JP6315954B2 - Solid oxide fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、炭化水素系の原燃料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、改質器にて生成された燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元により発電を行う複数個の燃料電池セルを有するセルスタックと、セルスタックからのオフガスを燃焼する燃焼部とを備える固体酸化物形燃料電池に関する。 The present invention relates to a reformer that generates a fuel gas by steam reforming a hydrocarbon-based raw fuel gas, and a plurality of generators that generate power by oxidizing and reducing fuel gas and oxidant generated in the reformer. The present invention relates to a solid oxide fuel cell including a cell stack having the fuel cell and a combustion section for burning off-gas from the cell stack.
従来から、酸素イオンを伝導する膜として固体電解質を用いた燃料電池セルを燃料電池ハウジング内に収容した固体酸化物形燃料電池が知られている。この固体酸化物形燃料電池では、一般的に、固体電解質としてイットリアをドープしたジルコニアが用いられており、この固体電解質の片側に燃料ガスを酸化するための燃料極が設けられ、その他側に空気中の酸素(酸化剤)を還元するための酸素極が設けられる。そして、700〜1000℃の高温で、燃料ガスを改質した改質燃料ガス中の水素、一酸化炭素、炭化水素と酸化剤としての酸素とを電気化学反応させて発電が行われる。このような固体酸化物形燃料電池は、他の燃料電池やガスエンジンなどに比べて、特に高発電効率での発電が可能なことから、有望な発電技術として開発が行われてきた。 Conventionally, a solid oxide fuel cell in which a fuel cell using a solid electrolyte as a membrane for conducting oxygen ions is housed in a fuel cell housing is known. In this solid oxide fuel cell, zirconia doped with yttria is generally used as a solid electrolyte, a fuel electrode for oxidizing fuel gas is provided on one side of the solid electrolyte, and air is provided on the other side. An oxygen electrode for reducing oxygen (oxidant) therein is provided. Then, at a high temperature of 700 to 1000 ° C., hydrogen, carbon monoxide, hydrocarbons in the reformed fuel gas obtained by reforming the fuel gas and oxygen as an oxidant are electrochemically reacted to generate power. Such a solid oxide fuel cell has been developed as a promising power generation technology because it can generate power with particularly high power generation efficiency as compared with other fuel cells and gas engines.
このような固体酸化物形燃料電池では、セルスタックでの電気化学反応後にそのセルスタックから排出されるオフガス中に残留する余剰の燃料ガスが燃焼部で燃焼される。そして、燃焼部付近に気化器及び改質器を配設し、その燃焼熱を直接的に利用して気化器にて水蒸気が生成され、また改質器にて水蒸気を用いた改質反応が行われる。 In such a solid oxide fuel cell, surplus fuel gas remaining in the off-gas discharged from the cell stack after the electrochemical reaction in the cell stack is burned in the combustion section. A vaporizer and a reformer are disposed in the vicinity of the combustion section, and steam is generated in the vaporizer using the combustion heat directly, and a reforming reaction using the steam is performed in the reformer. Done.
一般に、燃料電池分野では、燃料ガスの価電子の消費速度(この消費速度は、燃料ガスの流量に比例する)に対してどれだけの発電電流を取り出すかの割合が燃料利用率と定義され、運転時の重要なパラメーターと認識されている。この燃料利用率が高いほど燃料電池セルの発電効率が高くなる。この燃料利用率が高いということは、発電(電気化学反応)に使用しない余剰の燃料ガスの量(即ち、オフガスに含まれる燃料ガス成分の量)が少なくなり、燃焼部の燃焼で得られる燃焼熱が少なくなることを意味する。それ故に、この燃料利用率が高くなり過ぎると、燃料電池ハウジング(一般に、その内面が断熱材で覆われている)内の燃焼部で発生する燃焼熱が減少するため、燃料電池ハウジングの内部の温度を一定に保つための熱量が不足する。そして、燃料電池セルの作動温度の低下を招き、その発電性能が低下するという問題が生じる。このようなことから、この燃料利用率は、定格発電能力などにもよるが、ある値以上に大きくすることが難しい。 In general, in the fuel cell field, the ratio of how much generated current is taken out with respect to the consumption rate of valence electrons of fuel gas (this consumption rate is proportional to the flow rate of fuel gas) is defined as the fuel utilization rate. It is recognized as an important parameter during operation. The higher the fuel utilization rate, the higher the power generation efficiency of the fuel cell. This high fuel utilization rate means that the amount of surplus fuel gas that is not used for power generation (electrochemical reaction) (that is, the amount of fuel gas components contained in off-gas) is reduced, and combustion obtained by combustion in the combustion section Means less heat. Therefore, if this fuel utilization rate becomes too high, the combustion heat generated in the combustion section in the fuel cell housing (generally, the inner surface thereof is covered with a heat insulating material) is reduced, so that the inside of the fuel cell housing There is not enough heat to keep the temperature constant. And the operating temperature of a fuel battery cell falls and the problem that the electric power generation performance falls arises. For this reason, it is difficult to increase the fuel utilization rate beyond a certain value, although it depends on the rated power generation capacity.
燃焼部で燃焼されるこの余剰の燃料ガスの量を少なくして発電効率を高めつつ、燃料電池ハウジングの内部の温度低下の問題を回避するためには、吸熱反応である気化反応を行う気化器を、燃料電池セルの吸熱に関わらない個所、例えば燃料電池ハウジングの外部に移設し、燃料電池セルから外部に排出される排気ガスの排熱を利用して気化することも考えられる。しかし、気化器を燃料電池ハウジング外に設けると、固体酸化物形燃料電池の起動初期においては、余熱が不充分であるために、気化器にて水蒸気改質反応に必要な量の水蒸気を得ることが難しく、改質器に送給される水蒸気の濃度が低くなるという問題が生じる。 In order to avoid the problem of temperature drop inside the fuel cell housing while reducing the amount of surplus fuel gas burned in the combustion section and improving power generation efficiency, a vaporizer that performs a vaporization reaction that is an endothermic reaction It is also conceivable that the fuel cell is transferred to a part not related to the heat absorption of the fuel cell, for example, the outside of the fuel cell housing, and vaporized by using the exhaust heat of the exhaust gas discharged from the fuel cell to the outside. However, if the vaporizer is provided outside the fuel cell housing, the amount of water vapor required for the steam reforming reaction is obtained in the vaporizer because the residual heat is insufficient at the initial start of the solid oxide fuel cell. This is difficult and causes a problem that the concentration of water vapor supplied to the reformer becomes low.
上記のような問題に対処するため、特許文献1では、燃料電池ハウジングの内部と外部との両方に気化器を設け、時期に応じて両者を使い分けている。例えば、燃料電池ハウジングの内部に設けられ、燃焼部での燃焼熱により加熱される第1気化器(12)は、燃料電池の起動初期に用いられる。これに対して、燃料電池ハウジングの外部に設けられ、燃料電池ハウジングから排出される排気ガスにより加熱される第2気化器(14)は、燃料電池の起動後にその温度が所定温度に達した後で用いられる。このような構成を採用することで、燃料電池の起動初期及びその後の両方で、気化器には水を気化させるための十分な熱量が供給されることになる。
In order to cope with the above problems, in
但し、特許文献1に記載の燃料電池では、2つの気化器を切り替えて使用することになるため、水を供給するための配管が2系統必要になり、且つ、水の供給先をそれら2系統の配管の何れかへ切り替えるための弁も必要となる。そのため、装置のコンパクト化や低コスト化への障害となっていた。
また、燃料電池の起動の初期過程では燃焼部温度が低いため、燃料電池ハウジングから排出される排ガス中には、未燃ガスとしてのCO、H2等が含まれる。そのため、従来の固体酸化物燃料電池にも採用されているように、燃料電池ハウジングの出口付近に燃焼触媒を設け、これらを酸化除去する必要がある。このような燃焼触媒は、室温では十分な活性はないため、予熱するためのヒーター等の加熱手段も別途必要となる。
However, in the fuel cell described in
Further, since the temperature of the combustion section is low in the initial process of starting the fuel cell, the exhaust gas discharged from the fuel cell housing contains CO, H 2, etc. as unburned gas. For this reason, it is necessary to provide a combustion catalyst in the vicinity of the outlet of the fuel cell housing and oxidize and remove them, as used in conventional solid oxide fuel cells. Since such a combustion catalyst does not have sufficient activity at room temperature, additional heating means such as a heater for preheating is required.
