JP2016009618A - Fuel cell module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体酸化物型燃料電池モジュールに関し、特に、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電する燃料電池モジュールに関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell module, and more particularly to a fuel cell module that generates power by reacting a fuel gas and an oxidant gas.
固体酸化物型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」とも言う)は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤ガス(空気、酸素等)を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。 A solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as “SOFC”) uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, attaches electrodes on both sides thereof, and supplies fuel gas on one side, The fuel cell operates at a relatively high temperature by supplying an oxidant gas (air, oxygen, etc.) to the other side.
特開2010−238430号公報(特許文献1)には、燃料電池装置が記載されている。この燃料電池装置においては、複数の燃料電池セルからなる燃料電池セルスタックの上方に、箱形の改質器が配置されている。この燃料電池装置においては、各燃料電池セルにおいて発電に使用されずに残った燃料ガス(オフガス)が、各燃料電池セルの上端から流出され、そこで燃焼される。このオフガスの燃焼熱により、燃料電池セルスタックの上方に配置された改質器が加熱される。 Japanese Patent Laying-Open No. 2010-238430 (Patent Document 1) describes a fuel cell device. In this fuel cell device, a box-shaped reformer is disposed above a fuel cell stack composed of a plurality of fuel cells. In this fuel cell device, the fuel gas (off gas) remaining without being used for power generation in each fuel cell flows out from the upper end of each fuel cell and burns there. The reformer disposed above the fuel cell stack is heated by the combustion heat of the off gas.
一方、特開2014−72053号公報(特許文献2)には、固体酸化物型燃料電池装置が記載されている。この燃料電池装置においては、複数の燃料電池セルを収容した発電室の周囲に環状の燃料ガス供給流路が形成されており、この燃料ガス供給流路の上端部に燃料ガス改質用の触媒を充填しておくことにより、改質部を構成している。 On the other hand, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2014-72053 (Patent Document 2) describes a solid oxide fuel cell device. In this fuel cell device, an annular fuel gas supply channel is formed around a power generation chamber that houses a plurality of fuel cells, and a fuel gas reforming catalyst is formed at the upper end of the fuel gas supply channel. The reforming part is configured by filling the material.
しかしながら、特開2010−238430号公報記載の燃料電池装置においては、燃料電池モジュール内で、燃料電池セルの上部空間に改質器を配置している。この構成においては、燃料電池セル上端部でオフガスを燃焼させ、この燃焼熱により直接改質器を加熱しているため、専用の改質器加熱用のバーナーが必要ないというメリットがある。しかしながらこの構造においては、各燃料電池セルの上端部におけるオフガスの燃焼により改質器を加熱しているため、改質器に近接する燃料電池セルの上端が改質器の吸熱反応によって冷却され、この冷却影響を燃料電池セルの上端が受け、燃料電池セルの上下方向で温度ムラが大きく発生するという問題がある。 However, in the fuel cell device described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-238430, a reformer is disposed in the upper space of the fuel cell in the fuel cell module. In this configuration, the off-gas is burned at the upper end of the fuel cell, and the reformer is directly heated by this combustion heat. Therefore, there is an advantage that a dedicated reformer heating burner is not necessary. However, in this structure, since the reformer is heated by the combustion of off-gas at the upper end of each fuel cell, the upper end of the fuel cell adjacent to the reformer is cooled by the endothermic reaction of the reformer, There is a problem in that the upper end of the fuel cell is affected by this cooling, and the temperature unevenness is greatly generated in the vertical direction of the fuel cell.
一方、特開2014−72053号公報記載の燃料電池装置においては、各燃料電池セルの上部側方を取り囲むように改質触媒を配置している。そのため、高温になりがちな燃料電池セルの上部全体に対して吸熱反応を作用させるため、燃料電池セルの上端だけが冷却されるということはなく、高温の燃料電池セルの上部の冷却が可能となるため上下方向における温度ムラを是正することが可能となり、優れた構造であると言える。 On the other hand, in the fuel cell device described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-72053, the reforming catalyst is arranged so as to surround the upper side of each fuel cell. Therefore, an endothermic reaction is applied to the entire upper part of the fuel cell that tends to become high temperature, so that only the upper end of the fuel cell is not cooled, and it is possible to cool the upper part of the high-temperature fuel cell. Therefore, it is possible to correct the temperature unevenness in the vertical direction, and it can be said that the structure is excellent.
しかしながら、特開2014−72053号公報記載の燃料電池装置においてももう一段高い温度ムラ対策が望まれているものであった。具体的には、改質部における冷却の影響が、高温の燃料電池セル上部にのみ及ぶということはメリットであるが、やはり過剰な冷却影響は問題がある。この問題を解決するためには改質器と燃料電池セルの距離は離すなどの対策を図れば解決できるが、モジュール容器の小型化を図るという目的に対しては課題の残るものであった。 However, in the fuel cell device described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-72053, an even higher temperature unevenness countermeasure is desired. Specifically, it is a merit that the effect of cooling in the reforming section only affects the upper part of the high-temperature fuel battery cell, but excessive cooling influence is still problematic. In order to solve this problem, it can be solved by taking measures such as increasing the distance between the reformer and the fuel cell, but there remains a problem for the purpose of downsizing the module container.
従って、本発明は、改質部を速やかに加熱しながら、各燃料電池セルに対する改質部の過剰な冷却影響を抑制することができ、かつ燃料電池モジュールの小型化も実現できる更なる実用性に富んだ燃料電池モジュールを提供することを目的としている。 Therefore, the present invention can further suppress the influence of excessive cooling of the reforming section on each fuel cell while rapidly heating the reforming section, and can further reduce the size of the fuel cell module. An object is to provide a fuel cell module rich in water.
上述した課題を解決するために、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電する燃料電池モジュールであって、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させる複数の固体酸化物型燃料電池セルと、これら複数の固体酸化物型燃料電池セルを収容した発電室と、この発電室の少なくとも一部を取り囲むように、複数の固体酸化物型燃料電池セルと概ね平行に形成された第1燃料ガス通路と、この第1燃料ガス通路内に燃料ガスを水蒸気改質する改質用触媒を配置することにより構成された改質部と、この改質部の少なくとも一部を取り囲むように設けられ、発電室から排出される排気ガスを導くことにより、改質部を加熱する排気ガス通路と、第1燃料ガス通路の内側に、第1燃料ガス通路に沿って形成され、改質部において改質された燃料ガスを複数の固体酸化物型燃料電池セルに導く第2燃料ガス通路と、を有することを特徴としている。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a fuel cell module that generates power by reacting a fuel gas and an oxidant gas, and a plurality of solid oxide fuel cells that react the fuel gas and the oxidant gas. A cell, a power generation chamber containing the plurality of solid oxide fuel cells, and a first power cell formed substantially parallel to the plurality of solid oxide fuel cells so as to surround at least a part of the power generation chamber. A fuel gas passage, a reforming portion configured by disposing a reforming catalyst for steam reforming the fuel gas in the first fuel gas passage, and at least a part of the reforming portion are provided to surround the fuel gas passage. The exhaust gas exhausted from the power generation chamber is guided to form an exhaust gas passage for heating the reforming section and an inner side of the first fuel gas passage along the first fuel gas passage. Modified It is characterized by having a second fuel gas passage for introducing a fuel gas into a plurality of solid oxide fuel cells, a.
