JP5378032B2 - Solid oxide fuel cell device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は高温の排気ガスを排出させる固体酸化物型燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell device that discharges high-temperature exhaust gas.
固体酸化物型燃料電池装置は、複数の燃料電池(SOFC)が組み付けられたスタックと、スタックの発電反応を経た排気ガスを流出させる排気ガス通路とを有する(特許文献1,2,3)。このものによれば、アノードガスがスタックのアノードに供給され、カソードガスがスタックのカソードに供給され、発電が行われる。
The solid oxide fuel cell device includes a stack in which a plurality of fuel cells (SOFC) are assembled, and an exhaust gas passage through which exhaust gas that has undergone a power generation reaction of the stack flows out (
特許文献1によれば、燃料電池から排出された排気ガスを排気空気で燃焼させる触媒燃焼層を設けることにしている。また特許文献2によれば、スタックの横断面方向において温度むらを低減すべく、複数のガス供給路をスタックの周囲に配置させている。また特許文献3によれば、スタックから排出される排気ガスを燃焼させる触媒燃焼させ、触媒燃焼の熱により熱交換器を加熱させることにより、スタックからの排熱を利用することにしている。
According to
産業界では、上記した固体酸化物型の燃料電池装置において、スタックの発電効率、耐久性を更に向上させることが要請されている。しかしスタック周囲の温度むらに起因する発電出力のむらが発生するおそれがあり、発電効率および耐久性の向上には限界があった。殊に、スタックが長手方向に沿って延設されているときには、スタックの長手方向において発電出力のむらが発生するおそれがあり、スタックの発電効率および耐久性を向上させるには限界があった。 The industry demands that the power generation efficiency and durability of the stack be further improved in the above-described solid oxide fuel cell device. However, there is a possibility that unevenness in power generation output due to uneven temperature around the stack may occur, and there is a limit to improving power generation efficiency and durability. In particular, when the stack is extended in the longitudinal direction, there is a possibility that unevenness in power generation output may occur in the longitudinal direction of the stack, and there is a limit to improving the power generation efficiency and durability of the stack.
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、スタックの長手方向においてスタックの発電出力のむらを抑制し、スタックの発電効率および耐久性を向上させるのに有利な固体酸化物型燃料電池装置を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and is a solid oxide fuel cell device that is advantageous in suppressing unevenness of the power generation output of the stack in the longitudinal direction of the stack and improving the power generation efficiency and durability of the stack. It is an issue to provide.
本発明に係る固体酸化物型燃料電池装置は、(i)複数の燃料電池を積層して長手方向に延設されたスタックと、スタックの燃料電池の発電反応を経た排気ガスを流入させる入口と排気ガスを吐出させる出口とを有し且つスタックの長手方向に沿って延設されている排気ガス通路とを具備しており、(ii)排気ガス通路は、スタックの長手方向において分割された複数の分割室で形成された分割室群と、排気ガス通路に配置された抵抗部材とを備えており、(iii)分割室群のうち、抵抗部材が配置されていない状態において温度が他の分割室の温度よりも相対的に高温となる少なくとも高温側分割室には、高温側分割室における圧損を他の分割室における圧損よりも高めるように抵抗部材が配置されている。 A solid oxide fuel cell device according to the present invention includes (i) a stack in which a plurality of fuel cells are stacked and extended in a longitudinal direction, and an inlet through which exhaust gas that has undergone a power generation reaction of the fuel cells in the stack flows. An exhaust gas passage having an outlet for discharging exhaust gas and extending along the longitudinal direction of the stack, and (ii) a plurality of exhaust gas passages divided in the longitudinal direction of the stack A divided chamber group formed by the divided chambers and a resistance member disposed in the exhaust gas passage, and (iii) among the divided chamber groups, the temperature is divided into other divided states in the state where the resistive member is not disposed. In at least the high temperature side divided chamber that is relatively higher in temperature than the chamber temperature, a resistance member is arranged so that the pressure loss in the high temperature side divided chamber is higher than the pressure loss in the other divided chambers.
本発明によれば、排気ガス通路は、スタックの長手方向において分割された複数の分割室で形成された分割室群と、排気ガス通路に配置され排気ガスの流れに対して抵抗となる抵抗部材とを備えている。分割室群のうち、抵抗部材が配置されていない状態において温度が他の分割室の温度よりも相対的に高温となる少なくとも高温側分割室には、高温側分割室における圧損を他の分割室における圧損よりも高めるように、抵抗部材が配置されている。 According to the present invention, the exhaust gas passage includes a divided chamber group formed by a plurality of divided chambers divided in the longitudinal direction of the stack, and a resistance member that is disposed in the exhaust gas passage and is resistant to the flow of the exhaust gas. And. Among the divided chamber groups, the pressure loss in the high-temperature-side divided chamber is reduced to at least the high-temperature-side divided chamber at least in the high-temperature-side divided chamber where the temperature is relatively higher than the temperature of the other divided chamber in a state where the resistance member is not disposed The resistance member is arranged so as to be higher than the pressure loss at.