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、装置の構成を複雑にせず且つ装置のコストを上昇させることなく、高い燃料利用率を達成しつつ、起動初期の段階から安定した性能を発揮させることができる固体酸化物形燃料電池を提供する点にある。 The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to achieve a high fuel utilization rate without complicating the configuration of the apparatus and increasing the cost of the apparatus, and at the initial stage of startup. Therefore, a solid oxide fuel cell capable of exhibiting stable performance is provided.
上記目的を達成するための本発明に係る固体酸化物形燃料電池の特徴構成は、
炭化水素系の原燃料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器にて生成された燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元により発電を行う複数個の燃料電池セルを有するセルスタックと、前記セルスタックからのオフガスを燃焼する燃焼部とを燃料電池ハウジングの内部に備え、
前記燃料電池ハウジングの内部から外部へ排出される排ガスが有する熱を用いて前記改質器に供給する前記原燃料ガスを加熱する第1加熱部と、前記排ガスが有する熱を用いて前記改質器に供給する水を気化する気化部と、前記排ガス中に残存している未燃ガスを燃焼除去する触媒燃焼部と、前記気化部及び前記触媒燃焼部を同時に加熱可能な補助加熱手段とを有する加熱装置を、前記燃料電池ハウジングの外部に備えており、
前記補助加熱手段は面状に広がりを有する形態で構成され、
前記補助加熱手段に対面する概ね同一平面内に、前記触媒燃焼部は前記気化部に隣接して配置されている点にある。
In order to achieve the above object, the characteristic configuration of the solid oxide fuel cell according to the present invention is as follows:
A reformer that generates a fuel gas by steam reforming a hydrocarbon-based raw fuel gas, and a plurality of fuel cells that generate power by oxidation and reduction of the fuel gas and oxidant generated in the reformer A cell stack having a cell, and a combustion section for burning off-gas from the cell stack inside the fuel cell housing;
A first heating unit that heats the raw fuel gas supplied to the reformer using heat of exhaust gas discharged from the inside of the fuel cell housing to the outside, and the reforming using heat of the exhaust gas A vaporization section for vaporizing water to be supplied to the vessel, a catalyst combustion section for burning and removing unburned gas remaining in the exhaust gas, and an auxiliary heating means capable of heating the vaporization section and the catalyst combustion section simultaneously. A heating device having the outside of the fuel cell housing ,
The auxiliary heating means is configured in a form having a spread in a planar shape,
The catalytic combustion part is located adjacent to the vaporization part in substantially the same plane facing the auxiliary heating means .
上記特徴構成によれば、改質器に供給する原燃料ガスを加熱する第1加熱部と、排ガスが有する熱を用いて改質器に供給する水を気化する気化部とを有する加熱装置は、燃料電池ハウジングの外部に設けられる。つまり、燃料電池ハウジングの内部の熱は、原燃料ガスの加熱のために大きく消費されることはなく且つ水の気化のために大きく消費されることはない。その結果、燃料利用率が高い状態であっても(即ち、セルスタックから排出されるオフガス中に含まれる燃料ガス成分が少ないことに伴って燃焼熱が相対的に低下した状態であっても)、燃料電池ハウジングの内部での温度を安定して高く保つことができ、固体酸化物形燃料電池の発電性能を維持することができる。
加えて、加熱装置は、気化部及び触媒燃焼部を同時に加熱可能な補助加熱手段を有する。つまり、気化部では、排ガスが有する熱に加えて、補助加熱手段から供給される熱を用いて改質器に供給する水を気化することができるので、気化部にて、必要な量の水蒸気を安定して発生させることができる。また、触媒燃焼部では、供給される排ガスの温度が低くても補助加熱手段から供給される熱を用いて昇温されるので、十分な触媒活性を発揮させることができる。その結果、燃料電池ハウジングから排出される排ガス中に含まれる未燃ガス(例えば、CO、H2等)が固体酸化物形燃料電池から流出しないようにできる。
更に、従来技術では、燃料電池ハウジングの内部と外部との両方に気化部を設け、それらの気化部を切り替えて使用していたが、本特徴構成では、気化部を燃料電池ハウジングの外部に設けておけばよいので、装置構成を単純にできるという利点がある。
従って、装置の構成を複雑にせず且つ装置のコストを上昇させることなく、高い燃料利用率を達成しつつ、起動初期の段階から安定した性能を発揮させることができる固体酸化物形燃料電池を提供できる。
また、上記特徴構成によれば、気化部として機能する部分(原燃料ガス及び水(水蒸気)が流れる部分)及び触媒燃焼部は、同じく面状に広がりを有する補助加熱手段に対面する位置関係で配置される。つまり、両者の熱交換の伝熱面積を大きくすることができる。
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の別の特徴構成は、
前記触媒燃焼部は、第1触媒燃焼部と第2触媒燃焼部とを含み、
前記第1触媒燃焼部及び第2触媒燃焼部が前記気化部の両側に配置されている点にある。
According to the above characteristic configuration, the heating apparatus including the first heating unit that heats the raw fuel gas supplied to the reformer and the vaporization unit that vaporizes the water supplied to the reformer using the heat of the exhaust gas. , Provided outside the fuel cell housing. That is, the heat inside the fuel cell housing is not consumed greatly for heating the raw fuel gas, and is not consumed greatly for water vaporization. As a result, even when the fuel utilization rate is high (that is, even when the combustion heat is relatively lowered due to the small amount of fuel gas components contained in the off-gas discharged from the cell stack). In addition, the temperature inside the fuel cell housing can be kept stable and high, and the power generation performance of the solid oxide fuel cell can be maintained.
In addition, the heating device has auxiliary heating means capable of simultaneously heating the vaporizing section and the catalytic combustion section. That is, in the vaporization section, water supplied to the reformer can be vaporized using heat supplied from the auxiliary heating means in addition to the heat of the exhaust gas. Can be generated stably. In the catalytic combustion section, even if the temperature of the supplied exhaust gas is low, the temperature is raised using the heat supplied from the auxiliary heating means, so that sufficient catalytic activity can be exhibited. As a result, unburned gas (for example, CO, H 2, etc.) contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell housing can be prevented from flowing out of the solid oxide fuel cell.
Further, in the prior art, vaporization portions are provided both inside and outside the fuel cell housing, and these vaporization portions are switched and used. However, in this feature configuration, the vaporization portion is provided outside the fuel cell housing. Therefore, there is an advantage that the apparatus configuration can be simplified.
Accordingly, there is provided a solid oxide fuel cell capable of exhibiting stable performance from the initial start-up stage while achieving a high fuel utilization rate without complicating the configuration of the apparatus and increasing the cost of the apparatus. it can.
Further, according to the above characteristic configuration, the portion that functions as the vaporization portion (the portion through which the raw fuel gas and water (steam) flow) and the catalytic combustion portion are in a positional relationship facing the auxiliary heating means that also has a planar shape. Be placed. That is, the heat transfer area for heat exchange between the two can be increased.
Another characteristic configuration of the solid oxide fuel cell according to the present invention is as follows:
The catalytic combustion unit includes a first catalytic combustion unit and a second catalytic combustion unit,
The first catalyst combustion part and the second catalyst combustion part are arranged on both sides of the vaporization part .