このように構成された本発明においては、供給された燃料ガスは、第1燃料ガス通路に流入し、この第1燃料ガス通路内に配置された改質部において水蒸気改質される。改質部は、その少なくとも一部を取り囲むように設けられ、発電室から排出される排気ガスを導く排気ガス通路を通る排気ガスによって加熱される。改質部において改質された燃料ガスは、第1燃料ガス通路の内側に形成された第2燃料ガス通路を通って、発電室内に収容された複数の固体酸化物型燃料電池セルに導かれる。 In the present invention configured as described above, the supplied fuel gas flows into the first fuel gas passage, and is steam reformed in the reforming section disposed in the first fuel gas passage. The reforming unit is provided so as to surround at least a part thereof, and is heated by the exhaust gas passing through the exhaust gas passage that guides the exhaust gas discharged from the power generation chamber. The fuel gas reformed in the reforming section is guided to a plurality of solid oxide fuel cells housed in the power generation chamber through a second fuel gas passage formed inside the first fuel gas passage. .
このように構成された本発明によれば、改質部の少なくとも一部を取り囲むように、排気ガス通路が設けられているので、改質部を排気ガスの熱により速やかに温度上昇させることができ、燃料電池モジュールの起動後、早期に水蒸気改質反応を発生させることができる。また、改質部が設けられた第1燃料ガス通路の内側に沿って第2燃料ガス通路が形成されているので、改質部内で発生した水蒸気改質反応による熱影響が発電室内の固体酸化物型燃料電池セルに及ぶのを抑制することができる。さらに、第2燃料ガス通路内を改質された燃料ガスが流れることにより、その外側に設けられた改質部の温度ムラを抑制することができると共に、改質された燃料ガスと、水蒸気改質反応に使用されずに残った水蒸気を十分に混合させることができる。 According to the present invention configured as described above, since the exhaust gas passage is provided so as to surround at least a part of the reforming section, the temperature of the reforming section can be quickly raised by the heat of the exhaust gas. The steam reforming reaction can be generated early after the fuel cell module is started. In addition, since the second fuel gas passage is formed along the inner side of the first fuel gas passage provided with the reforming section, the heat effect caused by the steam reforming reaction generated in the reforming section is caused by the solid oxidation in the power generation chamber. It can suppress that it reaches a physical fuel cell. Furthermore, the reformed fuel gas flows in the second fuel gas passage, so that temperature unevenness in the reforming portion provided outside the second fuel gas passage can be suppressed, and the reformed fuel gas and steam reforming can be suppressed. Water vapor remaining without being used in the quality reaction can be sufficiently mixed.
本発明において、好ましくは、第1燃料ガス通路と第2燃料ガス通路は、それらの上部において連通され、第1燃料ガス通路内を上方に向かって流れながら改質された燃料ガスは、第2燃料ガス通路内を下方に向かって流れた後、複数の固体酸化物型燃料電池セルに供給される。 In the present invention, preferably, the first fuel gas passage and the second fuel gas passage communicate with each other at an upper portion thereof, and the fuel gas reformed while flowing upward in the first fuel gas passage is the second fuel gas passage. After flowing downward in the fuel gas passage, it is supplied to a plurality of solid oxide fuel cells.
このように構成された本発明によれば、改質部において生成された水素ガスを豊富に含む燃料ガスが、第2燃料ガス通路内を上昇しようとする力に抗して下方向かって流れるので、気体成分中における水素の移動速度が低下され水素と水蒸気の混合性を高めることができる。また、第2燃料ガス通路内を流れる燃料ガスが発電室内の熱によって加熱されるので、固体酸化物型燃料電池セルに導入される燃料ガスを適温に温度上昇させることができる。 According to the present invention configured as described above, the fuel gas containing abundant hydrogen gas generated in the reforming section flows downward against the force to rise in the second fuel gas passage. The moving speed of hydrogen in the gas component is reduced, and the mixing property of hydrogen and water vapor can be improved. Further, since the fuel gas flowing in the second fuel gas passage is heated by the heat in the power generation chamber, the temperature of the fuel gas introduced into the solid oxide fuel cell can be raised to an appropriate temperature.
本発明の燃料電池モジュールによれば、改質部を速やかに加熱しながら、各燃料電池セルに対する改質部の熱の影響を抑制することができる。 According to the fuel cell module of the present invention, it is possible to suppress the influence of the heat of the reforming unit on each fuel cell while rapidly heating the reforming unit.
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による燃料電池モジュールを備えた固体酸化物型燃料電池装置(SOFC)を説明する。
図1は、本発明の一実施形態による燃料電池モジュールを備えた固体酸化物型燃料電池装置(SOFC)を示す全体構成図である。この図1に示すように、固体酸化物型燃料電池装置(SOFC)1は、本発明の一実施形態による燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。
Next, a solid oxide fuel cell device (SOFC) including a fuel cell module according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is an overall configuration diagram illustrating a solid oxide fuel cell apparatus (SOFC) including a fuel cell module according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a solid oxide fuel cell apparatus (SOFC) 1 includes a
燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備え、このハウジング6内部には、外側断熱材7を介して燃料電池セル収容容器8が配置されている。この燃料電池セル収容容器8内の内部には発電室10が構成され、この発電室10の中には複数の燃料電池セル16が同心円状に配置されており、これらの燃料電池セル16により、燃料ガスと酸化剤ガスである空気の発電反応が行われる。
The
各燃料電池セル16の上端部には、排気集約室18が取り付けられている。各燃料電池セル16において発電反応に使用されずに残った残余の燃料(オフガス)は、上端部に取り付けられた排気集約室18に集められ、この排気集約室18の上部に設けられた複数の噴出口から流出される。流出した燃料は、発電室10内で発電に使用されずに残った空気により燃焼され、排気ガスが生成されるようになっている。
An
次に、補機ユニット4は、水道等の水供給源24からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク26と、この純水タンクから供給される水の流量を調整する水供給装置である水流量調整ユニット28(モータで駆動される「水ポンプ」等)を備えている。また、補機ユニット4は、都市ガス等の燃料供給源30から供給された炭化水素系の原燃料ガスの流量を調整する燃料供給装置である燃料ブロア38(モータで駆動される「燃料ポンプ」等)を備えている。
Next, the auxiliary unit 4 stores a water from a
なお、燃料ブロア38を通過した原燃料ガスは、燃料電池モジュール2内に配置された脱硫器36を介して外側燃料ガス供給流路20b(図2)に供給される。また、脱硫器36においては、原燃料ガスに水素ガスを添加しておくことにより、原燃料ガス中の硫黄成分を除去することができる。このため、補機ユニット4には、原燃料ガスに水素ガスを添加するための凝縮器33、オリフィス34及び電磁弁35が内蔵されている。これらの構成及び作用については後述する。
The raw fuel gas that has passed through the
また、補機ユニット4は、空気供給源40から供給される空気の流量を調整する酸化剤ガス供給装置である空気流量調整ユニット45(モータで駆動される「空気ブロア」等)を備えている。 The auxiliary unit 4 also includes an air flow rate adjustment unit 45 (such as an “air blower” driven by a motor) that is an oxidant gas supply device that adjusts the flow rate of air supplied from the air supply source 40. .
