JP4991087B2 - Fuel cell assembly - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池組立体、更に詳しくは固体電解質形燃料電池発電システムの如き燃料電池発電システムの構成に好適に使用される燃料電池組立体に関する。
The present invention relates to a fuel cell assembly, and more particularly to a fuel cell assembly suitable for use in the construction of such a fuel cell power generation system of the solid electrolyte fuel cell power generation system.
次世代エネルギーとして、近年、燃料電池セルのスタックをハウジング内に収容した燃料電池が種々提案されている。 In recent years, various fuel cells in which a stack of fuel cells is housed in a housing have been proposed as next-generation energy.
固体電解質形燃料電池は、複数の固体電解質形燃料電池セルからなる燃料電池セルスタックをハウジング内に収容して構成され、約1000℃の温度で運転される。
Solid electrolyte fuel cell, a fuel cell stack comprising a plurality of solid electrolyte fuel cell is configured by accommodated in the housing, is operated at a temperature of about 1000 ° C..
発電を行う際に燃料として用いる一般的な水素の供給方法として、天然ガス等の炭化水素と水蒸気を反応させて水素を生成する水蒸気改質法が用いられるが、この反応も500〜900℃で行われるため、改質反応を行う改質器を加熱するまでの時間が長いという問題があった。 As a general hydrogen supply method used as a fuel for power generation, a steam reforming method is used in which hydrogen such as natural gas reacts with steam to generate hydrogen. This reaction is also performed at 500 to 900 ° C. Therefore, there is a problem that it takes a long time to heat the reformer that performs the reforming reaction.
このような問題を解決するために、固体電解質形燃料電池の燃料改質器を燃料電池セルスタックを収容しているハウジング内に配置し、発電に際して発生する熱を水蒸気改質反応に利用し、熱効率を高めることが行われている(例えば、特許文献1参照)。
To solve this problem, the fuel reformer of the solid electrolyte fuel cell disposed in a housing that houses the fuel cell stack, the heat generated during power generation by utilizing the steam reforming reaction, Improvement of thermal efficiency is performed (for example, refer patent document 1).
また、高分子形燃料電池においては、改質装置の起動時間短縮のために発熱反応である部分酸化法、もしくは部分酸化法と水蒸気改質法を組み合わせた方法(以下、オートサーマル法)によって燃料改質を行うことで、加熱源を不要とした改質装置が報告されている(例えば、特許文献2参照)。
しかしながら、上記した燃料改質器をハウジング内に配置する方式では、発電室上部の燃料供給室に改質触媒を充填し、発電室からの輻射熱と排気ガスの熱伝達を加熱源とするため、熱源との距離が遠くなり燃料改質器の昇温に時間がかかるとともに、発電温度以上への加熱が不可能であるという問題がある。 However, in the system in which the above-described fuel reformer is disposed in the housing, the reforming catalyst is filled in the fuel supply chamber at the top of the power generation chamber, and radiant heat from the power generation chamber and heat transfer of the exhaust gas are used as a heat source. There are problems that the distance from the heat source is increased and it takes time to raise the temperature of the fuel reformer, and that heating to a temperature higher than the power generation temperature is impossible.
また、燃料電池出力を少なくした低負荷運転時には発電反応による発熱量が減少するため発電室温度が低下し、水蒸気改質反応に必要な熱量が不足する可能性がある。さらに、起動時には外部からの加熱源が必要となるため、熱効率が低下するという問題がある。 In addition, when the fuel cell output is reduced and the load is low, the amount of heat generated by the power generation reaction is reduced, so that the temperature of the power generation chamber is lowered and the amount of heat necessary for the steam reforming reaction may be insufficient. Furthermore, since an external heating source is required at the time of start-up, there is a problem that the thermal efficiency is lowered.
また、部分酸化法、もしくは部分酸化法と水蒸気改質法を組み合わせた方法によって燃料改質を常時行う場合には、水蒸気改質法に比べて生成される水素量が少ないため発電効率が低下するという問題がある。すなわち、従来手法では、未だ起動時間の短縮と、高い発電効率の達成が十分になされていないという問題があった。このため、本出願人は、改質器を燃焼ガスに曝されるようにハウジング内に収容した燃料電池組立体を出願した(特願2003−151455号)。 In addition, when fuel reforming is always performed by a partial oxidation method or a combination of a partial oxidation method and a steam reforming method, the amount of hydrogen produced is less than that of the steam reforming method, resulting in a decrease in power generation efficiency. There is a problem. That is, the conventional method has a problem that the start-up time is not yet shortened and high power generation efficiency is not sufficiently achieved. For this reason, the present applicant has applied for a fuel cell assembly in which the reformer is accommodated in the housing so as to be exposed to the combustion gas (Japanese Patent Application No. 2003-151455).
このような燃料電池組立体では、改質器が燃焼ガスに曝されるため、改質器を短時間で加熱できるものの、被改質ガス及び被改質ガス導入部付近の改質用触媒が適正温度以上に加熱されてしまうため、改質器に供給された被改質ガス中の炭化水素のクラッキングが起こり易くなり、安定した改質反応が得られず、炭素析出が発生するという問題があった。 In such a fuel cell assembly, since the reformer is exposed to the combustion gas, the reformer can be heated in a short time, but the reforming catalyst and the reforming catalyst in the vicinity of the reformed gas introduction portion are not provided. Since it is heated to an appropriate temperature or higher, cracking of hydrocarbons in the reformed gas supplied to the reformer is likely to occur, a stable reforming reaction cannot be obtained, and carbon deposition occurs. there were.
本発明は、改質器内で安定した改質反応を生じる燃料電池組立体を提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a fuel cell assembly that generates a stable reforming reaction in a reformer.
本発明者は、上記課題について検討した結果、改質触媒が収容された改質器の改質ガス生成部に被改質ガスが入る被改質ガス導入部については、燃焼ガスに直接曝さないようにすることにより、被改質ガス中の炭化水素のクラッキングによる炭素析出を抑制でき、安定した改質反応が得られることを見出し、本発明に至った。
As a result of studying the above problems, the present inventor does not directly expose the reformed gas introduction part in which the reformed gas enters the reformed gas generation part of the reformer in which the reforming catalyst is accommodated, to the combustion gas. By doing so, it was found that carbon deposition due to cracking of hydrocarbons in the gas to be reformed can be suppressed, and a stable reforming reaction can be obtained, leading to the present invention .