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の別の特徴構成は、前記補助加熱手段は、熱源としてのカートリッジヒーターと、当該カートリッジヒーターが内蔵される板状の熱伝導部材とを有する点にある。 Another characteristic configuration of the solid oxide fuel cell according to the present invention is that the auxiliary heating means includes a cartridge heater as a heat source and a plate-like heat conduction member in which the cartridge heater is built.
上記特徴構成によれば、板状の熱伝導部材にはカートリッジヒーターで発生した熱が伝えられる。熱伝導部材は板状、即ち、表面積が大きい形状であるので、補助加熱手段を用いて広い面積への熱伝達を行うことができる。 According to the above characteristic configuration, the heat generated by the cartridge heater is transmitted to the plate-like heat conducting member. Since the heat conducting member has a plate shape, that is, a shape having a large surface area, heat transfer to a wide area can be performed using the auxiliary heating means.
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記補助加熱手段は、熱源としてのカートリッジヒーターと、当該カートリッジヒーターが内蔵される板状の第1熱伝導部材と、当該第1熱伝導部材に接する板状の第2熱伝導部材とを有する点にある。 Still another characteristic configuration of the solid oxide fuel cell according to the present invention is that the auxiliary heating means includes a cartridge heater as a heat source, a plate-like first heat conduction member in which the cartridge heater is incorporated, It has the point which has the plate-shaped 2nd heat conductive member which touches 1 heat conductive member.
上記特徴構成によれば、板状の熱伝導部材にはカートリッジヒーターで発生した熱が伝えられる。第1熱伝導部材及び第2熱伝導部材は共に板状、即ち、表面積が大きい形状であるので、補助加熱手段を用いて広い面積への熱伝達を行うことができる。 According to the above characteristic configuration, the heat generated by the cartridge heater is transmitted to the plate-like heat conducting member. Since both the first heat conducting member and the second heat conducting member are plate-shaped, that is, have a large surface area, heat transfer to a wide area can be performed using auxiliary heating means.
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記加熱装置は、前記第1加熱部での前記原燃料ガスの加熱に用いられた後の、及び、前記気化部での前記水の気化に用いられた後の前記排ガスが有する熱を用いて、前記燃料電池セルに供給する酸化剤を加熱する第2加熱部を有する点にある。 Still another characteristic configuration of the solid oxide fuel cell according to the present invention is that the heating device is used for heating the raw fuel gas in the first heating unit and in the vaporization unit. It has the point which has the 2nd heating part which heats the oxidant supplied to the fuel cell using the heat which the exhaust gas after being used for the vaporization of water has.
上記特徴構成によれば、酸化剤は、燃料電池ハウジングの外部に設けられる加熱装置(第2加熱部)で加熱された後で燃料電池セルに供給される。つまり、燃料電池ハウジングの内部の熱は、酸化剤の加熱のために大きく消費されることはない。その結果、燃料利用率が高い状態であっても(即ち、セルスタックから排出されるオフガス中に含まれる未燃ガスが少ないことに伴って燃焼熱が相対的に低下した状態であっても)、燃料電池ハウジングの内部での温度を安定して高く保つことができ、固体酸化物形燃料電池の発電性能を維持することができる。
加えて、燃料電池ハウジングから排出された排ガスは、第1加熱部及び気化部で原燃料及び水の加熱に用いられた後で、第2加熱部での酸化剤の加熱に用いられる。つまり、第1加熱部及び気化部には、相対的に高温の排ガスを供給して、その高温の排ガスによって原燃料及び水の加熱を行うことができる。
According to the above characteristic configuration, the oxidant is supplied to the fuel cell after being heated by the heating device (second heating unit) provided outside the fuel cell housing. That is, the heat inside the fuel cell housing is not greatly consumed due to the heating of the oxidant. As a result, even when the fuel utilization rate is high (that is, even when the combustion heat is relatively lowered due to the small amount of unburned gas contained in the off-gas discharged from the cell stack) In addition, the temperature inside the fuel cell housing can be kept stable and high, and the power generation performance of the solid oxide fuel cell can be maintained.
In addition, the exhaust gas discharged from the fuel cell housing is used for heating the raw fuel and water in the first heating unit and the vaporization unit, and then used for heating the oxidant in the second heating unit. That is, it is possible to supply a relatively high temperature exhaust gas to the first heating unit and the vaporization unit, and to heat the raw fuel and water with the high temperature exhaust gas.
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記加熱装置は、前記燃料電池ハウジングの内部の熱が伝達される前記燃料電池ハウジングの一つの外面に相対した状態で前記燃料電池ハウジングと一体に構成され、
前記第1加熱部及び前記気化部は、前記第2加熱部よりも前記燃料電池ハウジングに近い位置に配置される点にある。
According to still another feature of the solid oxide fuel cell according to the present invention, the heating device may be configured such that the fuel is in a state facing one outer surface of the fuel cell housing to which heat inside the fuel cell housing is transmitted. Constructed integrally with the battery housing,
The first heating unit and the vaporizing unit are arranged at positions closer to the fuel cell housing than the second heating unit.
上記特徴構成によれば、加熱装置が、燃料電池ハウジングの一つの外面に相対した状態で設けられるので、燃料電池ハウジングの一つの外面から放出される熱を加熱装置で受けて利用することができる。
加えて、燃料電池ハウジングを構成する部材から放出される熱が、加熱装置において、第2加熱部よりも、第1加熱部及び気化部に対して優先的に伝達されるようにできる。
According to the above characteristic configuration, since the heating device is provided in a state facing the one outer surface of the fuel cell housing, the heat released from the one outer surface of the fuel cell housing can be received and used by the heating device. .
In addition, the heat released from the members constituting the fuel cell housing can be preferentially transmitted to the first heating unit and the vaporizing unit over the second heating unit in the heating device.
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記第1加熱部は、面状に広がる第1加熱空間を有し、前記原燃料ガスは、前記第1加熱空間で形成される面に沿う方向に流れ、前記第1加熱空間の少なくとも一部分は、前記改質器に供給する水が供給されてその水の気化が行われる前記気化部として機能し、前記第1加熱部において、前記改質器に供給される前記原燃料ガスと水蒸気との混合気体が生成される点にある。 Still another characteristic configuration of the solid oxide fuel cell according to the present invention is that the first heating unit has a first heating space that spreads in a planar shape, and the raw fuel gas is formed in the first heating space. At least a portion of the first heating space functions as the vaporization unit that is supplied with water supplied to the reformer and vaporizes the water, and the first heating unit In the above, a mixed gas of the raw fuel gas and steam supplied to the reformer is generated.
上記特徴構成によれば、原燃料ガスの加熱及び水の気化(即ち、水蒸気の生成)と、原燃料ガス及び水蒸気の混合ガスの生成が、気化部としても機能する第1加熱部において行われる。その結果、原燃料ガスの加熱を行う機器と、水の気化を行う機器と、原燃料ガス及び水蒸気の混合ガスの生成を行う機器とを各別に備える場合に比べて、装置を単純にすることができる。 According to the above characteristic configuration, heating of the raw fuel gas and vaporization of water (that is, generation of water vapor) and generation of a mixed gas of the raw fuel gas and water vapor are performed in the first heating unit that also functions as the vaporization unit. . As a result, the apparatus should be simplified compared to the case where a device for heating raw fuel gas, a device for vaporizing water, and a device for generating a mixed gas of raw fuel gas and water vapor are provided separately. Can do.