さらに、補機ユニット4には、燃料電池モジュール2からの排気ガスの熱を回収するための温水製造装置50が備えられている。この温水製造装置50には、水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
さらに、燃料電池モジュール2には、燃料電池モジュール2により発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54が接続されている。
Further, the auxiliary unit 4 is provided with a hot
Furthermore, the
次に、図2及び図3により、本発明の実施形態による燃料電池モジュール2に内蔵された燃料電池セル収容容器の内部構造を説明する。図2は燃料電池モジュール2の断面図であり、図3は燃料電池セル収容容器の主な部材を分解して示した断面図である。
図2に示すように、燃料電池セル収容容器8内の空間には、複数の燃料電池セル16が同心円状に配列され、その周囲を取り囲むように第2燃料ガス通路である内側燃料ガス供給流路20a、第1燃料ガス通路である外側燃料ガス供給流路20b、排気ガス通路である排ガス排出流路21、酸化剤ガス供給流路22が順に同心円状に形成されている。
Next, the internal structure of the fuel cell housing container built in the
As shown in FIG. 2, a plurality of
まず、図2に示すように、燃料電池セル収容容器8は、概ね円筒状の密閉容器であり、その側面には、発電用の空気を供給する酸化剤ガス流入口である酸化剤ガス導入パイプ56が接続され、底面には、排気ガスを排出する排ガス排出パイプ58が接続されている。
First, as shown in FIG. 2, the fuel
図2及び図3に示すように、燃料電池セル収容容器8の内部には、燃料電池セル16の周囲を取り囲むように、内側から順に、発電室構成部材である内側円筒部材64、外側円筒部材66、内側円筒容器68、外側円筒容器70が配置されている。上述した内側燃料ガス供給流路20a、外側燃料ガス供給流路20b、排ガス排出流路21、及び酸化剤ガス供給流路22は、これらの円筒部材及び円筒容器の間に夫々構成される流路であり、隣り合う流路の間で熱交換が行われる。即ち、内側燃料ガス供給流路20aは発電室10を取り囲むように配置され、外側燃料ガス供給流路20bは内側燃料ガス供給流路20aを取り囲むように配置され、排ガス排出流路21は外側燃料ガス供給流路20bを取り囲むように配置され、酸化剤ガス供給流路22は排ガス排出流路21を取り囲むように配置されている。また、燃料電池セル収容容器8の下端側の空間には、排ガス排出流路21によって導かれた排気ガスが流入する排気ガス室23が設けられている。
As shown in FIGS. 2 and 3, inside the fuel
内側円筒部材64は、概ね円筒状の中空体であり、その上端及び下端は開放されている。また、内側円筒部材64の内壁面には、分散室形成板である円形の第1固定部材63が気密的に溶接されている。この第1固定部材63の下面と、内側円筒部材64の内壁面と、分散室底部材72の上面により、燃料ガス分散室76が画定される。また、第1固定部材63には、各々燃料電池セル16を挿通させる複数の挿通穴63aが形成されており、各燃料電池セル16は、各挿通穴63aに挿通された状態で、セラミック接着剤により第1固定部材63に接着されている。このように、本実施形態の固体酸化物型燃料電池装置1においては、燃料電池モジュール2を構成する部材間相互の接合部には、セラミック接着剤が充填され、硬化されることにより、各部材が相互に気密的に接合されている。
The inner
外側円筒部材66は、内側円筒部材64の周囲に配置される円筒状の管であり、内側円筒部材64との間に円環状の流路が形成されるように、内側円筒部材64と概ね相似形に形成されている。さらに、内側円筒部材64と外側円筒部材66の間には中間円筒部材65が配置されている。中間円筒部材65は、内側円筒部材64と外側円筒部材66の間に配置された円筒状の管である。中間円筒部材65の外周面と外側円筒部材66の内周面と間の空間上部には改質部94が構成されている。また、中間円筒部材65の内周面と内側円筒部材64の外周面の間の円環状の空間は内側燃料ガス供給流路20aとして機能し、改質部94の下方の空間は外側燃料ガス供給流路20bとして機能する。このため、内側燃料ガス供給流路20aは燃料電池セル16における発熱、及び排気集約室18上端における残余燃料の燃焼により熱を受ける。また、外側燃料ガス供給流路20b及びその中に設けられた改質部94は、残余燃料の燃焼により生成された燃焼ガスが流れる排ガス排出流路21により熱を受ける。なお、内側円筒部材64の上端部と外側円筒部材66の上端部は溶接により気密的に接合されており、内側燃料ガス供給流路20aと外側燃料ガス供給流路20bは、上端で折り返すように連結されている。さらに、中間円筒部材65の下端と、内側円筒部材64の外周面は、溶接により気密的に接合されている。
The outer
内側円筒容器68は、外側円筒部材66の周囲に配置される円形断面のカップ状の部材であり、外側円筒部材66との間にほぼ一定幅の円環状の流路が形成されるように、側面が外側円筒部材66と概ね相似形に形成されている。この内側円筒容器68は、内側円筒部材64の上端の開放部を覆うように配置される。外側円筒部材66の外周面と、内側円筒容器68の内周面の間の円環状の空間は、排ガス排出流路21(図2)として機能する。この排ガス排出流路21は、内側円筒部材64の上端部に設けられた複数の小穴64aを介して内側円筒部材64の内側の空間と連通している。また、外側円筒部材66の下部内周面と、内側円筒部材64の下部外周面を接続するように、排気ガス横断通路23aが設けられている。この排気ガス横断通路23aにより、外側燃料ガス供給流路20bを横断して、排ガス排出流路21と排気ガス室23が連通される。
The inner
排ガス排出流路21の下部には、燃焼触媒器60及びこれを加熱するためのヒーターであるシースヒーター61が配置されている。
燃焼触媒器60は、排気ガス横断通路23aよりも上方に、外側円筒部材66の外周面と内側円筒容器68の内周面の間の円環状の空間に充填された触媒である。排ガス排出流路21を下降した排気ガスは、燃焼触媒器60を通過することにより一酸化炭素が除去され、排気ガス横断通路23aを通って排気ガス室23に流入する。
シースヒーター61は、燃焼触媒器60の下方の、外側円筒部材66の外周面を取り囲むように取り付けられた電気ヒーターである。固体酸化物型燃料電池装置1の起動時において、シースヒーター61に通電することにより、その近傍に配置されている燃焼触媒器60が活性温度まで加熱される。
A
The
The
