有し、かつ各供給口に対応して上部燃料熱交換器の開口を複数形成する場合にも、水素を各燃料電池スタックに均一に供給して、全ての燃料電池スタックの発電効率を最大にすることができる。このため、燃料ガスの供給量の増加や加熱温度の上昇等により、各燃料電池スタックから得られる起電力を全体的に増加させることができる。
次ぎに、本発明に係る上部燃料熱交換器を具備する固体酸化物形燃料電池の最良の実施形態について、図1〜図4を用いて説明する。なお、上述の一般的な燃料電池と同一のものについては、同一符号を用いることにより、説明を省略する。
本実施形態の固体酸化物形燃料電池は、下部が開口した平面視矩形状の外部缶体2内に、燃料電池スタック13等の発電要素を収容したハウジング20が内設されており、このハウジング20と外部缶体2との間に断熱部材(断熱材)10が介装されている。
そして、燃料電池スタック13は、間に架台18を介在させて、高さ方向に複数段(本実施形態においては4段)積層されることによりスタックユニットを構成しており、当該スタックユニットは、ハウジング20内の中央部に平面視において縦横2列に配設されて、各燃料電池スタック13がハウジング20の各側壁面に沿って高さ方向中央部の燃料電池スタック13に望む位置に配設された4基の加熱装置7によって加熱されるようになっている。
この燃料電池スタック13の発電セル11を構成する固体電解質層21は、イットリアを添加した安定化ジルコニア(YSZ)等で構成され、燃料極層22はNi等の金属あるいはNi−YSZ等のサーメットで構成され、空気極層23はLaMnO3 、LaCoO3 等で構成され、燃料極集電体32はNi等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体33はAg等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ12はステンレス等で構成されている。
そして、この発電セル11に燃料ガスを水素ガスにして供給する燃料ガス供給手段4は、その上流部に燃料ガスを導入する燃料ガス供給管49を具備しており、この燃料ガス供給管49は、ハウジング20の外方からハウジング20内に配設されて、4本に分枝されている。そして、燃料ガス供給管49は、各分枝配管に水蒸気を供給する水蒸気供給管41が接合されるとともに、その下流端部に、それぞれハウジング20内に配設された側部燃料熱交換器43が接続されている。
この側部燃料熱交換器43は、ハウジング20の各側部に沿って配設されており、上記燃料ガス供給管49に連続的に設けられて、各加熱装置7の近傍に垂直に配設された配管43aと、各配管43aに連続的に形成されるとともに、ハウジング20内の上部にハウジング20の各側部に沿って垂直に配設された外観視矩形平板状の筺体43bとによって構成されている。そして、筺体43bの上部にそれぞれ接続管44が接続されるとともに、各接続管44がハウジング20内の上部に水平に配設された上部燃料熱交換器6に接続されている。
この上部燃料熱交換器6は、図3及び図4に示すように、燃料ガス等が流動するチャンバーが気密的に形成された外観視矩形平板状の扁平な缶体60を有しており、缶体60の細長状の側壁における各角部に接続管44が時計方向に向けて燃料ガス及び水蒸気を流入させるべくそれぞれ接続されている。
そして、缶体60内には、缶体60を構成する水平な矩形板からなる天板60a及び底板60bの間に、これらの天板60a及び底板60bよりも一回り小さく形成されて水平に配設された隔壁板61と、この隔壁板61の外周から下方に突出して、底板60bと一体的に設けられた側面板62とを具備した隔壁部材63が設けられている。
さらに、上部燃料熱交換器6は、隔壁板61の中央部に連通口61aが形成されるとともに、隔壁板61を貫通する4本のピン状の強度保持部材64を有しており、これらの強度保持部材64は、両端部が天板60a及び底板60bと一体的に設けられて、隔壁部材63の外周より一回り小さい外法を有する矩形角部に配設されている。
これにより、上部燃料熱交換器6は、隔壁部材63と天板60aとの間に、燃料ガス及び水蒸気を周方向に旋回混合させて混合ガスにする第1のチャンバー65が形成されており、この第1のチャンバー65は、缶体60の側壁に沿って周方向に形成された矩形環状の旋回流路65aと、この旋回流路65aに連続して、缶体60の天板60aと隔壁板61との隙間に形成された流路65bとを有している。
また、上部燃料熱交換器6は、その内部に第1のチャンバー65から隔離されて、隔壁部材63と底板60bとの間に混合ガス等を一次的に貯留する第2のチャンバー66が形成されており、第1のチャンバー65と第2のチャンバー66とが隔壁部材63によって気密的に区画されている。そして、第2のチャンバー66は、底板60bにおける連通口61aに臨む位置以外に開口66a〜66dが形成されるとともに、各開口66a〜66dに通じる供給管45a〜45dがそれぞれ接続されている。