以下に図面を参照して本発明に係る固体酸化物形燃料電池について説明する。
図1は、固体酸化物形燃料電池FCが備える燃料電池ハウジング1及び加熱装置2の機能ブロック図である。
図1に示すように、固体酸化物形燃料電池FCは、炭化水素系の原燃料ガス(図中ではCH4(メタン)を例示)を水蒸気改質して燃料ガス(図中ではH2(水素)を例示)を生成する改質器3と、改質器3にて生成された燃料ガス及び酸化剤(後述する酸素(空気))の酸化及び還元により発電を行う複数個の燃料電池セル14を有するセルスタック9と、セルスタック9からのオフガスを燃焼する燃焼部10とを燃料電池ハウジング1の内部に備え、燃料電池ハウジング1の内部から外部へ排出される排ガスが有する熱を用いて改質器3に供給する原燃料ガスを加熱する第1加熱部2Aと、排ガスが有する熱を用いて改質器3に供給する水を気化する気化部16と、排ガス中に残存している未燃ガス(例えば、CO、H2等)を燃焼除去する触媒燃焼部36と、気化部16及び触媒燃焼部36を同時に加熱可能な補助加熱手段41とを有する加熱装置2を、燃料電池ハウジング1の外部に備える。更に、本実施形態では、加熱装置2は、第1加熱部2Aでの原燃料ガスの加熱に用いられた後の、及び、気化部16での水の気化に用いられた後の排ガスが有する熱を用いて、燃料電池セル14に供給する酸素(酸化剤)を加熱する第2加熱部2Bを備える。
A solid oxide fuel cell according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a functional block diagram of a
As shown in FIG. 1, the solid oxide fuel cell FC is formed by steam reforming a hydrocarbon-based raw fuel gas (CH 4 (methane) is exemplified in the figure) (H 2 (in the figure)). And a plurality of fuel cells that generate power by oxidation and reduction of a fuel gas and an oxidant (oxygen (air), which will be described later) generated by the
図2は、固体酸化物形燃料電池FCの概略的な断面図である。図3は、固体酸化物形燃料電池FCの燃料電池ハウジング1に収容される機器の構成を示す斜視図である。図2に示す例では、外装ケース4が、燃料電池ハウジング1と加熱装置2とを収容している。つまり、図2に示す固体酸化物形燃料電池FCは、加熱装置2を、燃料電池ハウジング1の一つの外面に相対した状態で燃料電池ハウジング1と一体に備える。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the solid oxide fuel cell FC. FIG. 3 is a perspective view showing a configuration of a device housed in the
燃料電池ハウジング1は、4つの側壁1b及び上壁1c及び下壁1eで囲まれて構成される。燃料電池ハウジング1は、平面視で、即ち横断面が矩形である。各図において、この矩形の短手方向を「X」と表記し、それに直交する長手方向を「Y」と表記する。更に、燃料電池ハウジング1の内部は、X方向で対面する2つの側壁1bよりも内側でそのX方向に対面し且つ下壁1eよりも内側でそれら対面部分を連結するように設けられた内部隔壁1aで区画されている。尚、内部隔壁1aはY方向で対面する部位には設けられていない。つまり、燃料電池ハウジング1の内側では、X方向では内部隔壁1a同士が対面し、Y方向では側壁1b同士が対面している。更に、X方向で対面し且つ下壁1eよりも内側でそれら対面部分を連結している内部隔壁1a及びY方向で対面している側壁1bの内側には断熱材37を設けてあり、その断熱材37よりも更に内側には改質器3及びセルスタック9及びガスマニホールド15を設けてある。また、内部隔壁1aよりも外側の、側壁1b及び下壁1eとの間の空間には、後述するように、燃料電池ハウジング1の内部から外部へ排出される排ガスが流れるようになっている。
The
燃料電池ハウジング1の内部の上記断熱材37よりも内側に設けられるセルスタック9は、改質器3で生成された燃料ガスが通流する燃料通流部(図示せず)と空気(即ち、酸化剤(酸素))が通流する空気通流部(図示せず)とを備えた複数の固体酸化物形の燃料電池セル14を電気的に直列接続した状態で備えて構成されている。図示は省略するが、燃料電池セル14は、燃料極と空気極との間に固体電解質層を備えた固体酸化物形に構成される。各燃料電池セル14では、燃料通流部を燃料ガスが上向きに通流することで燃料極の全体に燃料ガスが供給され、空気通流部を上向きに空気が通流することで空気極の全体に空気が供給される。つまり、各燃料電池セル14は、燃料通流部における燃料ガスの排出口及び空気通流部における排出口が上向きになる姿勢で横方向に並ぶ状態で、燃料電池ハウジング1の内部に設置されている。
The
加えて、改質器3から燃料ガス供給路11を通して供給される燃料ガスを受け入れるガスマニホールド15が設けられる。複数の燃料電池セル14は、ガスマニホールド15の上方側に上述のように並ぶ状態で配置され、ガスマニホールド15と複数の燃料電池セル14における燃料通流部の下端のガス導入口とが連通接続されている。そして、ガスマニホールド15に供給された燃料ガスが複数の燃料電池セル14夫々の燃料通流部に対して下端のガス導入口から供給されて、各燃料通流部を下方側から上方側に通流して発電反応に供される。発電反応に供された後の排燃料ガスは、上端の排出口から排出される。
In addition, a
断熱材37よりも内側の空間には、後述する空気導入路8及び下方向誘導路1dを介して空気が供給される。複数の燃料電池セル14夫々における空気通流部の下端部近傍には、断熱材37よりも内側の空間と空気通流部の内部とを連通する空気供給孔(図示せず)が設けられている。複数の燃料電池セル14夫々の空気通流部には断熱材37よりも内側の空間の空気がこの空気供給孔を通して供給されて、各空気通流部を下方側から上方側に通流して発電反応に供される。発電反応に供された後の排空気は、上端の排出口から排出される。
Air is supplied to the space inside the
セルスタック9の上方には、オフガス(即ち、各燃料電池セル14の燃料通流部から排出される排燃料ガスと空気通流部から排出される排空気(即ち、酸素))を燃焼させる燃焼空間(即ち、燃焼部10)が形成される。つまり、セルスタック9により燃焼部10が実現される。加えて、改質器3が、燃焼部10として機能するセルスタック9の上方の燃焼空間に隣接して設けられている。その結果、燃焼部10で発生する燃焼熱によって、改質器3が加熱される。改質器3には混合ガス供給路7を介して原燃料ガスと水蒸気との混合ガスが供給され、改質器3において原燃料ガスの水蒸気改質が行われる。図示は省略するが、改質器3の内部には改質触媒が充填されており、この改質触媒の触媒作用によって原燃料ガスが改質処理される。
Combustion that burns off-gas (that is, exhaust fuel gas discharged from the fuel flow portion of each
燃料電池ハウジング1の内部からの排ガスは、内部隔壁1aよりも外側の、側壁1b及び下壁1eとの間の空間を通って燃料電池ハウジング1の外部に排出される。本実施形態では、断熱材37よりも内側の空間で発生した排ガスが、内部隔壁1aと側壁1bとの間の空間を下方に向けて流れ、内部隔壁1aと下壁1eとの間の空間に至り、排ガス流出入口12を通って加熱装置2へと排出される。
Exhaust gas from the inside of the
次に、図4〜図8を参照して、固体酸化物形燃料電池FCの加熱装置2の構成について説明する。図4は、固体酸化物形燃料電池FCの加熱装置2の全体構成を説明する図である。図5は、加熱装置2の上段部分の構成を説明する分解斜視図である。図6は、加熱装置2の上段部分が有するA層17Aの構成を説明する図である。図7は、加熱装置2の上段部分が有する補助加熱手段41の構成を説明する図である。図8は、加熱装置2の下段部分の構成を説明する分解斜視図である。これらの図においても、図2及び図3と同様に、加熱装置2の矩形の短手方向を「X」と表記し、それに直交する長手方向を「Y」と表記する。
Next, the configuration of the
本実施形態の加熱装置2は、A層17A〜H層17Hまでの8層からなる多層構造である。このうち、図5に示す上段部分は、A層17A〜C層17Cまでの3層で構成され、第1加熱部2A及び気化部16及び触媒燃焼部36及び補助加熱手段41及び第2熱伝導部材43が含まれる。また、図8に示す下段部分は、D層17D〜H層17Hまでの5層で構成され、第2加熱部2Bが含まれる。また、加熱装置2は、平面視で、即ち横断面が矩形に構成されている。加えて、本実施形態では、第1加熱部2A及び気化部16(A層17A)は、第2加熱部2B(E層17E、G層17G)よりも燃料電池ハウジング1に近い位置に配置される。