外側円筒容器70は、内側円筒容器68の周囲に配置される円形断面のカップ状の部材であり、内側円筒容器68との間にほぼ一定幅の円環状の流路が形成されるように、側面が内側円筒容器68と概ね相似形に形成されている。内側円筒容器68の外周面と、外側円筒容器70の内周面の間の円環状の空間は、酸化剤ガス供給流路22として機能する。また、外側円筒容器70の下部側面には、酸化剤ガス導入パイプ56が接続されており、酸化剤ガス供給流路22が酸化剤ガス導入パイプ56に連通される。
The outer
分散室底部材72は、概ね円形の皿状の部材であり、内側円筒部材64の内壁面にセラミック接着剤により気密的に固定される。これにより、第1固定部材63と分散室底部材72の間に、燃料ガス分散室76が構成される。また、分散室底部材72の中央には、バスバー80(図2)を挿通させるためのバスバー通路である挿通管72aが設けられている。各燃料電池セル16に電気的に接続されたバスバー80は、この挿通管72aを通して燃料電池セル収容容器8の外部に引き出される。また、挿通管72aには、セラミック接着剤が充填されることにより、バスバー80が固定され、燃料ガス分散室76の気密性が確保されている。また、セラミック接着剤は断熱性が高いため、燃料ガス分散室76から、挿通管72aを介した熱の流失も抑制することができる。
The dispersion
さらに、内側円筒部材64の内周面、分散室底部材72の底面、及び挿通管72aの外周面によって画定される円環状の空間は、排気ガス室23として利用される。この排気ガス室23には、その側面上部に排気ガス横断通路23aが接続され、排気ガスが導入される。また、排気ガス室23の底面には、排ガス排出パイプ58が接続され、この排ガス排出パイプ58を通して排気ガスが燃料電池モジュール2の外部へ排出される。
Further, an annular space defined by the inner peripheral surface of the inner
図2に示すように、内側円筒部材64の内周面、分散室底部材72の底面、及び挿通管72aの外周面によって画定される円環状の空間内には断熱材が配置されている。この断熱材は、燃料ガス分散室76(分散室底部材72の底面)に沿って配置された断熱材板状部73aと、この断熱材板状部73aから挿通管72aの周囲を取り囲むように延びる断熱材突出部73bから構成されている。これらの断熱材板状部73a及び断熱材突出部73bは、燃料ガス分散室76と排気ガス室23との間を断熱するように配置されている。
As shown in FIG. 2, a heat insulating material is disposed in an annular space defined by the inner peripheral surface of the inner
また、排気ガス室23内には、断熱材突出部73bを取り囲むように、水添脱硫器である脱硫器36が配置されている。この脱硫器36は、排気ガス室23に導入される排気ガスにより、触媒作用が可能な温度に加熱される。
Further, in the
一方、内側円筒容器68の天井面から垂下するように、円形断面の酸化剤ガス噴射用パイプ74が取り付けられている。この酸化剤ガス噴射用パイプ74は、内側円筒容器68の中心軸線上を鉛直方向に延び、その周囲の同心円上に各燃料電池セル16が配置される。酸化剤ガス噴射用パイプ74の上端が内側円筒容器68の天井面に取り付けられることにより、内側円筒容器68と外側円筒容器70の間に形成されている酸化剤ガス供給流路22と酸化剤ガス噴射用パイプ74が連通される。酸化剤ガス供給流路22を介して供給された空気は、酸化剤ガス噴射用パイプ74の先端から下方に噴射され、第1固定部材63の上面に当たって、発電室10内全体に広がる。
On the other hand, an oxidant
燃料ガス分散室76は、第1固定部材63と分散室底部材72の間に構成される円筒形の気密性のあるチャンバーであり、その上面に各燃料電池セル16が林立されている。第1固定部材63の上面に取り付けられた各燃料電池セル16は、その内側の燃料極が、燃料ガス分散室76の内部と連通されている。各燃料電池セル16の下端部は、第1固定部材63の挿通穴63aを貫通して燃料ガス分散室76の内部に突出し、各燃料電池セル16は第1固定部材63に、接着により固定されている。
The fuel
図2に示すように、内側円筒部材64には、第1固定部材63よりも下方に複数の小穴64bが設けられている。内側円筒部材64の外周と中間円筒部材65の内周の間の空間は、複数の小穴64bを介して燃料ガス分散室76内に連通されている。供給された燃料は、外側円筒部材66の内周と中間円筒部材65の外周の間の空間を一旦上昇した後、内側円筒部材64の外周と中間円筒部材65の内周の間の空間を下降し、複数の小穴64bを通って燃料ガス分散室76内に流入する。燃料ガス分散室76に流入した燃料は、燃料ガス分散室76の天井面(第1固定部材63)に取り付けられた各燃料電池セル16の燃料極に分配される。
As shown in FIG. 2, the inner
さらに、燃料ガス分散室76内に突出している各燃料電池セル16の下端部は、燃料ガス分散室76内でバスバー80に電気的に接続され、挿通管72aを通して電力が外部に引き出される。バスバー80は、各燃料電池セル16により生成された電力を、燃料電池セル収容容器8の外部へ取り出すための細長い金属導体であり、碍子78を介して分散室底部材72の挿通管72aに固定されている。バスバー80は、燃料ガス分散室76の内部において、各燃料電池セル16に取り付けられた集電体82と電気的に接続されている。また、バスバー80は、燃料電池セル収容容器8の外部において、インバータ54(図1)に接続される。なお、集電体82は、排気集約室18内に突出している各燃料電池セル16の上端部にも取り付けられている(図4)。これら上端部及び下端部の集電体82により、複数の燃料電池セル16が電気的に並列に接続されると共に、並列に接続された複数組の燃料電池セル16が電気的に直列に接続され、この直列接続の両端が夫々バスバー80に接続される。
Further, the lower end portion of each
次に、図4及び図5を参照して、排気集約室の構成を説明する。
図4は排気集約室の部分を拡大して示す断面図であり、図5は、図2におけるV−V断面である。
図4に示すように、排気集約室18は、各燃料電池セル16の上端部に取り付けられたドーナツ型断面のチャンバーであり、この排気集約室18の中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ74が貫通して延びている。
Next, the configuration of the exhaust gas collecting chamber will be described with reference to FIGS. 4 and 5.
4 is an enlarged cross-sectional view showing a portion of the exhaust gas collecting chamber, and FIG. 5 is a VV cross section in FIG.