即ち、本発明の燃料電池組立体は、ハウジング内に、固体電解質形の燃料電池セルの複数個を列状に配列してなるセルスタックと、該セルスタックの上方に配設された改質器とを備え、前記セルスタックと前記改質器との間の領域で、前記燃料電池セルの発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させる発電ユニットを収納してなり、前記改質器は、被改質ガスを改質して前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質触媒を備える改質ガス生成部を有し、該改質ガス生成部が、前記セルスタック上から該セルスタックの端部より外側まで延在しており、前記改質ガス生成部の延在領域に被改質ガス導入部が設けられているとともに、前記被改質ガスが前記改質器の一端部から前記被改質ガス導入部に導入され、前記改質ガス生成部にて生成された改質ガスが、前記改質器の他端部から導出されることを特徴とする。
That is, the fuel cell assembly of the present invention, in a housing, a cell stack formed by arranging in a row a plurality of fuel cells of the solid electrolyte, reformer which is disposed above the cell stack And a power generation unit that burns fuel gas that has not been used for power generation of the fuel cell in a region between the cell stack and the reformer. have a reformed gas generator comprising a reforming catalyst for a reformed gas by reforming to produce a fuel gas supplied to the fuel cell, the reforming gas generator, said from the said cell stack The gas stack extends to the outside from the end of the cell stack, and a reformed gas introduction part is provided in the extension region of the reformed gas generation part, and the reformed gas is at one end of the reformer. The reformed gas generation is introduced into the reformed gas introduction section from the section The reformed gas generated in, characterized in that derived from the other end of the reformer.
被改質ガス、および被改質ガス導入部付近の改質触媒が所定温度よりも過剰に高い場合にはクラッキングによる炭素析出が発生してしまうため、被改質ガス導入部付近の改質触媒の温度制御が重要となる。本発明の燃料電池組立体では、改質ガス生成部が、セルスタック上からセルスタックの端部より外側まで延在しており、改質ガス生成部の延在領域に被改質ガス導入部を設けて、被改質ガス導入部の温度制御を行うために、被改質ガス導入部付近の過昇温を防止することができる。これにより、クラッキングによる炭素析出を防止できるため、圧力損失増加などの弊害発生を未然に防止することができ、改質器内で安定した改質反応を得ることができる。
Target gas, and since when the reforming catalyst near the reformed gas inlet is excessively higher than the predetermined temperature occurs carbon deposition by cracking, reforming near Hiaratameshitsuga scan guide join the club The temperature control of the catalyst is important. In the fuel cell assembly of the present invention, the reformed gas generator extends from the top of the cell stack to the outside of the end of the cell stack, and the reformed gas introduction unit extends into the extension region of the reformed gas generator. In order to control the temperature of the reformed gas introduction part, it is possible to prevent an excessive temperature rise in the vicinity of the reformed gas introduction part. As a result, carbon deposition due to cracking can be prevented, so that adverse effects such as an increase in pressure loss can be prevented, and a stable reforming reaction can be obtained in the reformer.
また、燃料電池セルを収容しているハウジング内に改質器を配置することで、水蒸気改質反応に必要な加熱源を別途設ける必要がなくなり、熱効率を高めることができるとともに、余剰の燃料ガスをハウジング内で燃焼させることによって、燃料電池セルの発電部よりも高温の熱源を改質器の加熱源とすることができるため、改質器を迅速に加熱することができる。さらに、高温の熱源を用いることで、燃料電池セルの発電による熱量が低下する低負荷運転時にも水蒸気改質反応に必要な熱量を十分賄える。このような改質器を、燃焼側のセル先端から所定間隔で置くことで過剰な昇温による改質管部材、改質触媒の劣化を抑制できる。 In addition, by disposing the reformer in the housing containing the fuel battery cells, it is not necessary to separately provide a heating source necessary for the steam reforming reaction, so that the thermal efficiency can be improved and surplus fuel gas By burning the fuel in the housing, a heat source having a temperature higher than that of the power generation unit of the fuel battery cell can be used as the heating source of the reformer, so that the reformer can be heated quickly. Furthermore, by using a high-temperature heat source, it is possible to sufficiently cover the amount of heat necessary for the steam reforming reaction even during low-load operation where the amount of heat generated by the power generation of the fuel cell is reduced. By placing such a reformer at a predetermined interval from the front end of the cell on the combustion side, deterioration of the reforming pipe member and the reforming catalyst due to excessive temperature rise can be suppressed.
また、本発明の燃料電池組立体は、前記被改質ガスが前記改質器の一端部から前記被改質ガス導入部に導入され、前記改質ガス生成部にて生成された改質ガスが、前記改質器の他端部から導出されることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、セルスタックと改質器との間の領域で、燃料電池セルの発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させるための燃焼領域Fが形成される。そのため、被改質ガスが改質器の一端部から被改質ガス導入部に導入され、改質ガス生成部にて生成された改質ガスが、改質器の他端部から導出される構造とすることで燃焼領域Fからの伝熱面を大きくすることができ、改質反応に必要な熱量を十分供給することができる。また、被改質ガス(改質反応に必要となる炭化水素類と水蒸気などの酸素源を総称する)と改質触媒の接触時間も十分確保することができる。
The fuel cell assembly of the present invention, the introduced into the reforming target gas inlet the reformed gas from one end of the front Kiaratame reformer, reforming generated by the reformed gas generator gas, characterized in that it is derived from the other end of the front Kiaratame reformer. In such a fuel cell assembly, a combustion region F for burning fuel gas that has not been used for power generation of the fuel cell is formed in a region between the cell stack and the reformer. Therefore, reformed gas is introduced from one end of the reformer to be reformed gas inlet, the reformed gas generated in the reforming gas generator is derived from the other end of the reformer With the structure, the heat transfer surface from the combustion region F can be increased, and a sufficient amount of heat necessary for the reforming reaction can be supplied. In addition, it is possible to sufficiently ensure the contact time between the reformed gas (a collective term for hydrocarbons necessary for the reforming reaction and oxygen sources such as steam) and the reforming catalyst.