The
また、加熱装置2は、平面視で、即ち横断面が矩形に構成されている。特に本実施形態では、燃料電池ハウジング1の平面視での矩形形状と加熱装置2の平面視での矩形形状とはほぼ同一形状に形成してある。その結果、燃料電池ハウジング1及び加熱装置2は、加熱装置2を下方に配置して積み重ねられた状態で一体化されている。つまり、加熱装置2は、燃料電池ハウジング1の内部の熱が伝達される燃料電池ハウジング1の一つの外面である下壁1eに相対した状態で燃料電池ハウジング1と一体に設けられる。従って、燃料電池ハウジング1の下壁1eから外部へ熱が放出されるとしても、その放出される熱は、ほとんど消散することなく、その下壁1eと相対する状態で燃料電池ハウジング1と一体に設けられる加熱装置2側へ伝達されるようになる。
Moreover, the
図4及び図5に示すように、燃料電池ハウジング1からの排ガスは、下壁1eに設けられる排ガス流出入口12を介して燃料電池ハウジング1の外部に排出される(即ち、第1加熱部2Aの内部に供給される)ように構成されている。
As shown in FIGS. 4 and 5, the exhaust gas from the
図2及び図4及び図5及び図8に示すように、燃料電池ハウジング1と加熱装置2の間には板状の伝熱量調整部材5が介装され、加熱装置2の上段部分(A層17A〜C層17C)と下段部分(D層17D〜H層17H)との間には板状の伝熱量調整部材6が介装されている。伝熱量調整部材5、6を設けることで、伝熱量調整部材5、6を挟んだ一方側から他方側への熱伝達を調整或いは制限することができる。つまり、伝熱量調整部材5、6として、熱伝達を制限するような構成を採用すれば、燃料電池ハウジング1から加熱装置2への熱伝達、及び、上段部分(A層17A〜C層17C)と下段部分(D層17D〜H層17H)への熱伝達を、主に排ガスを媒体とした熱伝達によって行うことができる。或いは、伝熱量調整部材5、6として、熱伝達を促進するような構成を採用すれば、燃料電池ハウジング1から加熱装置2への熱伝達、及び、上段部分(A層17A〜C層17C)と下段部分(D層17D〜H層17H)への熱伝達を、排ガスを媒体とした熱伝達と、伝熱量調整部材5、6を介した熱伝達とによって行うことができる。
As shown in FIGS. 2, 4, 5, and 8, a plate-shaped heat transfer amount adjusting member 5 is interposed between the
例えば、伝熱量調整部材5、6によって燃料電池ハウジング1を構成する部材から加熱装置2を構成する部材への熱伝達を制限するような場合、断熱材料を板状又はシート状に形成した構成や、断熱シートを袋状に形成し、その袋状の断熱シートの内部に粒状の断熱材料を充填した構成や、直接の接触を極力排した空間層の構成や、真空断熱層の構成などを伝熱量調整部材5、6として採用できる。或いは、伝熱量調整部材5、6によって燃料電池ハウジング1を構成する部材から加熱装置2を構成する部材への熱伝達を促進するような場合、板状に構成した金属材料などを伝熱量調整部材5、6として採用できる。
For example, in the case where heat transfer from the member constituting the
次に、加熱装置2が有する上段部分(A層17A〜C層17C)と下段部分(D層17D〜H層17H)の構成について説明する。
Next, the structure of the upper part (A
〔上段部分(A層17A〜C層17C)〕
図2及び図4及び図5に示すように、A層17Aは、第1加熱部2A及び気化部16及び触媒燃焼部36を有する。後述するように、第1加熱部2Aは、面状に広がる第1加熱空間18を有し、原燃料ガスは、第1加熱空間18で形成される面に沿う方向に流れ、第1加熱空間18の少なくとも一部分は、改質器3に供給する水が供給されてその水の気化が行われる気化部16として機能し、第1加熱部2Aにおいて、改質器3に供給される原燃料ガスと水蒸気との混合気体が生成される。
[Upper part (A
As shown in FIGS. 2, 4, and 5, the A layer 17 </ b> A includes the
具体的には、A層17Aには、燃料電池ハウジング1から排出された排ガスが供給される。A層17Aの上方に設けられる上述した燃料電池ハウジング1の下壁1eは、A層17Aにとっての蓋部材の役割を果たしている。加えて、この下壁1eは、燃料電池ハウジング1から加熱装置2への伝熱量を調整する上記伝熱量調整部材5としての役割も果たしている。
Specifically, the exhaust gas discharged from the
図5に示すように、A層17Aの表面側は、仕切部材29によって3つの区画に分けられている。触媒燃焼部36は、仕切部材29aによって囲われる部分(第1触媒燃焼部36A)と、仕切部材29bによって囲われる部分(第2触媒燃焼部36B)とで構成される。第1触媒燃焼部36Aの一端側には排ガス流出入口12a(12)から排ガスが流入し、その排ガスは第1触媒燃焼部36Aの他端側に設けられる孔部38aから、A層17Aの裏面側へと排出される。同様に、第2触媒燃焼部36Bの一端側には排ガス流出入口12b(12)から排ガスが流入し、その排ガスは第2触媒燃焼部36Bの他端側に設けられる孔部38bから、A層17Aの裏面側へと排出される。
As shown in FIG. 5, the surface side of the A layer 17 </ b> A is divided into three sections by a
第1触媒燃焼部36Aには、長手方向(Y方向)に沿って直線状に延びる谷部分と山部分とが短手方向(X方向)に向かって交互に配列されることで波型に形成された波型プレート36aが設けられている。つまり、第1触媒燃焼部36Aでは、排ガスは短手方向(X方向)に向かって通流することがその波型部分によって制限される。同様に、第2触媒燃焼部36Bには、長手方向(Y方向)に沿って直線状に延びる谷部分と山部分とが短手方向(X方向)に向かって交互に配列されることで波型に形成された波型プレート36bが設けられている。つまり、第2触媒燃焼部36Bでは、排ガスは短手方向(X方向)に向かって通流することがその波型部分によって制限される。これら波型プレート36a及び波型プレート36bの谷部分には、燃焼用触媒が充填されており、ここで排ガス中に含まれる未燃ガス(例えば、CO、H2等)の触媒燃焼が行われる。
The first
A層17Aの表面には、燃料電池ハウジング1の内部から外部へ排出される排ガスが有する熱を用いて改質器3に供給する原燃料ガスを加熱する第1加熱部2A、及び、排ガスが有する熱を用いて改質器3に供給する水を気化する気化部16も設けられる。第1加熱部2Aは、面状に広がる第1加熱空間18を有し、原燃料ガスは、第1加熱空間18で形成される面に沿う方向に流れる。第1加熱空間18の少なくとも一部分は、改質器3に供給する水が供給されてその水の気化が行われる気化部16として機能する。この第1加熱部2Aにおいて、改質器3に供給される原燃料ガスと水蒸気との混合気体が生成される。この第1加熱空間18は、後述する波型プレート44及び波型プレート45が設けられている空間である。つまり、原燃料ガスの加熱及び水の気化(即ち、水蒸気の生成)と、原燃料ガス及び水蒸気の混合ガスの生成が、気化部16としても機能する第1加熱部2Aにおいて行われる。
On the surface of the
図5に示すように、A層17Aの表面側の第1触媒燃焼部36Aと第2触媒燃焼部36Bに挟まれた領域には、波型プレート44が設けられる。この波型プレート44の部分には、原燃料供給管23を経由して原燃料ガス(図中では「CH4」:メタンと記載する)が供給され、及び、水供給管22を経由して水(図中では「H2O」と記載する)が供給される。後述するように、この波型プレート44の部分は、供給される水を気化させる気化部16として機能する。そして、波型プレート44の部分で得られる原燃料ガスと水蒸気との混合ガスは、下流側の波型プレート45の方へ流れ出す。
As shown in FIG. 5, a
原燃料ガス及び水が供給される波型プレート44の部分には、隣接する触媒燃焼部36A、36Bから熱(排ガスが保有する熱)が伝達され、加えて燃料電池ハウジング1から伝熱量調整部材5を介して熱が伝達されることもある。
更に、図5及び図6に示すように、A層17Aの裏面側であって、触媒燃焼部36A、36Bが設けられている部分と、波型プレート44が設けられている部分とに相対する部分には、B層17Bを構成する補助加熱手段41が設けられている。その結果、触媒燃焼部36A、36Bが設けられている部分と、波型プレート44が設けられている部分とには、補助加熱手段41で発生した熱が伝達される。つまり、補助加熱手段41は、触媒燃焼部36A、36Bが設けられている部分と、波型プレート44が設けられている部分とを同時に加熱可能に構成されている。
Heat (heat retained by the exhaust gas) is transmitted from the adjacent
