JP5395488B2 - 燃料電池装置 - Google Patents
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Description
図1〜図5は実施形態1を示す。本実施形態は、固体酸化物型の燃料電池装置に適用した例を示す。図1は実施形態1に係る燃料電池装置の概念を示す。燃料電池装置1は、複数の燃料電池が厚み方向に積層されて長手方向(図1の紙面垂直方向)に沿って延設されたスタック2を有する。燃料電池装置1は、基体3と、基体3の配置室30にスペーサを兼ねるシール部20wを介して収容された燃料電池20で形成されたスタック2と、基体3の配置室30においてスタック2の上側に配置された改質器4と、スタック2の上面と改質器4の下面との間に形成された燃焼用空間5と、スタック2の外側に配置された断熱材料で形成された断熱層6と、断熱層6の外側に配置された排気ガス通路7と、排気ガス通路7の外側に配置されたカソードガス通路8とを有する。ここで、排気ガス通路7およびカソードガス通路8は、スタック2の長手方向(図1の紙面垂直方向,燃料電池の積層方向)に沿って延設されている。排気ガス通路7は、互いに対面する板状をなす通路形成部材701,702で形成されている。カソードガス通路8は、互いに対面する板状をなす通路形成部材801,701で形成されている。
CH4+H2O→3H2+CO
CnHmが炭化水素の一般的な化学式であるとすると、水蒸気改質の一般式は次の(1−1)式のようになる。n=1、m=4であると、メタンの水蒸気改質の式が得られる。
生成された水素を含有するアノードガスは、アノードガス通路25およびアノードガスマニホルド24を介して、燃料電池20のアノードの入口に供給されて発電に使用される。またカソードガスポンプ95(カソードガス搬送源)が駆動しているため、空気であるカソードガスが、図1に示すように矢印C1方向,矢印C2方向,矢印C3方向,矢印C4方向,矢印C5方向,矢印C6方向に沿って、カソードガス通路8の第1通路81、第2通路82および対向通路83を流れ、カソードガス通路8の先端の出口84からスタック2のカソードの下部の入口に供給され、さらに、スタック2のカソードの内部を上向き(図1に示す矢印U1方向)に通過しつつ、カソードの発電反応に使用される。発電反応後のカソードオフガスは、スタック2のカソードの上面から燃焼用空間5に排出される。これに対して、改質部22で生成されたアノードガスは、アノードガスマニホルド24からスタック2のアノードを上向きに通過しつつ、アノードの発電反応に使用される。これにより燃料電池20は発電する。発電反応においては、水素含有ガスで供給されるアノードでは、基本的には(2)の反応が発生ると考えられている。酸素を含む空気が供給されるカソードでは、基本的には(3)の反応が発生すると考えられている。カソードにおいて発生した酸素イオン(O2−)がカソード22からアノードに向けて電解質(酸素イオン伝導体,イオン伝導体)を伝導する。
COが含まれている場合には、CO+O2−→CO2+2e−
(3)…1/2O2+2e−→O2−
上記した発電反応後のカソードオフガスは未反応の酸素を含有しており、スタック2のカソードの上部から燃焼用空間5に吐出される。同様に、発電反応後のアノードオフガスは未反応の燃焼成分(水素)を含有しており、スタック2のアノードの上面から燃焼用空間5に排出される。この結果、燃焼用空間5においてアノードオフガスはカソードオフガスにより燃焼し、燃焼火炎50を形成する。燃焼火炎50により、改質部42および蒸発部40が加熱される。これにより改質部42における改質反応が維持され、蒸発部40において水蒸気生成反応が維持される。なお、(2)の反応式によれば、アノードオフガスは水分(H2O)を含むことがある。本実施形態によれば、スタック2のアノードに供給されるアノードガス、すなわち、改質部42に供給される燃料原料の流量としては、燃料電池20のアノードにおける発電反応で使用される流量と、燃焼用空間5においてアノードオフガスが燃焼火炎50を形成する流量とを含む流量が設定されている。カソードガスの流量の流量としては、燃料電池20のカソードにおける発電反応で使用される流量と、燃焼用空間5においてカソードオフガスが燃焼用空気として燃焼火炎50を形成する流量と、余裕流量とを加算した流量が設定されている。
図6は実施形態2を示す。本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、異なる部位を中心として説明する。図6は燃料電池装置1の要部の断面を示す。図6に示すように、カソードガス通路8を形成する通路形成部材701は、対向通路83を形成する通路形成部分701kを有する。燃焼用空間5は、対向通路83および通路形成部分701kを挟むように、第1燃焼用空間5fおよび第2燃焼用空間5sを有する。図6に示すように、カソードガス通路8の対向通路83を形成する通路形成部分701kには、連通路87を有する筒体88が溶接または取付具等で複数個固定されている。連通路87は第1燃焼用空間5fと第2燃焼用空間5sとを連通させており、図6の紙面の垂直方向において、間隔を隔てて間欠的に複数個形成されている。連通路87により、第1燃焼用空間5fおよび第2燃焼用空間5sとの連通性が良好に確保される。