As shown in FIG. 4, the
図5に示すように、内側円筒部材64の内壁面には、排気集約室18支持用の3つのステー64cが等間隔に取り付けられている。図4に示すように、各ステー64cは金属製の薄板を折り曲げた小片であり、排気集約室18を各ステー64cの上に載置することにより、排気集約室18は内側円筒部材64と同心円上に位置決めされる。これにより、排気集約室18の外周面と内側円筒部材64の内周面の間の隙間、及び排気集約室18の内周面と酸化剤ガス噴射用パイプ74の外周面との間の隙間は、全周で均一になる(図5)。
As shown in FIG. 5, three stays 64 c for supporting the
排気集約室18は、集約室上部材18a及び集約室下部材18bが気密的に接合されることにより構成されている。
集約室下部材18bは、上方が開放された円形皿状の部材であり、その中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ74を貫通させるための円筒部が設けられている。
集約室上部材18aは、下方が開放された段付き円形カップ状の部材であり、その中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ74を貫通させるための開口部が設けられている。集約室上部材18aの下部は、集約室下部材18bの上方に開口したドーナツ型断面の領域に嵌め込まれる形状に構成されている。
The
The aggregation chamber
The aggregation chamber
集約室下部材18bの周囲の壁の内周面と集約室上部材18aの外周面の間の隙間にはセラミック接着剤が充填され、硬化されており、この接合部の気密性が確保されている。また、この接合部に充填されたセラミック接着剤により形成されたセラミック接着剤層の上には、大径シールリング19aが配置され、セラミック接着剤層を覆っている。大径シールリング19aは円環状の薄板であり、セラミック接着剤の充填後、充填されたセラミック接着剤を覆うように配置され、接着剤の硬化により排気集約室18に固定される。
The gap between the inner peripheral surface of the wall around the aggregation chamber
一方、集約室下部材18b中央の円筒部の外周面と、集約室上部材18a中央の開口部の縁の間にもセラミック接着剤が充填され、硬化されており、この接合部の気密性が確保されている。また、この接合部に充填されたセラミック接着剤により形成されたセラミック接着剤層の上には、小径シールリング19bが配置され、セラミック接着剤層を覆っている。小径シールリング19bは円環状の薄板であり、セラミック接着剤の充填後、充填されたセラミック接着剤を覆うように配置され、接着剤の硬化により排気集約室18に固定される。
On the other hand, the ceramic adhesive is also filled and hardened between the outer peripheral surface of the cylindrical portion at the center of the aggregation chamber
集約室下部材18bの底面には複数の円形の挿通穴18cが設けられている。各挿通穴18cには燃料電池セル16の上端部が夫々挿通され、各燃料電池セル16は各挿通穴18cを貫通して延びている。各燃料電池セル16が貫通している集約室下部材18bの底面上にはセラミック接着剤が流し込まれ、これが硬化されることにより、各燃料電池セル16の外周と各挿通穴18cの間の隙間が気密的に充填されると共に、各燃料電池セル16が集約室下部材18bに固定されている。
A plurality of
さらに、集約室下部材18bの底面上に流し込まれたセラミック接着剤の上には、円形薄板状のカバー部材19cが配置され、セラミック接着剤の硬化により集約室下部材18bに固定されている。カバー部材19cには、集約室下部材18bの各挿通穴18cと同様の位置に複数の挿通穴が設けられており、各燃料電池セル16の上端部はセラミック接着剤の層及びカバー部材19cを貫通して延びている。
Further, a circular thin plate-
一方、集約室上部材18a上段の側面には、排気集約室18内に集約された燃料ガスを噴出させるための複数の噴出口18dが設けられている(図4)。各噴出口18dは、集約室上部材18a上段の側面に、等間隔に配置されている。発電に使用されずに残った燃料は、各燃料電池セル16の上端から排気集約室18内に流出し、排気集約室18内で集約された燃料は各噴出口18dから流出し、そこで燃焼される。
On the other hand, the upper side surface of the aggregation chamber
次に、図2を参照して、燃料供給源30から供給される原燃料ガスを改質するための構成について説明する。
まず、内側円筒部材64と外側円筒部材66の間の空間で構成されている外側燃料ガス供給流路20bの下部には、水蒸気改質用の水蒸気を生成するための蒸発部86が設けられている。蒸発部86は、外側円筒部材66の下部内周に取り付けられたリング状の傾斜板86a及び水供給パイプ88から構成されている。また、蒸発部86は、排ガス排出流路21内に配置されたシースヒーター61と、排気ガス室23内に配置された断熱材板状部73aとの間に配置されている。傾斜板86aは、リング状に形成された金属の薄板であり、その外周縁が外側円筒部材66の内壁面に取り付けられる。一方、傾斜板86aの内周縁は外周縁よりも上方に位置し、傾斜板86aの内周縁と、内側円筒部材64の外壁面との間には隙間が設けられている。
Next, a configuration for reforming the raw fuel gas supplied from the
First, an
水供給パイプ88は内側円筒部材64の下端から外側燃料ガス供給流路20b内に鉛直方向に延びるパイプであり、水流量調整ユニット28から供給された水蒸気改質用の水が、水供給パイプ88を介して蒸発部86に供給される。水供給パイプ88の上端は、傾斜板86aを貫通して傾斜板86aの上面側まで延び、傾斜板86aの上面側に供給された水は、傾斜板86aの上面と外側円筒部材66の内壁面の間に留まる。傾斜板86aの上面側に供給された水は、そこで蒸発され水蒸気が生成される。
The
また、蒸発部86の下方には、原燃料ガスを外側燃料ガス供給流路20b内に導入するための燃料ガス導入部が設けられている。燃料ブロア38から送られた原燃料ガスは、脱硫器36及び燃料ガス供給パイプ90を介して外側燃料ガス供給流路20bに導入される。燃料ガス供給パイプ90は内側円筒部材64の下端から外側燃料ガス供給流路20b内に鉛直方向に延びるパイプである。また、燃料ガス供給パイプ90の上端は、傾斜板86aよりも下方に位置している。燃料ガス供給パイプ90から流出した原燃料ガスは、傾斜板86aの下側に導入され、傾斜板86aの傾斜により流路を絞られながら傾斜板86aの上側へ上昇する。傾斜板86aの上側へ上昇した原燃料ガスは、蒸発部86で生成された水蒸気と共に上昇しながら、十分に混合される。
A fuel gas introduction part for introducing the raw fuel gas into the outer fuel
さらに、中間円筒部材65の上部、外周側の円環状の空間には、改質部94が設けられている。改質部94は、各燃料電池セル16の上部と、その上方の排気集約室18の周囲を取り囲むように配置されている。改質部94は、中間円筒部材65の外壁面に取り付けられた触媒保持板(図示せず)と、これにより保持された改質触媒96によって構成されている。
Further, a reforming
原燃料ガスと水蒸気の混合ガスは、中間円筒部材65の外周と外側円筒部材66の内周の間の流路を上方に流れた後、折り返して、内側円筒部材64の外周と中間円筒部材65の内周の間の流路を下方に流れる。改質部94内に充填された改質触媒96に、混合された原燃料ガス及び水蒸気が接触すると、改質部94内においては、式(1)に示す水蒸気改質反応SRが進行する。
CmHn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (1)
The mixed gas of the raw fuel gas and the water vapor flows upward in the flow path between the outer periphery of the intermediate
C m H n + xH 2 O → aCO 2 + bCO + cH 2 (1)
この水蒸気改質反応SRにより、原燃料ガスは、水素が豊富に含まれる燃料ガスに改質される。改質部94において改質された燃料ガスは、中間円筒部材65の内周と内側円筒部材64の外周の間の空間を下方に流れ、燃料ガス分散室76に流入して、各燃料電池セル16に供給される。水蒸気改質反応SRは吸熱反応であるが、反応に要する熱は、排気集約室18から流出するオフガスの燃焼熱により供給される。
By this steam reforming reaction SR, the raw fuel gas is reformed into a fuel gas rich in hydrogen. The fuel gas reformed in the reforming
次に、図1及び図2を参照して、原燃料ガスに水素ガスを添加するための構成を説明する。