Further, as shown in FIGS. 5 and 6, the back surface side of the A layer 17 </ b> A is opposed to the portion where the
更に説明すると、補助加熱手段41は、面状に広がりを有する形態で構成され、補助加熱手段41と第1加熱部2Aの第1加熱空間18の少なくとも一部分(波型プレート44が設けられる部分)とが対面する位置関係で配置されている。このように、第1加熱部2Aが有する面状に広がる第1加熱空間18のうち、気化部16として機能する部分(原燃料ガス及び水(水蒸気)が流れる部分)は、同じく面状に広がりを有する補助加熱手段41に対面する位置関係で配置される。つまり、両者の熱交換の伝熱面積を大きくすることができている。
More specifically, the
以上のように、原燃料ガス及び水が供給される波型プレート44が設けられている部分には、燃料電池ハウジング1から伝熱量調整部材5を介して熱が伝達され、且つ、隣接する触媒燃焼部36A、36Bから熱(排ガスが保有する熱)が伝達され、且つ、裏面に設けられる補助加熱手段41から熱が伝達される。その結果、波型プレート44が設けられている部分では、原燃料ガスの加熱と水の加熱(気化)とが併せて行われ、更に、原燃料ガスと水蒸気との混合が行われる。つまり、波型プレート44が設けられている部分は、第1加熱部2A及び気化部16として機能する。そして、波型プレート44が設けられている部分で作成された原燃料ガスと水蒸気との混合ガスは、それよりも下流側の波型プレート45が設けられている部分へと移動する。特に、波型プレートのような形状を採用した場合、通流するガスや水とその波型プレートとの接触面積が大きくなる。その結果、波型プレートを介した熱交換が効率的に行われる。
As described above, heat is transmitted from the
第1触媒燃焼部36Aを流れた後で孔部38aから排出された排ガス及び第2触媒燃焼部36Bを流れた後で孔部38bから排出された排ガスは、A層17Aの裏面に至る。図6は、A層17Aの裏面側の構造を説明する図である。図6に示すように、孔部38a、38bを通ってA層17Aの表面側から裏面側へと流入した排ガス(触媒燃焼部36を通過した後の排ガス)は、A層17Aの裏面側に設けられている波型プレート46を通過する。この波型プレート46は、長手方向(Y方向)に沿って直線状に延びる谷部分と山部分とが短手方向(X方向)に向かって交互に配列されることで波型に形成されている。
The exhaust gas discharged from the
A層17Aの裏面側の波型プレート46が設けられている部分(即ち、原燃料ガスと水蒸気との混合ガスが流れる部分)は、A層17Aの表面側の波型プレート45が設けられている部分(即ち、触媒燃焼部36を通過した後の排ガスが流れる部分)に対応する。このように、A層17Aの表面側には混合ガスが流れ、A層17Aの裏面側には排ガスが流れることで、A層17Aの表面側と裏面側との間で熱交換が行われる。本実施形態の場合、A層17Aの表面側において波型プレート45が設けられている部分を流れる混合ガスに対して、A層17Aの裏面側において波型プレート46が設けられている部分を流れる排ガスが保有する熱が伝達される。即ち、A層17Aの表面側において波型プレート45が設けられている部分は、燃料電池ハウジング1の内部から外部へ排出される排ガスが有する熱を用いて改質器3に供給する原燃料ガスを加熱する第1加熱部2Aとして機能する。
The portion where the
A層17Aの表面側の波型プレート45によって加熱された後の混合ガス(原燃料ガスと水蒸気との混合ガス)は、孔部39を通ってA層17Aの裏面側へと排出される。
The mixed gas (mixed gas of raw fuel gas and water vapor) after being heated by the
B層17Bは、補助加熱手段41と蓋部材42とで構成されている。C層17Cは、第2熱伝導部材43で構成されている。
図7は、補助加熱手段41の構成を説明する図である。補助加熱手段41は、熱源としてのカートリッジヒーター41cと、カートリッジヒーター41cが内蔵される板状の熱伝導部材(第1熱伝導部材)41aとを有する。図7に示すように、板状の第1熱伝導部材41aの内部には、その板面に沿ってヒーター穴41bが形成されている。そして、ヒーター穴41bに対してカートリッジヒーター41cが挿入されることで、そのカートリッジヒーター41cで発生した熱が第1熱伝導部材41aに伝達される。カートリッジヒーター41cは、通電されることでジュール熱を発する電気式ヒーターなどを利用できる。
The B layer 17 </ b> B includes an auxiliary heating means 41 and a
FIG. 7 is a diagram illustrating the configuration of the auxiliary heating means 41. The auxiliary heating means 41 includes a
B層17Bにおいて、補助加熱手段41と蓋部材42とはY方向に沿って隣接して設けられている。そして、補助加熱手段41と蓋部材42とを組み合わせることで、A層17Aの裏面側全体が覆われることになる。また、補助加熱手段41と蓋部材42とを組み合わせた状態で、長手方向(Y方向)に沿って延びる混合ガス流路40が形成されている。この混合ガス流路40は、A層17Aの裏面側に形成される溝40aとB層17Bの表面側に形成される溝40bとに囲まれた空間によって形成されるものである。そして、図5及び図6に示すように、A層17Aの表面側から裏面側へと流れてきた原燃料ガスと水蒸気との混合ガスは、混合ガス流路40を通過して混合ガス供給路7へと至る。
In the
更に、本実施形態では、C層17Cを構成する第2熱伝導部材43が、B層17Bの補助加熱手段41及び蓋部材42に対して接触するように設けられる。つまり、本実施形態の補助加熱手段41は、熱源としてのカートリッジヒーター41cと、カートリッジヒーター41cが内蔵される板状の第1熱伝導部材41aと、第1熱伝導部材41aに接する板状の第2熱伝導部材43とを有するように構成されている。その結果、補助加熱手段41で発生した熱は、第2熱伝導部材43に対して良好に伝達され、更にその第2熱伝導部材43から蓋部材42に対する熱伝導も良好に行われる。そして、蓋部材42が保有する熱は、A層17Aの裏面を流れる排ガスに対して伝達されることになる。
Further, in the present embodiment, the second
〔下段部分(D層17D〜H層17H)〕
図2及び図4及び図8に示すように、加熱装置2の下段部分は、排ガスが流れる3つの層(D層17D、F層17F、H層17H)の間に、空気が流れる2つの層(E層17E、G層17G)を挟んだ構成となっている。図8に示すように、排ガスが流れるD層17D及びF層17F及びH層17Hは互いに同じ形状であり、空気が流れるE層17E及びG層17Gは互いに同じ形状である。
[Lower part (
As shown in FIGS. 2, 4, and 8, the lower part of the
排ガスが流れるD層17D及びF層17F及びH層17Hの各層には、A層17Aから排出された排ガスが、互いに連通する排ガス流入溜50を経由して流入する。D層17D及びF層17F及びH層17Hの各層は、短手方向(X方向)に沿って延びる5個の仕切部材32によって6つの空間30a〜30fに仕切られている。尚、各仕切部材32は各層の短手方向の全体に渡って延びておらず、隣接する空間同士は連通する。例えば、空間30aと空間30bとは、その間に設けられる仕切部材32によって仕切られているが、完全に隔離されている訳ではなく、排ガスが仕切部材32の端部を回り込むように通流できる。また、空間30a〜30fには、短手方向(X方向)に沿って直線状に延びる谷部分と山部分とが長手方向(Y方向)に向かって交互に配列されることで波型に形成された波型プレート31a〜31fが設けられている。つまり、各空間30a〜30fにおいて、排ガスは、長手方向(Y方向)に向かって通流することがその波型部分によって制限される。D層17Dの場合、排ガスは、排ガス流入溜50から空間30aに流入し、その後、仕切部材32を回り込みながら、空間30b、空間30c、空間30d、空間30e、空間30fへと長手方向(Y方向)に向かって順に流れ、最終的に排ガス流出溜51へと至る。そして、排ガス流出溜51から排気管27を介して排気が行われる。
The exhaust gas discharged from the