また、本発明の燃料電池組立体は、前記セルスタックが、該セルスタックの下方に配設された燃料ガス室に連通しており、前記改質器にて生成された前記改質ガスが、改質ガス供給路を介して前記燃料ガス室に供給されることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、セルスタックが該セルスタックの下方に配設された燃料ガス室に連通することで、改質器から導入される改質ガスを複数のセルに均等供給できるようになる。また、改質器にて生成された改質ガスが、改質ガス供給路を介して燃料ガス室に供給されることで、改質ガスが発電反応によるセルからの輻射熱を受けるため、より高温の改質ガスをセルへと供給することができ、セル温度低下による出力低下を防止することができる。
The fuel cell assembly of the present invention, the cell stack is in communication with the fuel gas chamber which is disposed below the cell stack, the reformed gas generated in the reformer, The fuel gas chamber is supplied through a reformed gas supply path. In such a fuel cell assembly, the cell stack that communicates with the fuel gas chamber which is disposed below the cell stack, so that it can uniformly supply the reformed gas to be introduced from the reformer into a plurality of cells become. In addition, the reformed gas generated in the reformer is supplied to the fuel gas chamber via the reformed gas supply path, so that the reformed gas receives radiant heat from the cell due to the power generation reaction, and thus the temperature is higher. Thus, the reformed gas can be supplied to the cell, and a decrease in output due to a decrease in cell temperature can be prevented.
また、本発明の燃料電池組立体は、前記改質器には、前記被改質ガスの流れる方向に被改質ガス予熱部、改質ガス生成部、改質ガス予熱部がこの順に設けられていることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、被改質ガスを所定温度まで予熱した上で改質ガス生成部に導入することで改質触媒の温度を適正温度に維持することができ、炭素析出を効果的に抑制できる。また、改質ガスを改質温度よりもさらに高温とすることで、燃料電池セルの温度低下による出力低下を防止することができる。
The fuel cell assembly of the present invention, wherein the reformer, the reformed gas preheating section in the direction of flow of the gas to be reformed, the reformed gas generator, reforming gas preheating section is found in this order It is characterized by being. In such a fuel cell assembly, the temperature of the reforming catalyst can be maintained at an appropriate temperature by preheating the gas to be reformed to a predetermined temperature and then introducing it into the reformed gas generation section, which is effective for carbon deposition. Can be suppressed. In addition, by setting the reformed gas at a higher temperature than the reforming temperature, it is possible to prevent a decrease in output due to a decrease in the temperature of the fuel cell .
さらに、本発明の燃料電池組立体は、前記ハウジング内に、複数個の前記発電ユニットが併設されているとともに、前記発電ユニットが、前記改質器に接続され前記被改質ガスを前記改質器に供給するための被改質ガス供給路を有し、隣接する一方の前記発電ユニットの前記被改質ガス供給路が他方の前記発電ユニットの前記被改質ガス供給路の配設位置と反対側となるように配設されていることを特徴とする。
Furthermore, the fuel cell assembly of the present invention, in the housing, Rutotomoni have juxtaposed a plurality of the power generation units, the power generating unit, the said connected to the reformer wherein the reformed gas reformed has to be reformed gas supply passage for supplying the vessel, the arrangement position of the reformed gas supply passage of the object to be reformed gas supply passage and the other of said power generation unit of the adjacent one of said power generation unit It arrange | positions so that it may become an other side , It is characterized by the above-mentioned.
被改質ガスは一般に外部からセルスタックの側方を介して改質器に供給されるため、被改質ガス供給路近傍の温度は、周囲の温度と比較して低温であるが、被改質ガス供給路によって低下する温度域は、発電ユニットを介して対向する位置に分散され、一方側に偏ることがなく、ハウジング内の温度勾配を無くしてセルスタックの温度差を低減でき、これにより燃料電池セルの発電性能のばらつきを小さくできる。また、同一種の発電ユニットを複数作製し、その配列方向を逆とすることにより、本発明の燃料電池組立体を容易に作製することができるとともに、配列方向が逆とされた隣設する発電ユニットのセルスタック同士の同一側を電気的に接続することにより、燃料電池セルを直列に容易に接続でき、高い電圧を得ることができる。 Since the gas to be reformed is generally supplied from the outside to the reformer through the side of the cell stack, the temperature in the vicinity of the gas to be reformed supply path is lower than the ambient temperature. The temperature range that is lowered by the quality gas supply path is distributed to the opposing positions via the power generation unit, is not biased to one side, and there is no temperature gradient in the housing, thereby reducing the temperature difference of the cell stack. Variations in power generation performance of fuel cells can be reduced. Moreover, by producing a plurality of power generation units of the same type and reversing the arrangement direction, the fuel cell assembly of the present invention can be easily produced, and the adjacent power generation in which the arrangement direction is reversed By electrically connecting the same side of the unit cell stacks, the fuel cells can be easily connected in series and a high voltage can be obtained.
本発明の燃料電池組立体によれば、燃料電池セルを収容しているハウジング内に改質器を配置することで、水蒸気改質反応に必要な加熱源を別途設ける必要がなくなり、熱効率を高めることができるとともに、余剰の燃料ガスをハウジング内で燃焼させることによって、燃料電池セルの発電部よりも高温の熱源を改質器の加熱源とすることができるため、改質器を迅速に加熱することができる。また、高温の熱源を用いることで、燃料電池セルの発電による熱量が低下する低負荷運転時にも水蒸気改質反応に必要な熱量を十分賄える。 According to the fuel cell assembly of the present invention, by disposing the reformer in the housing containing the fuel cell, it is not necessary to separately provide a heating source necessary for the steam reforming reaction, and the thermal efficiency is improved. In addition, by burning excess fuel gas in the housing, a heat source having a temperature higher than that of the power generation unit of the fuel cell can be used as a heating source of the reformer, so that the reformer can be heated quickly. can do. In addition, by using a high-temperature heat source, the amount of heat necessary for the steam reforming reaction can be sufficiently provided even during low-load operation where the amount of heat generated by the power generation of the fuel battery cell is reduced.