図2に示すように、燃料ガス分散室76には、水素取出管92が接続されている。この水素取出管92は、燃料ガス分散室76の内部と連通し、断熱材板状部73aを貫通し、さらに排気ガス室23を貫通して燃料電池モジュール2の外部まで延びている。図1に示すように、水素取出管92は、補機ユニット4に内蔵された凝縮器33に接続されている。燃料ガス分散室76内の燃料ガスは、水素ガスと共に多くの水蒸気を含んでいる。凝縮器33においては、燃料ガスに含まれている水蒸気が凝縮され、水素ガスと分離される。水蒸気を分離された水素ガスは、オリフィス34及び電磁弁35を介して、燃料供給源30から供給された原燃料ガスに、燃料ブロア38の上流側で混合される。水素ガスが添加された原燃料ガスは、燃料ブロア38により脱硫器36に送り込まれる。
Next, a configuration for adding hydrogen gas to the raw fuel gas will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
As shown in FIG. 2, a
燃料ガス分散室76内の圧力は燃料ブロア38の上流側の圧力よりも高いため、この圧力差により、改質された燃料ガスが燃料ガス分散室76から取り出される。オリフィス34は、燃料ガス分散室76から燃料ブロア38の上流側へ戻る流路に適度な流路抵抗を与え、適量の水素ガスが原燃料ガスに添加されるように調整されている。また、原燃料ガスへの水素の添加を行わないときは、電磁弁35が閉弁される。
Since the pressure in the fuel
次に、図6を参照して、燃料電池セル16について説明する。
本発明の実施形態による燃料電池モジュール2においては、燃料電池セル16として、固体酸化物を用いた円筒横縞型セルが採用されている。各燃料電池セル16上には、複数の単セル16aが横縞状に形成されており、これらが電気的に直列に接続されることにより1本の燃料電池セル16が構成されている。各燃料電池セル16は、その一端がアノード(陽極)、他端がカソード(陰極)となるように構成され、複数の燃料電池セル16のうちの半数は上端がアノード、下端がカソードとなるように配置され、残りの半数は上端がカソード、下端がアノードとなるように配置されている。
Next, the
In the
図6(a)は、下端がカソードにされている燃料電池セル16の下端部を拡大して示す断面図であり、図6(b)は、下端がアノードにされている燃料電池セル16の下端部を拡大して示す断面図である。
FIG. 6A is an enlarged cross-sectional view showing a lower end portion of the
図6に示すように、燃料電池セル16は、細長い円筒状の多孔質支持体97と、この多孔質支持体97の外側に横縞状に形成された複数の層から形成されている。多孔質支持体97の周囲には、内側から順に、燃料極層98、反応抑制層99、固体電解質層100、空気極層101が夫々横縞状に形成されている。このため、燃料ガス分散室76を介して供給された燃料ガスは、各燃料電池セル16の多孔質支持体97の内部を流れ、酸化剤ガス噴射用パイプ74から噴射された空気は、空気極層101の外側を流れる。燃料電池セル16上に形成された各単セル16aは、一組の燃料極層98、反応抑制層99、固体電解質層100、及び空気極層101から構成されている。1つの単セル16aの燃料極層98は、インターコネクタ層102を介して、隣接する単セル16aの空気極層101に電気的に接続されている。これにより、1本の燃料電池セル16上に形成された複数の単セル16aが、電気的に直列に接続される。
As shown in FIG. 6, the
図6(a)に示すように、燃料電池セル16のカソード側端部には、多孔質支持体97の外周に電極層103aが形成され、この電極層103aの外側にリード膜層104aが形成されている。カソード側端部においては、端部に位置する単セル16aの空気極層101と電極層103aが、インターコネクタ層102により電気的に接続されている。これらの電極層103a及びリード膜層104aは、燃料電池セル16端部において第1固定部材63を貫通し、第1固定部材63よりも下方に突出するように形成されている。電極層103aは、リード膜層104aよりも下方まで形成されており、外部に露出された電極層103aに集電体82が電気的に接続されている。これにより、端部に位置する単セル16aの空気極層101がインターコネクタ層102、電極層103aを介して集電体82に接続され、図中の矢印のように電流が流れる。また、第1固定部材63の挿通穴63aの縁とリード膜層104aの間の隙間には、セラミック接着剤が充填されており、燃料電池セル16は、リード膜層104aの外周で第1固定部材63に固定される。
As shown in FIG. 6A, an
図6(b)に示すように、燃料電池セル16のアノード側端部においては、端部に位置する単セル16aの燃料極層98が延長されており、燃料極層98の延長部が電極層103bとして機能する。電極層103bの外側にはリード膜層104bが形成されている。これらの電極層103b及びリード膜層104bは、燃料電池セル16端部において第1固定部材63を貫通し、第1固定部材63よりも下方に突出するように形成されている。電極層103bは、リード膜層104bよりも下方まで形成されており、外部に露出された電極層103bに集電体82が電気的に接続されている。これにより、端部に位置する単セル16aの燃料極層98が、一体的に形成された電極層103bを介して集電体82に接続され、図中の矢印のように電流が流れる。また、第1固定部材63の挿通穴63aの縁とリード膜層104bの間の隙間には、セラミック接着剤が充填されており、燃料電池セル16は、リード膜層104bの外周で第1固定部材63に固定される。
As shown in FIG. 6B, at the anode side end of the
図6(a)(b)においては、各燃料電池セル16の下端部の構成を説明したが、各燃料電池セル16の上端部における構成も同様である。なお、上端部においては、各燃料電池セル16は、排気集約室18の集約室下部材18bに固定されているが、固定部分の構成は下端部における第1固定部材63に対する固定と同様である。
6A and 6B, the configuration of the lower end portion of each
次に、多孔質支持体97及び各層の構成を説明する。
多孔質支持体97は、本実施形態においては、フォルステライト粉末、及びバインダーの混合物を押し出し成形し、焼結することにより形成されている。
燃料極層98は、本実施形態においては、NiO粉末及び10YSZ(10mol%Y2O3−90mol%ZrO2)粉末の混合物により構成された導電性の薄膜である。
Next, the structure of the
In the present embodiment, the
In this embodiment, the
反応抑制層99は、本実施形態においては、セリウム系複合酸化物(LDC40。すなわち、40mol%のLa2O3−60mol%のCeO2)等により構成された薄膜であり、これにより、燃料極層98と固体電解質層100の間の化学反応を抑制している。
固体電解質層100は、本実施形態においては、La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3の組成のLSGM粉末により構成された薄膜である。この固体電解質層100を介して酸化物イオンと水素又は一酸化炭素が反応することにより電気エネルギーが生成される。
In the present embodiment, the
In the present embodiment, the
空気極層101は、本実施形態においては、La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3の組成の粉末により構成された導電性の薄膜である。
インターコネクタ層102は、本実施形態においては、SLT(ランタンドープストロンチウムチタネート)により構成された導電性の薄膜である。燃料電池セル16上の隣接する単セル16aはインターコネクタ層102を介して接続される。
電極層103a、103bは、本実施形態においては、燃料極層98と同一の材料で形成されている。
リード膜層104a、104bは、本実施形態においては、固体電解質層100と同一の材料で形成されている。
In this embodiment, the
In this embodiment, the
The
In this embodiment, the
次に、図1及び図2を参照して、固体酸化物型燃料電池装置1の作用を説明する。
まず、固体酸化物型燃料電池装置1の起動工程において、燃料ブロア38が起動され、燃料の供給が開始されると共に、シースヒーター61への通電が開始される。シースヒーター61への通電が開始されることにより、その上方に配置された燃焼触媒器60が加熱されると共に、内側に配置された蒸発部86も加熱される。燃料ブロア38により供給された燃料は、脱硫器36を介して、燃料ガス供給パイプ90から外側燃料ガス供給流路20bに流入する。流入した燃料は、外側燃料ガス供給流路20b内を上昇して改質部94に至り、次いで、中間円筒部材65と内側円筒部材64の間の内側燃料ガス供給流路20aを下降し、内側円筒部材64の下部に設けられた多数の小穴64bを通って燃料ガス分散室76に流入する。なお、固体酸化物型燃料電池装置1の起動直後においては、改質部94内の改質触媒96の温度が十分に上昇していないため、燃料の改質は行われない。
Next, with reference to FIG.1 and FIG.2, the effect | action of the solid oxide fuel cell apparatus 1 is demonstrated.