これにより、第2のチャンバー66は、その内圧によって混合ガス等を、供給管45a〜45dを通じて、同供給管45a〜45dの下流端部に接続された改質器42に排出するようになっている。
この改質器42は、上述の縦横2列に配設された各スタックユニットの対向側面間にそれぞれ改質触媒が内蔵された扁平箱形の翼部42a、42b、42c、42dを有する十字型の燃料改質器30が最上段の燃料電池スタック13から最下段の燃料電池スタック13に近接する位置まで配設されている。これらの翼部42a〜42dは、それぞれ上端部の供給口に連通する上記供給管45a〜45dが接続されるとともに、それぞれハウジング20側の先端部に上記供給口に連通する排出口が形成されており、各排出口に上下方向に向けて配設された細長状の燃料バッファタンク47a〜47dが連通するように接続されている。これにより、翼部42a〜42dは、各供給管45a〜45dから供給された混合ガスを水素ガスに改質して、各燃料バッファタンク47a〜47dに供給するようになっており、これらの燃料バッファタンク47a〜47dは、マニホールド48を介して上述の燃料電池スタック13に接続されている。
これにより、燃料ガス供給手段4は、上述の燃料ガス供給管49の下流側に、上流側から下流側に向けて順に、側部燃料熱交換器43、接続管44、上部燃料熱交換器6、供給管45a〜45d及び改質器42が介装されている。
他方、発電セル11に酸素ガスを供給する酸化剤供給手段5は、ハウジング20の外方からハウジング20内に配設された空気供給管59を具備しており、この空気供給管59の下流部が4本に分枝して、それぞれ側部空気熱交換器53に接続されている。
これらの側部空気熱交換器53は、各加熱装置7の近傍にハウジング20の各角部に沿って垂直に配設された配管によって概略構成されており、これらの配管の上端部にそれぞれ接続管51を介して、上部空気熱交換器50が接続されている。
この上部空気熱交換器50は、概観視矩形平板状の扁平な缶体からなり、その下流側がバッファタンク52を介して燃料電池スタック13に接続されている。
また、縦横2列に配設されスタックユニットの外周には、加熱装置7との間に、ハウジング20の各側面に沿って、それぞれ遮熱板8がハウジング20内の高さ方向中央部に積層された上から2段目及び3段目の各燃料電池スタック13と同1段目の各燃料電池スタック13の下部とを覆うように6枚ずつ配設されている。
さらには、ハウジング20は、その上部中央に発電セル11からの残余のガスや水蒸気等を外部に放出する細管81が断熱部材10及び外部缶体2を貫通して接続されており、その下部中央に上記残余のガスや水蒸気等を全体的に下方に流動させ、放出する極太の排気管82が接続されている。
次いで、上述の実施の形態における固体酸化物形燃料電池の作用について、説明する。
まず、加熱装置7及び水蒸気発生器40を作動させるとともに、燃料ガス供給管49に燃料ガスとして都市ガスを、空気供給管59に空気をそれぞれ供給する。
すると、都市ガスは、燃料ガス供給管49を通じて、水蒸気供給管41から供給された水蒸気とともに、加熱装置7によって直接的及び間接的に加熱される側部燃料熱交換器43内に供給されて、昇温しつつ上昇し、接続管44を介して上部燃料熱交換器6に供給される。
その際、都市ガスは、缶体60の各角部から第1のチャンバー65に時計方向に供給されることにより、旋回流路65aにおいて水蒸気と混合されて混合ガスになりつつ、漸次、缶体60の外周側から内周側に向けて流動し、さらに流路65bに向けて流動するため、充分に加熱される。
そして、混合ガスは、流路65bの中央部まで流動すると、漸次、連通口61aから第2のチャンバー66に流入して、同チャンバー66において流動し、その後、内圧によって各開口66a〜66dから排出されるため、各供給管45a〜45dを通じて、改質器42の各翼部42a〜42dに均等的に流入する。
すると、混合ガスは、燃料ガスと水蒸気との混合割合に変動がなく、充分に昇温しているため、改質器42の各翼部42a〜42dにおいて高転化率かつ均一転化率で水素ガスに改質された後に、燃料バッファタンク47a〜47dに供給されて、マニホールド48を介して各燃料電池スタック13に供給される。
他方、空気は、側部空気熱交換器53に供給されて、昇温しつつ上昇し、接続管51を介して上部空気熱交換器50に供給される。そして、上部空気熱交換器50内において流動しつつ昇温した後に、バッファタンク52を介し、各燃料電池スタック13に供給される。
これにより、各燃料電池スタック13が上述の水素ガスや空気によって内部から加熱されるとともに、加熱装置7によっても加熱されて、400℃〜500℃に昇温しており、上述の水素ガスは、燃料ガス流路12aを通じて燃料極集電体32から燃料極層22に移動して、電子を放出するとともに、酸素ガスは、酸化剤流路12bを通じて空気極集電体33から空気極層23内を固体電解質層21に向けて移動しつつ、酸化物イオンとなり、発電反応が生じる。