また、改質ガス生成部が、セルスタック上から該セルスタックの端部より外側まで延在しており、改質ガス生成部の延在領域に被改質ガス導入部を設けることによって、改質器の被改質ガス導入部の温度制御を行うために、被改質ガス導入部付近の過昇温を防止して炭素析出を防ぐことができる。さらに、被改質ガスが改質器の一端部から被改質ガス導入部に導入され、改質ガス生成部にて生成された改質ガスが、改質器の他端部から導出されることで、改質反応に必要な熱量を十分供給することができ、被改質ガスと改質触媒の接触時間も十分確保することができる。
Further, the reformed gas generator extends from the cell stack to the outside of the end of the cell stack, and the reformed gas generator is modified by providing the reformed gas introduction section in the extending region of the reformed gas generator. In order to control the temperature of the reformed gas introduction part of the quality device, it is possible to prevent carbon deposition by preventing excessive temperature rise in the vicinity of the reformed gas introduction part. Further, the gas to be reformed is introduced from one end of the reformer into the gas to be reformed introduction section, and the reformed gas generated in the reformed gas generation section is led out from the other end of the reformer. Thus, a sufficient amount of heat necessary for the reforming reaction can be supplied, and a sufficient contact time between the reformed gas and the reforming catalyst can be secured.
以下、本発明の燃料電池組立体を図面を参照して詳述する。 The fuel cell assembly of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
図1、2及び図3を参照して説明すると、図示の燃料電池組立体は略直方体形状のハウジング2を具備している。このハウジング2の6個の壁面には適宜の断熱材料から形成された断熱壁、即ち上断熱壁4、下断熱壁6、右側断熱壁8、左側断熱壁9、前断熱壁10及び後断熱壁11が配設されている。ハウジング2内には発電・燃焼室12が規定されている。
Referring to FIGS. 1, 2 and 3, the illustrated fuel cell assembly includes a housing 2 having a substantially rectangular parallelepiped shape. The six wall surfaces of the housing 2 are heat insulating walls formed of an appropriate heat insulating material, that is, an upper
前断熱壁及び/又は後断熱壁は着脱自在或いは開閉自在に装着されており、前断熱壁及び/又は後断熱壁を離脱或いは開動せしめることによって発電・燃焼室12内にアクセスすることができる。所望ならば、各断熱壁の外面に金属板製でよい外壁を配設することができる。
The front heat insulation wall and / or the rear heat insulation wall are detachably or detachably mounted, and the power generation /
ハウジング2内の上端部には空気室(ガス室)16が配設されている。空気室16は上下方向寸法が比較的小さい直方体形状のケース17内に規定されている。空気室16には、発電・燃焼室に向かって空気(酸素含有ガス)を送り込むための空気導入管(ガス供給手段)22が連通している。空気導入管22は複数本あり、その形状は円筒や中空板構造などが考えられる。空気導入管22は後述するセルスタック間に配置されており、セルの下端部において開口し、この開口部から空気が噴出する構造となっている。空気導入管22はセラミックスなどの耐熱性の高い材料で作製するのが好適である。
An air chamber (gas chamber) 16 is disposed at the upper end of the housing 2. The
そして、本発明の燃料電池組立体では、空気室16に、低温ガス供給管18からなる低温ガス供給手段が設けられており、この低温ガス供給管18は、上断熱壁4を貫通し、外部に延設されている。
In the fuel cell assembly of the present invention, the
この低温ガス供給管18は、空気室16内に供給されるガスと同一種、即ち、低温の空気を空気室16内に供給するものであり、低温ガス供給管18により供給される空気は、余熱された空気の温度よりも低温である必要がある。特には、室温程度が望ましい。
The low-temperature
低温ガス供給管18は、図2に示すように、発電ユニット56a、56b、56c及び56d、即ち、燃料電池セル集合体の中央部を冷却するような空気室16の位置に接続されている。言い換えれば、発電ユニット56a、56b、56c及び56d間に配設された空気導入管22のケース17側板への開口部集合体中央に対して、対向するケース17側板の位置に開口するように低温ガス供給管18が設けられている。
As shown in FIG. 2, the low temperature
ハウジング2の両側部、更に詳しくは右側断熱壁8の内側及び左側断熱壁9の内側には、全体として平板形状である熱交換器24が配設されている。熱交換器24の各々は実質上鉛直に延在する中空平板形態のケース26から構成されている。
A
かかるケース26内にはその横方向中間に位置する仕切板28が配設されており、ケース26内は内側に位置する排出路30と外側に位置する流入路32とに区画されている。排出路30内には上下方向に間隔をおいて3枚の仕切壁34及び36が配置されている。更に詳述すると、排出路30内には、その前縁はケース26の前壁(図示していない)から後方に離隔して位置するがその後縁はケース26の後壁(図示していない)に接続されている形態の仕切壁34と、その前縁はケース26の前壁に接続されているがその後縁はケース26の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁36とが交互に配置されており、かくして燃焼ガス排出路30はジグザグ形態にせしめられている。なお、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。
A
同様に、流入路32内にも上下方向に間隔をおいて3枚の仕切壁38及び40、即ちその前縁はケース26の前壁(図示していない)から後方に離隔して位置するがその後縁はケース26の後壁(図示していない)に接続されている形態の仕切壁38と、その前縁はケース26の前壁に接続されているがその後縁はケース26の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁40とが交互に配置されており、かくして流入路32もジグザグ形態にせしめられている。なお、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。
Similarly, the three
ケース26の内側壁の上端部には排出開口42が形成されており、排出路30は排出開口42を介して発電・燃焼室12と連通せしめられている。図示の実施形態においては、熱交換器24の各々と発電・燃焼室12との間には断熱部材44が配設されているが、かかる断熱部材44の上端は排出開口42の下縁と実質上同高乃至これより幾分下方に位置せしめられており、排出開口42は断熱部材44の上方に残留せしめられている空間を通して発電・燃焼室12に連通せしめられている。
A
ケース26の上壁における外側部には流入開口48が形成されており、流入路32はかかる流入開口48を介して空気室16に連通せしめられている。熱交換器24、流入開口48は、加熱ガス供給手段を構成している。熱交換器24の各々の後方には上下方向に細長く延びる二重筒体50(図1にその上端部のみを図示している)が配設されており、かかる二重筒体50は外側筒部材52と内側筒部材54とから構成されている。排出路30の下端部は外側筒部材52と内側筒部材54との間に規定されている排出路の下端部に接続されており、流入路32の下端部は内側筒部材54内に規定されている流入路に接続されている。
An
而して、図示の燃料電池組立体における上述したとおりの構成は、本出願人の出願にかかる特願2003−295790号の明細書及び図面に開示されている燃料電池組立体と実質上同一であるので、上述した構成の詳細については上記特願2003−295790号の明細書及び図面に委ね、本明細書においては説明を省略する。 Thus, the configuration of the fuel cell assembly shown in the drawing is substantially the same as the fuel cell assembly disclosed in the specification and drawings of Japanese Patent Application No. 2003-295790 filed by the present applicant. Therefore, the details of the configuration described above are left to the specification and drawings of Japanese Patent Application No. 2003-295790, and the description thereof is omitted in this specification.