図7および図8は実施形態3を示す。本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、異なる部位を中心として説明する。図7は燃料電池装置1の断面を示す。カバー部材210の一端部である下端部205は、断熱性を有する固定部350に溶接または取付具により固定されている。カバー部材210の他端部である上端部206は自由端状をなしており、改質部42の側面42mに気密的に当接している。具体的には、カバー部材210の上端部206は、改質部42に向けて付勢力F1(図8)を発揮させる板バネとしても機能できる。カバー部材210の上端部206のバネ性により、上端部206に形成された突起208の頂面209は、改質部42の側面42mに気密的に当接し、シールポイントを形成している。なお、突起208は、図7および図8の紙面垂直方向に沿って、すなわち、改質部42の長さ方向に沿って、連続的に延設されていることが好ましい。
図9は実施形態4を示す。本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、異なる部位を中心として説明する。図9は燃料電池装置1の断面を示す。断熱層6がカバー部材として機能する。すなわち、断熱層6の上端部6uが改質部42の側面42m(改質器の側面)にあてがわれており、燃焼火炎50を燃焼させる燃焼用空間5を覆う。このためカバー部材として機能する断熱層6は、燃焼用空間5の排気ガスが第1接触通路70fに向かうこと無く、直接的に下流通路73の入口72に向かう短絡を抑える。これにより燃焼用空間5の排気ガスを接触通路70の第1接触通路70fに効率よく向かわせることができる。すなわち、燃焼用空間5の高温の排気ガスが接触通路70の第1接触通路70f以外の部位に流れることが抑制される。すなわち、排気ガスの全部またはほとんど全部は、接触通路70の第1接触通路70fに向かうことになる。このため接触通路70の第1接触通路70fを流れる排気ガスの流量が増加する。従って、接触通路70の第1接触通路70fを流れる排気ガスと改質部42の側面42sとの熱交換効率が向上し、改質部42の加熱効率が高められる。蒸発部40についても同様である。
図10は実施形態5を示す。本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、異なる部位を中心として説明する。図10に示すように、カバー部材210は、高さ方向に延びると共に下端部205が固定部350に溶接または取付具で固定された金属製のカバー本体209と、カバー本体209の上方の先端から改質部42に向けてL字形状にプレス成形で曲成された曲成部211とを有する。曲成部211は改質器4(改質部42の上面42u)に溶接または取付具で固定されており、厚み方向に貫通する貫通孔を有しない。カバー部材210はプレス成形で成形された突起状の成形部216を有する。万一、カバー部材210がその長さ方向に熱膨張および熱収縮したとしても、成形部216の変形により熱膨張および熱収縮を吸収して緩和できる。図10に示すように、カバー部材210の上端の曲成部211は改質部の上面42u,蒸発部40の上面40uに気密的に接触してシールしている。このため燃焼用空間5から吐出された排気ガスが燃焼用空間5から排気ガス通路7の入口72に直接的に且つ短絡的に流れることが抑えられる。この結果、燃焼用空間5の排気ガスを接触通路70の第1接触通路70fに向かわせる。
図11および図12は実施形態6を示す。本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、異なる部位を中心として説明する。図11に示すように、カバー部材210は、高さ方向に延びるカバー本体209と、カバー本体209の先端から改質部42に向けて曲成された曲成部211とを有する。曲成部211は複数個の貫通孔213を有する。貫通孔213は曲成部211に沿って矢印L方向に延びるスリット状としても良い。この場合、排気ガスと改質器4とを積極的に接触させる接触通路70は、(i)カソードガス通路8の対向通路83と改質部42の側面42sとの間に形成された第1接触通路70fと、(ii)改質部42の上面42uに接触する第2接触通路70sと、(iii)カバー部材210の表面201と改質部42の側面42m(蒸発部40の側面40m)と曲成部211との間に形成され排気ガスと側面42mとを接触させる第3接触通路70tとを有する。図11に示すように、カバー部材210の曲成部211は、改質器4の上面、すなわち、改質部42の上面42u,蒸発部40の上面40uに接触している。この場合、カバー部材210の曲成部211は、改質部42の上面42uおよび蒸発部40の上面40uに固定されていても良いし、固定されず気密的に接触しているだけでも良い。