上述の固体酸化物形燃料電池用の上部燃料熱交換器6によれば、缶体60内に連通口61aが形成された隔壁板61及びこの隔壁板61の外周から下方に突出して底板60bと一体的に設けられた側面板62を具備した隔壁部材63を設けることによって、第1のチャンバー65と第2のチャンバー66とを気密的に区画したため、燃料ガス及び水蒸気の流入直後の排出を防止して、燃料ガス等を旋回混合させるとともに、この旋回混合の間におけるハウジング上部の高温加熱空気による加熱によって燃料ガス等を充分に加熱することができる。
加えて、各接続管44を、缶体60の側壁の各角部に上記旋回方向に向けて接続したため、燃料ガス等の旋回流を乱すことなく、上記燃料ガス及び水蒸気を効率的に混合させることができる。また、底板60bにおける連通口61aに臨む位置以外に開口66a〜66dを形成したため、燃料ガスを充分に加熱した混合ガスとして一次的に第2のチャンバー66に貯留して、内圧によって同開口66a〜66dから供給管45a〜45dを通じて改質器42の各翼部42a〜42dに均等に供給することができる。
このため、燃料ガスを、各翼部42a〜42dにおいて高い転化率で均等に水素ガスに改質することができ、その結果、所望量の水素ガスを各燃料電池スタック13に均等に供給して、全ての燃料電池スタック13の発電効率を最大にすることができる。
なお、本発明は、上述の実施の形態に何ら限定されるものではなく、例えば、上述の連通口61aが隔壁板61の中央部に複数形成されていてもよい。
本発明に係る上部燃料熱交換器を具備する固体酸化物形燃料電池を示す縦断面模式図である。 図1のII−II線矢示図である。 上部燃料熱交換器の一部破断平面模式図である。 上部燃料熱交換器の一部破断側面模式図である。 燃料電池スタック13の要部説明図である。 一般的な固体酸化物形燃料電池を示す縦断面模式図である。
符号の説明
4 燃料ガス供給手段
6 上部燃料熱交換器
10 断熱部材(断熱材)
13 燃料電池スタック
20 ハウジング
60 缶体
61 隔壁部材
61a 連通口
65 第1のチャンバー
66 第2のチャンバー

Claims (3)

  1. 外周が断熱材で覆われてなるハウジング内に、発電セル及びセパレータを交互に積層してなる複数の燃料電池スタックと、これらの燃料電池スタックに燃料ガスを水蒸気との吸熱反応により水素に改質して供給する改質器を備えた燃料ガス供給手段と、この燃料ガス供給手段に介装されて、上記燃料電池スタックの上方に配設され、内部に上記燃料ガス及び水蒸気を流動させるとともに、上記ハウジング内の熱を吸収して上記燃料ガス及び水蒸気を加熱する扁平な缶体を有する上部燃料熱交換器とが収容された燃料電池であって、
    上記上部燃料熱交換器内に、上記缶体内の外周部に形成され、上記燃料ガス供給手段から上記缶体の壁面に形成された供給口を通じて供給された上記燃料ガス及び上記水蒸気を周方向に旋回させることにより上記燃料ガス及び上記水蒸気が効率的に混合された混合ガスにする第1のチャンバーと、上記缶体内の中央部に形成され、上記混合ガスを上記燃料ガス供給手段の上記改質器に供給する第2のチャンバーとが隔壁部材によって区画されるとともに、上記隔壁部材には、上記第1のチャンバーの上記混合ガスを上記第2のチャンバーに流入させる連通口が形成されていることを特徴とする燃料電池。
  2. 上記上部燃料熱交換器は、上記缶体が平面視矩形状に形成されるとともに、各角部に上記供給口が上記旋回方向に向けて上記燃料ガス及び上記水蒸気を供給するように形成され、
    上記隔壁部材は、有天筒状に形成され、下部が上記缶体の底部と一体的に形成されるとともに、天井部に上記連通口が形成されており、かつ
    上記第2のチャンバーは、上記隔壁部材と上記缶体の底部との間に形成されるとともに、上記缶体の底部における上記連通口に臨む位置以外に上記混合ガスを排出する開口が形成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。
  3. 上記燃料ガス供給手段は、上記上部燃料熱交換器の下流側に上記燃料ガスを水素に改質して、上記複数の燃料電池スタックに分配供給する改質器が接続され、かつ
    この改質器には、上記分配供給する複数の排出口が形成されるとともに、各排出口に連通する供給口がそれぞれ形成されており、当該各供給口に対応して上記上部燃料熱交換器の開口が複数形成されていることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池。
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