上述した発電・燃焼室の下部には4個の発電ユニット56a、56b、56c及び56dが配置されている。発電ユニット56a、56b、56c及び56dは、夫々、上述した空気導入管22間に位置せしめられている。言い換えれば、発電ユニット56a、56b、56c及び56d間に、空気導入管22が配設されている。図1、2と共に、図3を参照して説明を続けると、発電ユニット56aは前後方向(図1において紙面に垂直な方向)に細長く延びる直方体形状の燃料ガスマニホールド58aを具備している。
Four
燃料ガス室を規定している燃料ガスマニホールド58aの上面上にはセルスタック60aが装着されている。セルスタック60aは上下方向に細長く延びる板状でかつ柱状の直立セル62を燃料ガスマニホールド58aの長手方向(即ち図1の前後方向)に複数個縦列配置して構成されている。図5に明確に図示する如く、セル62の各々は電極支持基板64、内側電極層である燃料極層66、固体電解質層68、外側電極層である酸素極層70、及びインターコネクタ72から構成されている。
A
電極支持基板64は上下方向に細長く延びる板状片であり、平坦な両面と半円形状の両側面を有する。電極支持基板64にはこれを鉛直方向に貫通する複数個(図示の場合は6個)の燃料ガス通路74が形成されている。電極支持基板64の各々は燃料ガスマニホールド58aの上壁上に、例えば耐熱性に優れたセラミック接着剤によって接合される。
The
燃料ガスマニホールド58aの上壁には図1において紙面に垂直な方向に間隔をおいて左右方向に延びる複数個のスリット(図示していない)が形成されており、電極支持基板64の各々に形成されている燃料ガス通路74がスリットの各々に、従って燃料ガス室に連通せしめられる。
On the upper wall of the
インターコネクタ72は電極支持基板64の片面(図5のセルスタック60aにおいて上面)上に配設されている。燃料極層66は電極支持基板64の他面(図5のセルスタック60aにおいて下面)及び両側面に配設されており、その両端はインターコネクタ72の両端に接合せしめられている。固体電解質層68は燃料極層66の全体を覆うように配設され、その両端はインターコネクタ72の両端に接合せしめられている。酸素極層70は、固体電解質層68の主部上、即ち電極支持基板64の他面を覆う部分上に配置され、電極支持基板板64を挟んでインターコネクタ72に対向して位置せしめられている。
The
セルスタック60aにおける隣接するセル62間には集電部材76が配設されており、一方のセル62のインターコネクタ72と他方のセル62の酸素極層70とを接続している。セルスタック60aの両端、即ち図5において上端及び下端に位置するセル62の片面及び他面にも集電部材76が配設されている。セルスタック60aの両端に位置する終電部材76には電力取出手段(図示していない)が接続されており、かかる電力取出手段はハウジング2の前断熱壁10(図示していない)及び/又は後断熱11(図示していない)を通してハウジング2外に延在せしめられている。所望ならば、セルスタック60a、60b、60c及び60dの各々に電力取出手段を配設することに代えて、適宜の接続手段によってセルスタック60a、60b、60c及び60dを相互に直列接続し、4個のセルスタック60a、60b、60c及び60dに関して共通の電力取出手段を配設することもできる。
A current collecting
セル62について更に詳述すると、セル62は板状でかつ柱状とされており、電極支持基板64は燃料ガスを燃料極層66まで透過させるためにガス透過性であること、そしてまたインターコネクタ72を介して集電するために導電性であることが要求され、かかる要求を満足する多孔質の導電性セラミック(若しくはサーメット)から形成することができる。
The
燃料極層66及び/又は固体電解質層70との同時焼成により電極支持基板64を製造するためには、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから電極支持基板64を形成することが好ましい。所要ガス透過性を備えるために開気孔率が30%以上、特に35乃至50%の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は300S/cm以上、特に440S/cm以上であるのが好ましい。
In order to manufacture the
燃料極層66は多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているZrO2(安定化ジルコニアを称されている)とNi及び/又はNiOとから形成することができる。
The
固体電解質層68は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと空気とのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、3〜15モル%の希土類元素が固溶したZrO2から形成されている。
The
酸素極層70は所謂ABO3型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックから形成することができる。酸素極層70はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が20%以上、特に30乃至50%の範囲にあることが好ましい。
The
インターコネクタ72は導電性セラミックから形成することができるが、水素ガスでよい燃料ガス及び空気と接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、このためにランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO3系酸化物)が好適に使用される。インターコネクト72は電極支持基板64に形成された燃料ガス通路74を通る燃料ガス及び電極支持基板64の外側を流動する空気のリークを防止するために緻密質でなければならず、93%以上、特に95%以上の相対密度を有していることが望まれる。