First, in the starting process of the solid oxide fuel cell device 1, the
燃料ガス分散室76に流入した燃料ガスは、燃料ガス分散室76の第1固定部材63に取り付けられた各燃料電池セル16の内側(燃料極側)を通って排気集約室18に流入する。なお、固体酸化物型燃料電池装置1の起動直後においては、各燃料電池セル16の温度が十分に上昇しておらず、また、インバータ54への電力の取り出しも行われていないため、発電反応は発生しない。
The fuel gas that has flowed into the fuel
排気集約室18に流入した燃料は、排気集約室18の噴出口18dから噴出される。噴出口18dから噴出された燃料は、点火ヒーター(図示せず)により点火され、そこで燃焼される。この燃焼により、高温の燃焼ガスが生成され、発電室10内が加熱される。また、燃焼により生成された排気ガス(燃焼ガス)は、内側円筒部材64の上部に設けられた小穴64aを通って排ガス排出流路21に流入する。高温の排気ガスは、排ガス排出流路21内を下降し、その内側に設けられた改質部94、及び外側に設けられた酸化剤ガス供給流路22内を流れる発電用の空気を加熱する。このように、改質部94を取り囲むように設けられた排ガス排出流路21内を流れる排気ガスの熱により、改質部94は原燃料ガスを水蒸気改質可能な温度まで速やかに加熱される。さらに、排気ガスは、排ガス排出流路21内に配置された燃焼触媒器60を通ることにより一酸化炭素が除去される。一酸化炭素が除去された排気ガスは、排気ガス横断通路23aを通って半径方向内方に流れ、排気ガス室23に流入する。排気ガス室23に流入した排気ガスは、排気ガス室23内に配置された脱硫器36を加熱し、排ガス排出パイプ58を通って燃料電池モジュールから排出される。
The fuel that has flowed into the
排気ガス及びシースヒーター61により蒸発部86が加熱されると、蒸発部86に供給された水蒸気改質用の水が蒸発され、水蒸気が生成される。水蒸気改質用の水は、水流量調整ユニット28により、水供給パイプ88を介して燃料電池セル収容容器8内の蒸発部86に供給される。蒸発部86で生成された水蒸気と、燃料ガス供給パイプ90を介して供給された原燃料ガスは、外側燃料ガス供給流路20b内で十分に混合される。
なお、蒸発部86は、シースヒーター61に隣接して配置されているため、起動後早期に温度が上昇し、水蒸気を生成できる状態となる。また、蒸発部86は、シースヒーター61と断熱材板状部73aの間に配置されているため、シースヒーター61の熱が逃げにくく、早期に温度上昇する。さらに、蒸発部86の下方、近傍には排気ガス横断通路23aが設けられているため、蒸発部86は排気ガス横断通路23a内を流れる排気ガスの熱によっても加熱される。
When the
In addition, since the
混合された原燃料ガス及び水蒸気は、外側燃料ガス供給流路20b内を上昇し、改質部94に流入する。改質部94の改質触媒96が改質可能な温度まで上昇している状態においては、原燃料ガス及び水蒸気の混合気が改質部94を通過する際、水蒸気改質反応が発生し、混合気が水素を多く含む燃料ガスに改質される。改質された燃料ガスは、内側燃料ガス供給流路20a内を下降し、小穴64bを通って燃料ガス分散室76に流入する。この内側燃料ガス供給流路20aを下降する際に、燃料ガスの流速が低下し、改質された燃料ガスと、水蒸気改質反応に使用されずに残った水蒸気が十分に混合される。燃料ガスと水蒸気が十分に混合されることにより、燃料ガスの混合ムラに起因する燃料枯れを防止することができる。また、内側燃料ガス供給流路20a内を流れる燃料ガスは、発電室10内の熱によって加熱されるので、固体酸化物型燃料電池セル16に導入される燃料ガスは適温に温度上昇され、固体酸化物型燃料電池セル16への悪影響を防止することができる。
The mixed raw fuel gas and water vapor rise in the outer fuel
ここで、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、改質部94内で水蒸気改質反応が発生すると、周囲の熱が奪われる。この水蒸気改質反応に要する熱は、外側円筒部材66を隔てて外側に位置する、排ガス排出流路21内を流れる排気ガスの熱によって賄われる。一方、改質部94の内側には、中間円筒部材65の内周面と内側円筒部材64の外周面との間に形成された第2燃料ガス通路である内側燃料ガス供給流路20aが設けられている。この内側燃料ガス供給流路20aは気体(改質された燃料ガス)によって満たされた空間であるため断熱性が高く、発電室10内(内側円筒部材64の内側)から内側燃料ガス供給流路20aを横断して改質部94へ移動する熱量は少なくなる。このため、改質部94内で発生した吸熱反応(水蒸気改質反応)が、発電室10内の各燃料電池セル16に与える熱影響は極めて少ない。
Here, since the steam reforming reaction is an endothermic reaction, when the steam reforming reaction occurs in the reforming
燃料ガス分散室76に流入した水素を豊富に含む燃料ガスは、各燃料電池セル16に流入する一方、一部が水素取出管92を通って燃料電池モジュール2の外へ取り出される。取り出された燃料ガス(水素)は、補機ユニット4の凝縮器33、オリフィス34、及び電磁弁35を通って、燃料ブロア38の上流側で原燃料ガスに添加される。水素が添加された原燃料ガスは、燃料ブロア38により脱硫器36に送り込まれる。排気ガス室23内の脱硫器36が排気ガスにより所定温度まで加熱された状態においては、原燃料ガス中の硫黄成分が、添加された水素と脱硫触媒により反応され、除去される。脱硫器36において硫黄成分を除去された原燃料ガスは、上述したように、燃料ガス供給パイプ90を通って外側燃料ガス供給流路20bに流入する。
The fuel gas containing abundant hydrogen that has flowed into the fuel
一方、燃料ガス分散室76から各燃料電池セル16に流入した改質された燃料ガスは、各燃料電池セル16の内部(燃料極側)を上昇する。なお、燃料ガス分散室76の小穴64bは、その周囲に多数設けられ、燃料ガス分散室76として十分な容積が確保されているため、改質された燃料は、燃料ガス分散室76内に突出している各燃料電池セル16に均等に流入する。
On the other hand, the reformed fuel gas flowing into each
一方、空気流量調整ユニット45により供給された酸化剤ガスである空気は、酸化剤ガス導入パイプ56を介して酸化剤ガス供給流路22に流入する。酸化剤ガス供給流路22に流入した空気は、内側を流れる排気ガスにより加熱されながら酸化剤ガス供給流路22内を上昇する。酸化剤ガス供給流路22内を上昇した空気は、燃料電池セル収容容器8内の上端部で中央に集められ、酸化剤ガス供給流路22に連通された酸化剤ガス噴射用パイプ74に流入する。酸化剤ガス噴射用パイプ74に流入した空気は下端から発電室10内に噴射され、噴射された空気は第1固定部材63の上面に当たって発電室10内全体に広がる。発電室10内に流入した空気は、排気集約室18の外周壁と内側円筒部材64の内周壁の間の隙間、及び排気集約室18の内周壁と酸化剤ガス噴射用パイプ74の外周面の間の隙間を通って上昇する。
On the other hand, the air, which is the oxidant gas supplied by the air flow
この際、各燃料電池セル16の外側(空気極側)を通って流れる空気の一部は発電反応に利用される。また、排気集約室18の上方に上昇した空気の一部は、排気集約室18の噴出口18dから噴出する燃料の燃焼に利用される。燃焼により生成された排気ガス、及び発電、燃焼に利用されずに残った空気は、小穴64aを通って排ガス排出流路21に流入する。排ガス排出流路21に流入した排気ガス及び空気は、燃焼触媒器60により一酸化炭素が除去された後、排出される。
At this time, a part of the air flowing through the outside (air electrode side) of each
このように、各燃料電池セル16が発電可能な温度である650℃程度まで上昇し、各燃料電池セル16の内側(燃料極側)に改質された燃料が流れ、外側(空気極側)に空気が流れると、化学反応により起電力が発生する。この状態において、燃料電池セル収容容器8から引き出されているバスバー80にインバータ54が接続されると、各燃料電池セル16から電力が取り出され、発電が行われる。