本発明によれば、相対的に高温となる分割室には、排気ガスの流れに対して抵抗となり、圧損を高める抵抗部材が配置されている。このため抵抗部材が配置されていない状態において相対的に高温となる分割室(高温側分割室)に流れる単位時間および単位容積あたりの排気ガスの流量は、抵抗部材を配置していない場合に比較して減少する。結果として、高温の排気ガスは、圧損が高い高温側分割室に向けて流れにくくなる。高温の排気ガスは、圧損が低い低温側分割室に向けて流れ易くなる。 According to the present invention, the resistance chamber that is resistant to the flow of the exhaust gas and increases the pressure loss is arranged in the relatively high temperature division chamber. For this reason, the flow rate of the exhaust gas per unit time and unit volume flowing into the division chamber (the high temperature side division chamber) that is relatively high in the state where the resistance member is not disposed is compared with the case where the resistance member is not disposed. Then decrease. As a result, the high-temperature exhaust gas is less likely to flow toward the high-temperature side division chamber having a high pressure loss. The high temperature exhaust gas is likely to flow toward the low temperature side division chamber having a low pressure loss.
このため、高温の排気ガスが低温側分割室の排気ガス通路を流れるにあたり、スタックの長手方向において、排気ガス通路の温度の均一化を図り得る。ひいては排ガス流路とスタックとの間の温度差が小さくなるので、スタックにおける熱損失も抑制できる。このような本発明では、スタックの長手方向においてスタックの発電出力のむらを抑制し、スタックの発電効率および耐久性を向上させることができる。またスタックの長手方向において排気ガス通路の温度の均一化を図り得るため、スタックの長手方向において排気ガスとカソードガスとの熱交換効率が均一化する。従って、スタックの長手方向において相対的に温度が低い部分に、相対的に高い温度のカソードガスを供給することができる。この意味においても、スタックの長手方向における温度の均一性を高めることができる。 For this reason, when the high-temperature exhaust gas flows through the exhaust gas passage of the low-temperature side division chamber, the temperature of the exhaust gas passage can be made uniform in the longitudinal direction of the stack. As a result, the temperature difference between the exhaust gas flow path and the stack is reduced, so that heat loss in the stack can also be suppressed. In the present invention as described above, unevenness in the power generation output of the stack in the longitudinal direction of the stack can be suppressed, and the power generation efficiency and durability of the stack can be improved. Further, since the temperature of the exhaust gas passage can be made uniform in the longitudinal direction of the stack, the heat exchange efficiency between the exhaust gas and the cathode gas is made uniform in the longitudinal direction of the stack. Accordingly, a relatively high temperature cathode gas can be supplied to a portion having a relatively low temperature in the longitudinal direction of the stack. Also in this sense, the temperature uniformity in the longitudinal direction of the stack can be improved.
本発明に係る固体酸化物型燃料電池装置によれば、高温の排気ガスを排気ガス通路の低温側分割室に多めに流すことができるため、長手方向における排気ガスの温度分布の均一性を高めることができる。ひいては、長手方向における排ガス流路とスタックとの間の温度差が小さくなるので、スタックにおける熱損失も抑制できる。また、スタックの長手方向において排気ガス通路の温度の均一化を図り得るため、長手方向において排気ガスとカソードガスとの熱交換効率が均一化する。従って、スタックの長手方向において相対的に温度が低い部分に、相対的に高い温度のカソードガスを供給できる。ひいてはスタックの長手方向における温度の均一性を高めることができる。従って、スタックの長手方向における発電出力(発電電圧)の均一性を高めることができ、スタックの発電効率および耐久性を高めることができる。 According to the solid oxide fuel cell device of the present invention, a high amount of high-temperature exhaust gas can be allowed to flow into the low-temperature side division chamber of the exhaust gas passage, so that the uniformity of the temperature distribution of the exhaust gas in the longitudinal direction is improved. be able to. As a result, since the temperature difference between the exhaust gas flow path and the stack in the longitudinal direction becomes small, heat loss in the stack can also be suppressed. Moreover, since the temperature of the exhaust gas passage can be made uniform in the longitudinal direction of the stack, the heat exchange efficiency between the exhaust gas and the cathode gas is made uniform in the longitudinal direction. Accordingly, a relatively high temperature cathode gas can be supplied to a portion having a relatively low temperature in the longitudinal direction of the stack. As a result, the temperature uniformity in the longitudinal direction of the stack can be improved. Therefore, the uniformity of the power generation output (power generation voltage) in the longitudinal direction of the stack can be increased, and the power generation efficiency and durability of the stack can be increased.