Although the
集電部材76は弾性を有する金属又は合金から形成された適宜の形状の部材或いは金属繊維又は合金繊維から成るフェルトに所要表面処理を加えた部材から構成することができる。
The current collecting
図1乃至図4を参照して説明を続けると、発電ユニット56aは、セルスタック60aの上方を前後方向に細長く延びる直方体形状(或いは円筒形状)であるのが好都合である改質器78aも具備している。即ち、改質器78aは、セルスタック60aの上方に、セル62先端から所定間隔をおいて、かつセル配列方向に配設されている。改質器78aをハウジング2、発電・燃焼室12内部に収容することで、燃料電池組立体を大幅に小型化できる。
Continuing the description with reference to FIGS. 1 to 4, the
改質器78aのセル高さ方向の長さhは、セル配列方向の長さLよりも短い形状とされている。改質器78aはセル高さ方向の長さhを短くすることで、改質器78aの底面(燃焼炎に曝される側)と上面(排気口側)との温度勾配を小さくできるため、改質器78a内の改質ガス組成が平衡組成に近くなり安定した改質反応とすることができる。また、改質器78aの伝熱面を大きくすることができ、改質反応に必要な熱量を供給することができるとともに、被改質ガスと改質用触媒の接触時間も十分確保することができる。
The length h in the cell height direction of the
改質器78aのセル配列方向の長さLはセル高さ方向の長さhの2〜15倍程度となるようにすることが、改質反応に必要とされる被改質ガスと改質用触媒の接触時間を確保するという点から好ましい。改質器78aが円筒形状の場合には、セル高さ方向の長さhは円筒の直径と読み替えることができる。
The length L in the cell arrangement direction of the
改質器78aには、被改質ガスが改質器78aの一端部から導入され、他端部から改質された水素リッチな燃料ガスが導出されるように構成されている。
The
即ち、マニホールド58aに燃料電池セル62が複数立設されており、セルスタック60aのセル配列方向側に改質器78aからの燃料ガス供給管80aが設けられ、該改質ガス供給路80aの一端が改質器78aの前端面に接続されている。
That is, a plurality of
燃料ガス供給管80aの他端側は、セル配列方向側を介して下方に延び、次いで湾曲して後方に延び、燃料ガス供給管80aの他端は上記燃料ガスマニホールド58aの前面に接続されている。改質器78aの後面には被改質ガス供給路82aの一端が接続されている。被改質ガス供給路82aは、改質器78aから、セル配列方向側を介して下方に延び、ハウジング2の下を通ってハウジング2外に延出されている。
The other end side of the fuel
燃料ガス供給管80aがセルスタック60aの側方を通過して設けることで、改質された燃料ガスが発電反応によるセルスタック60aからの輻射熱を受けるため、より高温の燃料ガスをセル62へと供給することができ、低い温度の燃料ガス供給によるセル温度低下に起因する出力低下を防止することができる。尚、燃料ガス供給管80aは、図1乃至図4では燃料ガスマニホールド58aの前面に接続されているが、燃料ガスマニホールド58aの側面に接続しても同様の効果が得られる。
By providing the fuel
被改質ガス供給路82aは都市ガス等の炭化水素ガスでよい被改質ガス供給源(図示していない)に接続されており、被改質ガス供給路82aを介して改質器78aに被改質ガスが供給される。
The to-be-reformed
改質器78aには、被改質ガスの流れる方向に被改質ガス予熱部78a1、改質部(以下、改質ガス生成部という。)78a2、改質ガス予熱部78a3が順次形成されており、被改質ガス予熱部78a1は、圧力損失を低減するために充填物の無い空間とするか、被改質ガスにより多くの熱を伝えるために、ガスの流れる方向に平行に複数仕切りを設け、伝熱用フィンとする構造有し、改質ガス生成部78a2には被改質ガスを水素リッチな燃料ガスに改質するための適宜の改質触媒が収容されており、改質ガス予熱部78a3は、被改質ガス予熱部と同様の構造を有している。
In the
また、被改質ガス供給路82a、及び燃料ガス供給管80aがセルスタック60aの側方を通過して設けることにより、さらに例えば表面積等を最適化することで、被改質ガス、及び改質ガスを所望の温度まで予熱する被改質ガス予熱部、及び改質ガス予熱部とすることができる。
Further, by providing the reformed
改質ガス生成部78a2内の改質触媒は主に貴金属触媒と卑金属触媒に大別され、これ
らのうちいずれか、もしくは混在していても良い。卑金属触媒は球体状のAl2O3の表面にNi等の遷移金属、貴金属触媒は同じく球体状のAl2O3の表面にRuを担持して構成されることが好ましく、それぞれにMgなどの第三成分が添加されていても良い。
The reforming catalyst in the reformed gas generator 78a2 is mainly classified into a noble metal catalyst and a base metal catalyst, and either or a mixture of these may be used. The base metal catalyst is preferably formed by supporting a transition metal such as Ni on the surface of spherical Al 2 O 3 , and the noble metal catalyst is similarly configured by supporting Ru on the surface of spherical Al 2 O 3 . A third component may be added.