In this way, the temperature rises to about 650 ° C., which is the temperature at which each
本発明の実施形態の燃料電池モジュール2によれば、改質部94を取り囲むように、排ガス排出流路21が設けられているので(図2)、改質部94を排気ガスの熱により速やかに温度上昇させることができ、燃料電池モジュール2の起動後、早期に水蒸気改質反応を発生させることができる。また、改質部94が設けられた外側燃料ガス供給流路20bの内側に沿って内側燃料ガス供給流路20aが形成されているので(図2)、改質部94内で発生した水蒸気改質反応による熱影響が発電室10内の固体酸化物型燃料電池セル16に及ぶのを抑制することができる。さらに、内側燃料ガス供給流路20a内を改質された燃料ガスが流れることにより、その外側に設けられた改質部94の温度ムラを抑制することができると共に、改質された燃料ガスと、水蒸気改質反応に使用されずに残った水蒸気を十分に混合させることができる。
According to the
また、本実施形態の燃料電池モジュール2によれば、改質部94において生成された水素ガスを豊富に含む燃料ガスが、内側燃料ガス供給流路20a内を下方に向かって流れるので、その流速が遅くなり、燃料ガスと水蒸気を十分に混合させることができる。また、内側燃料ガス供給流路20a内を流れる燃料ガスが発電室10内の熱によって加熱されるので、固体酸化物型燃料電池セル16に導入される燃料ガスを適温に温度上昇させることができる。
Further, according to the
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。 As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, a various change can be added to embodiment mentioned above.
1 固体酸化物型燃料電池装置
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
7 外側断熱材
8 燃料電池セル収容容器
10 発電室
16 燃料電池セル(固体酸化物型燃料電池セル)
16a 単セル
18 排気集約室
18a 集約室上部材
18b 集約室下部材(第2固定部材)
18c 挿通穴
18d 噴出口
18e 接着剤充填枠
19a 大径シールリング
19b 小径シールリング
19c カバー部材
20a 内側燃料ガス供給流路(第2燃料ガス通路)
20b 外側燃料ガス供給流路(第1燃料ガス通路)
21 排ガス排出流路(排気ガス通路)
22 酸化剤ガス供給流路
23 排気ガス室
23a 排気ガス横断通路
24 水供給源
26 純水タンク
28 水流量調整ユニット(水供給装置)
30 燃料供給源
33 凝縮器
34 オリフィス
35 電磁弁
36 脱硫器(水添脱硫器)
36c 脱硫器流入管
36d 脱硫器流出管
38 燃料ブロア(燃料供給装置)
40 空気供給源
45 空気流量調整ユニット(酸化剤ガス供給装置、空気ブロア)
50 温水製造装置
54 インバータ
56 酸化剤ガス導入パイプ(酸化剤ガス流入口)
58 排ガス排出パイプ(排ガス流出口)
60 燃焼触媒器
61 シースヒーター(ヒーター)
63 第1固定部材(分散室形成板)
63a 挿通穴
63b 接着剤充填枠
64 内側円筒部材(発電室構成部材)
64a 小穴
64b 小穴
64c ステー(位置決め部材)
64d 棚部材
65 中間円筒部材
66 外側円筒部材
66a 棚部材
67 カバー部材
68 内側円筒容器(排気通路構成部材)
70 外側円筒容器(供給通路構成部材)
72 分散室底部材
72a 挿通管(バスバー通路)
72b フランジ部
73a 断熱材板状部
73b 断熱材突出部
74 酸化剤ガス噴射用パイプ
76 燃料ガス分散室
78 碍子
80 バスバー
82 集電体
86 蒸発部
86a 傾斜板
88 水供給パイプ
90 燃料ガス供給パイプ
92 水素取出管
94 改質部
96 改質触媒
97 多孔質支持体
98 燃料極層
99 反応抑制層
100 固体電解質層
101 空気極層
102 インターコネクタ層
103a 電極層
103b 電極層
104a リード膜層
104b リード膜層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid oxide
16a
20b Outer fuel gas supply channel (first fuel gas passage)
21 Exhaust gas discharge passage (exhaust gas passage)
22 Oxidant
30
36c
40
50 Hot
58 Exhaust gas exhaust pipe (exhaust gas outlet)
60
63 First fixing member (dispersion chamber forming plate)
64a
70 Outer cylindrical container (supply passage component)
72 Dispersion
Claims (2)
燃料ガスと酸化剤ガスを反応させる複数の固体酸化物型燃料電池セルと、
これら複数の固体酸化物型燃料電池セルを収容した発電室と、
この発電室の少なくとも一部を取り囲むように、上記複数の固体酸化物型燃料電池セルと概ね平行に形成された第1燃料ガス通路と、
この第1燃料ガス通路内に燃料ガスを水蒸気改質する改質用触媒を配置することにより構成された改質部と、
この改質部の少なくとも一部を取り囲むように設けられ、上記発電室から排出される排気ガスを導くことにより、上記改質部を加熱する排気ガス通路と、
上記第1燃料ガス通路の内側に、上記第1燃料ガス通路に沿って形成され、上記改質部において改質された燃料ガスを上記複数の固体酸化物型燃料電池セルに導く第2燃料ガス通路と、
を有することを特徴とする燃料電池モジュール。 A fuel cell module for generating electricity by reacting a fuel gas and an oxidant gas,
A plurality of solid oxide fuel cells that react fuel gas and oxidant gas;
A power generation chamber containing the plurality of solid oxide fuel cells,
A first fuel gas passage formed substantially parallel to the plurality of solid oxide fuel cells so as to surround at least a part of the power generation chamber;
A reforming section configured by disposing a reforming catalyst for steam reforming the fuel gas in the first fuel gas passage;
An exhaust gas passage that is provided so as to surround at least a part of the reforming section and that guides the exhaust gas discharged from the power generation chamber to heat the reforming section;
A second fuel gas formed inside the first fuel gas passage along the first fuel gas passage and guiding the fuel gas reformed in the reforming section to the plurality of solid oxide fuel cells. A passage,
A fuel cell module comprising:
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Citations (3)
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