本実施形態は上記した各実施形態と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有するため、図1〜図12を準用することができる。以下、異なる部位を中心として説明する。カバー部材210のうち少なくとも第2通路320を形成する表面201については、スタック2および/または燃焼火炎50からの輻射熱を吸収させる吸収率を高める輻射熱吸収化処理が施されていることが好ましい。輻射熱吸収化処理としては、例えば、カバー部材210のうち少なくとも第2通路320を形成する表面201を黒色または疑似黒色とすることが例示される。また表面201を粗面化(Raで50マイクロメートル以上、100マイクロメートル以上)して受熱面積を増加させること、プレス成形などによるディンプル化が例示される。これによりカバー部材210の表面201における輻射熱吸収性が高まる。この結果、第2通路320を通過するカソードガスの昇温性を高めるのに有利となる。ひいては、燃焼用空間5における燃焼性を高めることができる。
本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有するため、図1〜図12を準用することができる。以下、異なる部位を中心として説明する。カバー部材210のうち少なくとも第2通路320を形成する表面201については、スタック2および/または燃焼火炎50からの輻射熱を反射させる反射率を高めるように輻射熱反射化処理されていることが好ましい。具体的には、表面201の表面粗さはRaで20マイクロメール以下、殊に10マイクロメール以下にされており、鏡面化されていることが好ましい。更に、表面201は、白色、灰色、白っぽい色とされていることが好ましい。このためカバ部材210の表面201は、スタック2および/または燃焼火炎50の輻射熱を効率よく反射させることができる。よってスタック2および/または燃焼火炎50の放熱が抑えられ、スタック2および/または燃焼火炎50の温度ができるだけ高温に維持されることが期待される。
本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有するため、図1〜図12を準用することができる。以下、異なる部位を中心として説明する。対向通路83を形成する通路形成部分701kは、スタック2の側面2kおよび燃焼火炎50に対向しているため、スタック2および燃焼火炎50より加熱される。この場合、通路形成部分701kについては、スタック2および/または燃焼火炎50からの輻射熱を吸収させる吸収率を高める輻射熱吸収化処理が施されていることが好ましい。例えば、通路形成部分701kのうちスタック2および/または燃焼火炎50に対面する表面を、黒色化または疑似黒色化できる。またも当該表面を粗面化(Raで50マイクロメートル以上、100マイクロメートル以上)できる。この場合、通路形成部分701kの昇温性が高まり、対向通路83を流れるカソードガスを加熱させる加熱効率を高めるのに有利である。
Claims (3)
- 燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質部と、
前記改質部で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電し且つアノードオフガスを燃焼用空間で燃焼させた燃焼火炎で前記改質部を加熱させる燃料電池と、
前記改質部で生成された前記アノードガスを前記燃料電池の内部に供給するアノードガス通路と、
カソードガスを前記燃料電池のカソードに供給するカソードガス通路と、
前記燃焼用空間の燃焼排気ガスを前記改質部に接触させる接触通路と前記接触通路の下流に位置すると共に排気ガス出口に向かう下流通路とを有する排気ガス通路と、
前記燃焼火炎が燃焼する前記燃焼用空間を覆うと共に、前記燃焼用空間の燃焼排気ガスが前記接触通路に流れることを促進し、且つ、前記燃焼用空間の燃焼排気ガスを前記接触通路を経由させて前記下流通路に向かわせるカバー部材とを具備し、
前記燃焼用空間は前記カソードガス通路を形成する通路形成部材を挟むように第1燃焼用空間および第2燃焼用空間を有しており、
前記カソードガス通路を形成する通路形成部材は前記第1燃焼用空間と前記第2燃焼用空間とを連通させる連通路を有し、
前記第1燃焼用空間および前記第2燃焼用空間はそれぞれ、前記カバー部材と前記通路形成部材とで挟むように配置されている燃料電池装置。 - 請求項1において、前記カソードガス通路は前記燃料電池に対向すると共に前記燃料電池から受熱する対向通路を有しており、前記燃料電池と前記対向通路との間には、前記カソードガス通路の前記対向通路から供給され且つ前記燃料電池のカソードに流入されなかったカソードガスを前記燃焼用空間に向けて流す第1通路が設けられており、前記第1通路において前記カソードガスが流れる方向と前記カソードガス通路の前記対向通路において前記カソードガスが流れる方向とは、互いに逆向きである燃料電池装置。
- 請求項1において、前記カソードガス通路は前記燃料電池に対向すると共に前記燃料電池から受熱する対向通路を有しており、前記燃料電池と前記カバー部材との間には、前記カソードガス通路の前記対向通路から供給され且つ前記燃料電池のカソードに流入されなかった前記カソードガスを前記燃焼用空間に向けて流す第2通路が設けられている燃料電池装置。
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