そして、本発明の燃料電池組立体では、図4(b)に示すように、改質器78aの改質ガス生成部78a2がセルスタック60aの端部より外側まで延在しており(所定距離m)、改質ガス生成部78a2の延在領域に被改質ガス導入部78a0が設けられている。即ち、被改質ガス供給路82aから被改質ガスが流れ込む被改質ガス予熱部78a1、および改質ガス生成部78a2の被改質ガス導入部78a0は、燃焼ガスに直接的に曝されないように構成されている。
In the fuel cell assembly of the present invention, as shown in FIG. 4 (b), the reformed gas generator 78a2 of the
改質器78aの被改質ガス導入部78a0は、燃焼ガスに直接的に曝されないように構成することによって、燃焼ガスに直接的に曝される部位からの伝熱と被改質ガスの熱伝達、さらに改質反応による吸熱をバランスさせ、被改質ガス導入部78a0付近の触媒の過昇温を防止し炭素析出を防ぐことができる。離間距離mは、炭化水素類がクラッキングを起こす温度以下に抑えるという点から被改質ガス導入部の温度が400℃以下となるようにすることが好ましい。
The reformed gas introduction part 78a0 of the
図示の実施形態においては、改質器78aは燃料ガス供給管80aを介して燃料ガスマニホールド58aに接続され、これによって所要位置に保持されているが、所要ならば、図4に二点鎖線で図示する如く、例えば上記被改質ガス供給路82aの下面と燃料ガスマニホールド58aの後端部上面或いは後面との間に適宜の支持部材84aを付設することもできる。
In the illustrated embodiment, the
図3において説明すると、発電ユニット56cは上述した発電ユニット56aと実質上同一であり、発電ユニット56b及び56dは、発電ユニット56a及び56cに対して前後方向が逆に配置されていること、従って改質器78b及び78dと燃料ガスマニホールド58b及び58dとを接続する燃料ガス供給管(図示していない)が後側に配置され、被改質ガス供給路82b及び82dが改質器から下方に延び、ハウジング2の下を通ってハウジング2外に延出している。
Referring to FIG. 3, the
即ち、本発明の燃料電池組立体では、図3に示すように、燃料ガス供給管80a、80b、80c及び80dが、セルスタック60a〜60dの集合体の周囲に対向するように配設されている。言い換えると、セルスタック60a〜60dの集合体の対向する側面側(燃料電池セル62の配列方向の側面側)には、燃料ガス供給管80a、80b、80c及び80dが交互に配設されている。さらに、改質される燃料ガスの被改質ガス供給路82a、82b、82c及び82dについても、セルスタック60a〜60dの集合体の対向する側面側に交互に配設されており、これらの被改質ガス供給路82a、82b、82c及び82dは、一方および他方の側面側に、燃料ガス供給管80a、80b、80c及び80dと交互に配設されている。
That is, in the fuel cell assembly of the present invention, as shown in FIG. 3, the fuel
このような燃料電池組立体では、改質器78a、78b、78c及び78dに、被改質ガス供給路82a、82b、82c及び82dを通して導入される被改質ガスは、通常ハウジング2の外部から供給されるので、被改質ガス供給管近傍の温度は低くなるが、このような被改質ガス供給路82a、82b、82c及び82dをセルスタック60a〜60dの集合体の対向する側面側に交互に配設することにより、特に、セルスタック60a〜60dの集合体の周囲における温度差を低減でき、燃料電池セルの発電性能のばらつきを小さくできる。
In such a fuel cell assembly, the reformed gas introduced into the
また、燃料ガスを供給する燃料ガス供給管80a、80b、80c及び80dが、セルスタック60a〜60dの集合体の周囲に対向するように配設されているため、セルスタック60a〜60dの集合体の周囲における温度差をさらに低減できる。
Further, since the fuel
上述したとおりの燃料電池組立体においては、被改質ガスが被改質ガス供給路82a、82b、82c、82dを介して改質器78a、78b、78c及び78dに供給され、改質器78a、78b、78c及び78d内において水素リッチな燃料ガスに改質された後に、燃料ガス供給管80a、80b、80c、80dを通して燃料ガスマニホールド58a、58b、58c及び58d内に規定されている燃料ガス室に供給され、次いでセルスタック60a、60b、60c及び60dに供給される。
In the fuel cell assembly as described above, the gas to be reformed is supplied to the
セルスタック60a、60b、60c及び60dの各々においては、酸素極において、
1/2O2+2e−→O2−(固体電解質)
の電極反応が生成され、燃料極において、
O2−(固体電解質)+H2→H2O+2e−
の電極反応が生成されて発電される。
In each of the
1 / 2O 2 + 2e − → O 2− (solid electrolyte)
The electrode reaction of
O 2− (solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e −
The electrode reaction is generated and power is generated.
発電に使用されることなくセルスタック60a、60b、60c及び60dから上方に流動した燃料ガス及び空気は、起動時に発電・燃焼室12内に配設されている点火手段(図示していない)によって点火されて燃焼される。周知の如く、セルスタック60a、60b、60c及び60dにおける発電に起因して、そしてまた燃料ガスと空気との燃焼に起因して発電・燃焼室12内は例えば1000℃程度の高温になる。改質器78a、78b、78c及び78dは発電・燃焼室12内に配設され、セルスタック60a、60b、60c及び60dの直ぐ上方に位置せしめられており、燃焼炎によって直接的にも加熱され、かくして発電・燃焼室12内に生成される高温が被改質ガスの改質に効果的に利用される。
Fuel gas and air that have flown upward from the
発電・燃焼室12内に生成された燃焼ガスは熱交換器24に形成されている排出開口42から排出路30に流入し、ジグザグ状に延在する排出路30を流動した後に二重筒体50の外側筒部材52と内側筒部材54との間に規定されている排出路を通して排出される。燃焼ガスが二重筒体50における排出路を流動する際には、二重筒体50における流入路を空気が流動し、燃焼ガスと空気との間で熱交換が行われる。
The combustion gas generated in the power generation /
そしてまた、燃焼ガスが熱交換器24の排出路30をジグザグ状に流動せしめられる際には、空気が熱交換器24の流入路32をジグザグ状に流動せしめられる。かくして燃焼ガスと空気との間で効果的に熱交換されて空気が予熱される。
Further, when the combustion gas is caused to flow in the
長期間に渡って発電を遂行することによってセルスタック60a、60b、60c及び60dの一部或いは全部が劣化した場合には、ハウジング2の前壁(図示していない)或いは後壁(図示していない)を離脱或いは開動せしめ、発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部をハウジング2内から取り出す。
When a part or all of the
そして、発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部を新しいものに交換して、或いは発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部におけるセルスタック60a、60b、60c及び60dのみを新しいものに交換して、再びハウジング2内の所要位置に装着すればよい。発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部あるいは全部における改質器78a、78b、78c及び78d内に収容されている改質触媒を交換することが必要な場合にも、発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部をハウジング2内から取り出し、発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部における改質器78a、78b、78c及び78d自体を新しいものに或いは改質器78a、78b、78c及び78d内の改質触媒のみを新しいものに交換すればよい。
Then, replace some or all of the
改質器78a、78b、78c及び78d内の改質触媒の交換を充分容易に遂行し得るようになすために、所望ならば改質器78a、78b、78c及び78dの一部を開閉自在な扉にせしめることができる。
In order to be able to perform the replacement of the reforming catalyst in the