具体的には、D層17Dにおいて、排ガスは、一つの空間内では、波型プレート31a〜31fによって長手方向(Y方向)への通流が制限された状態で短手方向(X方向)へと流れる。その結果、排ガスは、各空間30a〜30fにおいて短手方向(X方向)に流れながら、次に長手方向(Y方向)に隣接する空間に流入し、その空間内でも、波型プレート31a〜31fによって長手方向(Y方向)への通流が制限された状態で短手方向(X方向)へ流れる。つまり、D層17D全体で見ると、各空間30a〜30fにおいて短手方向(X方向)に蛇行しながら空間30aから空間30fへと長手方向(Y方向)に流れる。このように、D層17Dでは、波型プレート31a〜31fによって、排ガスと波型プレート31a〜31fとの接触面積が大きくなることで、排ガスが保有する熱が波型プレート31a〜31fに、即ち、D層17Dを構成する部材自体に伝達され易くなる。加えて、図8に示す例では、D層17Dを構成する波型プレート31a〜31fや仕切部材32などと一体化して、それの下方に仕切板を設けている。そして、この仕切板が、D層17Dとその下方のE層17Eとを隔てる部材となる。その結果、D層17Dを構成する部材に伝達された熱は、この仕切板を介して、D層17Dの下方に設けられるE層17Eに対して更に伝達される。つまり、D層17Dを流れる相対的に高温の排ガスと、E層17Eを流れる相対的に低温の空気との間の熱交換が、熱伝導部材としての仕切板によって良好に行われることになる。
Specifically, in the
空気が流れるE層17E及びG層17Gは、排ガスが有する熱を用いて燃料電池セル14に供給する酸化剤を加熱する第2加熱部2Bとして機能する。E層17E及びG層17Gの各層には、空気供給部28から供給される空気(酸化剤としての酸素)が、互いに連通する空気流入溜52を経由して流入する。E層17E及びG層17Gの各層は、短手方向(X方向)に沿って延びる5個の仕切部材35によって6つの空間33a〜33fに仕切られている。尚、各仕切部材35は各層の短手方向の全体に渡って延びておらず、隣接する空間同士は連通する。例えば、空間33aと空間33bとは、その間に設けられる仕切部材35によって仕切られているが、完全に隔離されている訳ではなく、空気が仕切部材35の端部を回り込むように通流できる。また、空間33a〜33fには、短手方向(X方向)に沿って直線状に延びる谷部分と山部分とが長手方向(Y方向)に向かって交互に配列されることで波型に形成された波型プレート34a〜34fが設けられている。つまり、各空間33a〜33fにおいて、空気は、長手方向(Y方向)に向かって通流することがその波型部分によって制限される。E層17Eの場合、空気は、空気流入溜52から空間33aに流入し、その後、仕切部材35を回り込みながら、空間33b、空間33c、空間33d、空間33e、空間33fへと長手方向(Y方向)に向かって順に流れ、最終的に空気流出溜53へと至る。そして、空気流出溜53から空気導入路8を介して燃料電池ハウジング1へと空気が供給される。
The
具体的には、E層17Eにおいて、空気は、一つの空間内では、波型プレート34a〜34eによって長手方向(Y方向)への通流が制限された状態で短手方向(X方向)へと流れる。その結果、空気は、各空間33a〜33fにおいて短手方向(X方向)に流れながら、次に長手方向(Y方向)に隣接する空間に流入し、その空間内でも、波型プレート34a〜34eによって長手方向(Y方向)への通流が制限された状態で短手方向(X方向)へ流れる。つまり、E層17E全体で見ると、空気は、空間33a〜33fの各空間において短手方向(X方向)に蛇行しながら空間33aから空間33fへと長手方向(Y方向)に流れる。これらE層17Eを構成する部材には、上述したようにD層17Dから熱が伝達されている。その結果、E層17Eでは、波型プレート34a〜34eによって、空気と波型プレート34a〜34eとの接触面積が大きくなることで、E層17Eを構成する部材が保有する熱が空気に伝達され易くなる。そして、このE層17Eで加熱された空気が空気導入路8を介して燃料電池ハウジング1の内部に導入され、セルスタック9での発電反応及び燃焼部10での燃焼に利用される。加えて、図8に示す例では、E層17Eを構成する波型プレート34a〜34fや仕切部材35などと一体化して、それの下方に仕切板を設けている。そして、この仕切板が、E層17Dとその下方のF層17Fとを隔てる部材となる。その結果、E層17Eの下方に設けられたF層17F(排ガスが流れる層)が保有する熱が、この仕切板を介して、上方のE層17Eに対して伝達される。つまり、F層17Fを流れる相対的に高温の排ガスと、E層17Eを流れる相対的に低温の空気との間の熱交換が、熱伝導部材としての仕切板によって良好に行われることになる。
Specifically, in the
尚、詳細な説明を省略するが、排ガスが流れるF層17F及びH層17Hの構成は上記D層17Dと同様であり、空気が流れるG層17Gの構成はE層17Eと同様である。また、上述したのと同様に、D層17D〜H層17Hのそれぞれの間には、仕切板が設けられている。図8に示す例では、各層を構成する波型プレートや仕切部材などと一体化して、それの下方に仕切板を描いている。各層の間にこの仕切板を設けることで、上述したように、この仕切板を介して各層の間での熱交換、即ち、相対的に高温の排ガスと相対的に低温の空気との間の熱交換が良好に行われることになる。
Although not described in detail, the configurations of the
加えて、図1に示すように、E層17E及びG層17Gで加熱された空気が通流する空気導入路8は、加熱装置2で加熱された空気(酸素)が燃料電池ハウジング1から熱の伝達を受けながら燃料電池ハウジング1の内部に導入されるように構成されている。具体的には、空気導入路8は、加熱装置2と外装ケース4との間の空間、及び、燃料電池ハウジング1と外装ケース4との間の空間に形成される。特に、燃料電池ハウジング1の最外郭を構成する側壁1b及び上壁1cには高温の排ガスの熱が伝達されているため、空気導入路8を通流する空気がその側壁1b及び上壁1cと接触することで、加熱装置2で加熱された後の空気が更に加熱されることになる。
In addition, as shown in FIG. 1, the air (oxygen) heated by the
以上のように、本実施形態の固体酸化物形燃料電池FCでは、改質器3に供給する原燃料ガスを加熱する第1加熱部2Aと、排ガスが有する熱を用いて改質器3に供給する水を気化する気化部16とを有する加熱装置2は、燃料電池ハウジング1の外部に設けられる。つまり、燃料電池ハウジング1の内部の熱は、原燃料ガスの加熱のために大きく消費されることはなく且つ水の気化のために大きく消費されることはない。その結果、燃料利用率が高い状態であっても(即ち、セルスタック9から排出されるオフガス中に含まれる燃料ガス成分が少ないことに伴って燃焼熱が相対的に低下した状態であっても)、燃料電池ハウジング1の内部での温度を安定して高く保つことができ、固体酸化物形燃料電池FCの発電性能を維持することができる。
As described above, in the solid oxide fuel cell FC of the present embodiment, the
加えて、加熱装置2は、気化部16及び触媒燃焼部36を同時に加熱可能な補助加熱手段41を有する。つまり、気化部16では、排ガスが有する熱に加えて、補助加熱手段41から供給される熱を用いて改質器3に供給する水を気化することができるので、気化部16にて、必要な量の水蒸気を安定して発生させることができる。また、触媒燃焼部36では、供給される排ガスの温度が低くても補助加熱手段41から供給される熱を用いて昇温されるので、十分な触媒活性を発揮させることができる。その結果、燃料電池ハウジング1から排出される排ガス中に含まれる未燃ガス(例えば、CO、H2等)が固体酸化物形燃料電池FCから流出しないようにできる。
更に、従来技術では、燃料電池ハウジング1の内部と外部との両方に気化部を設け、それらの気化部を切り替えて使用していたが、本特徴構成では、気化部16を燃料電池ハウジング1の外部に設けておけばよいので、装置構成を単純にできるという利点がある。
In addition, the
Further, in the prior art, vaporization portions are provided both inside and outside of the
<別実施形態>
<1>
上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池FCの構成について具体例を挙げて説明したが、その構成は適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態の図8には、排ガスが流れる層を3層(D層17D、F層17F、H層17H)設け、それらの間に空気が流れる層を2層(E層17E、G層17G)設ける5層構造とした例を示したが、5層構造以外の構成に変更してもよい。
他にも、燃料電池ハウジング1の内部構造として、排ガスを、内部隔壁1aよりも外側の、側壁1b及び下壁1eとの間の空間に流すような例を説明したが、その内部構造についても適宜変更可能である。
<Another embodiment>
<1>
In the above embodiment, the configuration of the solid oxide fuel cell FC has been described with a specific example, but the configuration can be changed as appropriate.