一方、空気は二重筒体50の内側筒部材54内に規定されている流入路を通して熱交換器24の流入路32に供給され、熱交換器24を通過して予熱(加熱)された空気は、空気室16に一旦貯留され、空気導入管22を通って燃焼・発電室12のセルスタック間に供給される。この際、空気導入管22はセルスタック60の燃料電池セル62の燃料ガス通路74近傍で燃焼する燃焼領域Fを通過する。従って、空気室16の予熱空気はセルスタック60上部の燃焼領域Fでさらに加熱され、高温に暖められた空気がセルに供給される。
On the other hand, air is supplied to the
通常運転時は前記熱交換器24で予熱された空気が空気室16に導入され、この空気室16から空気導入管22を用いて燃焼・発電室12へ空気が導入されるが、発電室の温度が想定以上に上昇した場合は、前記熱交換器24を通らない低温ガス供給管18を通ってきた低温の空気が空気室16に導入され、熱交換器24を通過して予熱された空気と混合されて、空気室16の空気温度がある程度低下する。この空気を発電室12、即ち、セルスタック間に供給することにより、通常運転時より温度の低い空気がセルスタック間に導入されるので、発電室12、即ち燃料電池セルの過度に上昇した温度が低下されるので、発電室内の温度を適宜にコントロールできる良好な燃料電池組立体が提供される。
During normal operation, air preheated by the
また、空気室16内の空気温度は、低温ガス供給管18から供給された外気と、熱交換器24を通過して予熱された空気と混合されるため、室温ほど低温の空気ではないので、熱い燃料電池セル60に供給しても、燃料電池セル60のクラックや熱衝撃破壊を引き起こすなどの不具合を避けることが出来るので、燃料電池発電システム全体の機能劣化が抑えられ寿命が延ばすことができる。
Moreover, since the air temperature in the
さらに、低温ガス供給管18による低温ガスの供給を、空気供給管22の開口部中央部に向けて供給することにより、さらに、両側の熱交換器から加熱された空気を開口部中央部に向けて供給することにより、最も加熱しやすいセル集合体の中央部に空気供給管22により供給される空気を最も低温とでき、中央部から離れるに従って高い温度とすることができ、最適な冷却手段とすることができる。
Furthermore, by supplying the supply of the low temperature gas from the low temperature
以上、添付図面を参照して本発明の好適実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能であることは多言するまでもない。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to such embodiments, and various modifications and corrections can be made without departing from the scope of the present invention. It goes without saying that this is possible.
例えば、上記形態では、空気室に低温ガス供給手段を設け、空気供給管により、燃料電池セルの外面に空気を供給する場合について説明したが、本発明は、空気供給管により燃料電池セルの内部に空気を供給するようにしても良いことは勿論である。尚、この場合、燃料電池セルの内側には空気極が、外側には燃料極が形成されることは言うまでもない。 For example, in the above embodiment, a case has been described in which low temperature gas supply means is provided in the air chamber and air is supplied to the outer surface of the fuel cell by the air supply tube. Of course, air may be supplied to the air. In this case, it goes without saying that an air electrode is formed inside the fuel cell and a fuel electrode is formed outside.
また、上記形態では、空気室に低温ガス供給手段を設けた例について説明したが、燃料ガス室に低温ガス供給手段を設け、燃料ガスにより燃料電池セルを冷却するようにしてもよいことは勿論である。さらに、低温ガス供給手段を設けない場合であってもよい。 Further, in the above embodiment, an example in which the low temperature gas supply means is provided in the air chamber has been described. However, it is of course possible to provide the low temperature gas supply means in the fuel gas chamber and cool the fuel cell with the fuel gas. It is. Furthermore, the case where a low temperature gas supply means is not provided may be sufficient.
2:ハウジング
12:発電・燃焼室
56a、56b、56c及び56d:発電ユニット
58a、68b、58c及び58d:燃料ガスマニホールド
60a、60b、60c及び60d:セルスタック
62:燃料電池セル
78a、78b、78c及び78d:改質器
78a0:被改質ガス導入部
78a1:被改質ガス予熱部
78a2:改質ガス生成部
78a3:改質ガス予熱部
80a、80b、80c及び80d:燃料ガス供給管
F:燃焼領域
2: Housing 12: Power generation /
Claims (4)
固体電解質形の燃料電池セルの複数個を列状に配列してなるセルスタックと、該セルスタックの上方に配設された改質器とを備え、前記セルスタックと前記改質器との間の領域で、前記燃料電池セルの発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させる発電ユニットを収納してなり、
前記改質器は、被改質ガスを改質して前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質触媒を備える改質ガス生成部を有し、
該改質ガス生成部が、前記セルスタック上から該セルスタックの端部より外側まで延在しており、
前記改質ガス生成部の延在領域に被改質ガス導入部が設けられているとともに、
前記被改質ガスが前記改質器の一端部から前記被改質ガス導入部に導入され、前記改質ガス生成部にて生成された改質ガスが、前記改質器の他端部から導出されることを特徴とする燃料電池組立体。 In the housing,
It includes a cell stack comprising a plurality of fuel cells of the solid electrolyte are arranged in rows, and arranged to reformer above the cell stack, between the reformer and the cell stack A power generation unit that burns fuel gas that has not been used for power generation of the fuel cell,
The reformer have a reformed gas generator comprising a reforming catalyst to produce a fuel gas supplied to the fuel cell by reforming target gas,
The reformed gas generator extends from above the cell stack to the outside of the end of the cell stack;
A reformed gas introduction part is provided in the extension region of the reformed gas generation part ,
The to-be-reformed gas is introduced into the to-be-reformed gas introduction unit from one end of the reformer, and the reformed gas generated in the to-be-reformed gas generating unit is fed from the other end of the reformer. A fuel cell assembly, wherein the fuel cell assembly is derived .
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