For example, in FIG. 8 of the above embodiment, three layers (
In addition, as an internal structure of the
<2>
上記実施形態では、第2熱伝導部材43を補助加熱手段41の一部として設ける例を説明したが、第2熱伝導部材43を設けなくてもよい。つまり、補助加熱手段41を、カートリッジヒーター41cと、カートリッジヒーター41cが内蔵される第1熱伝導部材41aによって構成してもよい。
<2>
In the above embodiment, the example in which the second
<3>
上記実施形態において、燃料電池ハウジング1の平面視での形状と加熱装置2の平面視での形状とはほぼ同一形状に形成してある例、即ち、加熱装置2が、燃料電池ハウジング1の一つの外面である下壁1eの全体に相対した状態で設けられる例を説明したが、燃料電池ハウジング1及び加熱装置2の平面視での形状を互い異ならせてもよい。例えば、加熱装置2の平面視での形状を、燃料電池ハウジング1の平面視での形状よりも大きく又は小さく構成してもよい。
<3>
In the above embodiment, an example in which the shape of the
<4>
改質器3に供給される原燃料ガス(例えばCH4等)と水(H2O)との混合場所については特に限定はない。例えば、図1では、改質器3に対して原燃料ガス(例えばCH4等)と水(H2O)とが別々に導入される方式を説明し、図2及び図5などでは、原燃料ガスと水とが混合された状態で改質器3に導入される方式を説明したが、本発明に係る固体酸化物形燃料電池では何れの方式を採用してもよい。
<4>
There is no particular limitation on the mixing location of raw fuel gas (such as CH 4 ) and water (H 2 O) supplied to the
本発明は、装置の構成を複雑にせず且つ装置のコストを上昇させることなく、高い燃料利用率を達成しつつ、起動初期の段階から安定した性能を発揮させることができる固体酸化物形燃料電池に利用できる。 The present invention is a solid oxide fuel cell capable of achieving stable performance from the initial stage of startup while achieving a high fuel utilization rate without complicating the configuration of the device and without increasing the cost of the device. Available to:
1 燃料電池ハウジング
2 加熱装置
2A 第1加熱部
2B 第2加熱部
3 改質器
9 セルスタック
10 燃焼部
14 燃料電池セル
16 気化部
18 第1加熱空間
36 触媒燃焼部
41 補助加熱手段
41a 第1熱伝導部材(熱伝導部材)
41c カートリッジヒーター
43 第2熱伝導部材
FC 固体酸化物形燃料電池
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記燃料電池ハウジングの内部から外部へ排出される排ガスが有する熱を用いて前記改質器に供給する前記原燃料ガスを加熱する第1加熱部と、前記排ガスが有する熱を用いて前記改質器に供給する水を気化する気化部と、前記排ガス中に残存している未燃ガスを燃焼除去する触媒燃焼部と、前記気化部及び前記触媒燃焼部を同時に加熱可能な補助加熱手段とを有する加熱装置を、前記燃料電池ハウジングの外部に備えており、
前記補助加熱手段は面状に広がりを有する形態で構成され、
前記補助加熱手段に対面する概ね同一平面内に、前記触媒燃焼部は前記気化部に隣接して配置されている、固体酸化物形燃料電池。 A reformer that generates a fuel gas by steam reforming a hydrocarbon-based raw fuel gas, and a plurality of fuel cells that generate power by oxidation and reduction of the fuel gas and oxidant generated in the reformer A cell stack having a cell, and a combustion section for burning off-gas from the cell stack inside the fuel cell housing;
A first heating unit that heats the raw fuel gas supplied to the reformer using heat of exhaust gas discharged from the inside of the fuel cell housing to the outside, and the reforming using heat of the exhaust gas A vaporization section for vaporizing water to be supplied to the vessel, a catalyst combustion section for burning and removing unburned gas remaining in the exhaust gas, and an auxiliary heating means capable of heating the vaporization section and the catalyst combustion section simultaneously. A heating device having the outside of the fuel cell housing ,
The auxiliary heating means is configured in a form having a spread in a planar shape,
The solid oxide fuel cell , wherein the catalytic combustion section is disposed adjacent to the vaporization section in substantially the same plane facing the auxiliary heating means .
前記第1触媒燃焼部及び第2触媒燃焼部が前記気化部の両側に配置されている、請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池。 2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the first catalytic combustion section and the second catalytic combustion section are disposed on both sides of the vaporization section.
前記第1加熱部及び前記気化部は、前記第2加熱部よりも前記燃料電池ハウジングに近い位置に配置される請求項5に記載の固体酸化物形燃料電池。 The heating device is configured integrally with the fuel cell housing in a state opposed to one outer surface of the fuel cell housing to which heat inside the fuel cell housing is transmitted,
6. The solid oxide fuel cell according to claim 5 , wherein the first heating unit and the vaporizing unit are disposed closer to the fuel cell housing than the second heating unit.
前記原燃料ガスは、前記第1加熱空間で形成される面に沿う方向に流れ、
前記第1加熱空間の少なくとも一部分は、前記改質器に供給する水が供給されてその水の気化が行われる前記気化部として機能し、
前記第1加熱部において、前記改質器に供給される前記原燃料ガスと水蒸気との混合気体が生成される請求項1〜6の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The first heating unit has a first heating space that spreads in a planar shape,
The raw fuel gas flows in a direction along a surface formed in the first heating space,
At least a portion of the first heating space functions as the vaporization unit that is supplied with water to be supplied to the reformer and vaporizes the water,
The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6 , wherein a mixed gas of the raw fuel gas and water vapor supplied to the reformer is generated in the first heating unit.
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