抵抗部材は、排気ガスの流れに対して抵抗となる部材であり、排気ガス通路において排気ガスの圧力損失を発生させる。抵抗部材としては、排気ガスの流れに対して抵抗となるものであれば何でも良く、排気ガスを浄化させる浄化触媒(燃焼触媒)を有する触媒担体を例示できる。浄化触媒としては、CO,HC,NOx,HC等の環境影響成分を低減させるものであり、酸化触媒、還元触媒、3ウェイ触媒が例示される。更に抵抗部材としては、触媒を担持していないセラミックスまたは金属等の部材でも良い。このような部材の形状としては、特に限定されず、球状、粒状、フレーク状、繊維状、モノリス構造体、波板、網体等が例示される。 The resistance member is a member that resists the flow of the exhaust gas, and generates a pressure loss of the exhaust gas in the exhaust gas passage. The resistance member may be anything as long as it resists the flow of exhaust gas, and examples thereof include a catalyst carrier having a purification catalyst (combustion catalyst) for purifying exhaust gas. Examples of the purification catalyst are those that reduce environmental impact components such as CO, HC, NOx, and HC, and examples include an oxidation catalyst, a reduction catalyst, and a three-way catalyst. Furthermore, the resistance member may be a member such as ceramic or metal that does not carry a catalyst. The shape of such a member is not particularly limited, and examples thereof include a spherical shape, a granular shape, a flake shape, a fibrous shape, a monolith structure, a corrugated plate, and a net.
好ましい形態によれば、分割室群を構成する各分割室には、排気ガスを浄化させる浄化触媒を有する触媒担体が抵抗部材として収容されている。そして、分割室群のうち、触媒担体が収容されていない状態において温度が他の分割室の温度よりも相対的に高温となる少なくとも高温側分割室には、触媒担体が抵抗部材として配置されていることが好ましい。この場合、高温側分割室における圧損を他の分割室における圧損よりも高めるため、高温の排気ガスが高温側分割室に流れにくくなり、低温側分割室に流れやすくなる。この結果、全体として、スタックの長手方向における温度の均一性を高めることができる。 According to a preferred embodiment, a catalyst carrier having a purification catalyst for purifying exhaust gas is accommodated as a resistance member in each of the divided chambers constituting the divided chamber group. In the divided chamber group, the catalyst carrier is arranged as a resistance member in at least the high temperature side divided chamber where the temperature is relatively higher than the temperatures of the other divided chambers in a state where the catalyst carrier is not accommodated. Preferably it is. In this case, since the pressure loss in the high temperature side division chamber is higher than the pressure loss in the other division chambers, the high temperature exhaust gas is less likely to flow into the high temperature side division chamber and is likely to flow into the low temperature side division chamber. As a result, the uniformity of temperature in the longitudinal direction of the stack can be improved as a whole.
好ましい形態によれば、スタックに供給される発電反応前のカソードガスが流れるカソードガス通路が設けられている。そして、カソードガス通路を流れるカソードガスと、排気ガス通路を流れる排気ガスとが熱交換可能となるように、カソードガス通路および排気ガス通路が設けられている。 According to a preferred embodiment, the cathode gas passage through which the cathode gas before power generation reaction supplied to the stack flows is provided. The cathode gas passage and the exhaust gas passage are provided so that heat exchange is possible between the cathode gas flowing through the cathode gas passage and the exhaust gas flowing through the exhaust gas passage.
排気ガスの温度が過剰に高温であると、浄化触媒が排気ガスを浄化させる効率が低下したり、触媒の劣化が進行するおそれがある。そこで、好ましい形態によれば、排気ガス通路において、熱交換の促進により排気ガスの温度を低下させる冷却要素が触媒担体の上流に設けられている。この場合、高温の排気ガスが触媒担体に接触することが抑制され、触媒担体に担持されている触媒の熱劣化が抑制される。冷却要素としては、熱伝導に優れた良熱伝導部材(粒状、網状など)が例示される。 If the temperature of the exhaust gas is excessively high, the efficiency with which the purification catalyst purifies the exhaust gas may decrease, or the catalyst may deteriorate. Therefore, according to a preferred embodiment, in the exhaust gas passage, a cooling element that lowers the temperature of the exhaust gas by promoting heat exchange is provided upstream of the catalyst carrier. In this case, contact of the high-temperature exhaust gas with the catalyst carrier is suppressed, and thermal deterioration of the catalyst supported on the catalyst carrier is suppressed. Examples of the cooling element include good heat conducting members (granular, net-like, etc.) excellent in heat conduction.
また、好ましくは、抵抗部材は、排気ガスを浄化させる浄化触媒を有する触媒担体で形成された第1抵抗部材と、排気ガス通路において第1抵抗部材の上流に配置され且つ排気ガスの温度を低下させる第2抵抗部材とを有する。排気ガスは、触媒担体に接触する前において、第2抵抗部材に接触して冷却される。このため触媒担体と接触する排気ガスの温度の過剰高温化は、抑制される。このため触媒担体の触媒が排気ガスを浄化させる浄化効率を高めることができる。この意味において、第2抵抗部材は、排気ガスを浄化させる浄化触媒を有していないことが好ましい。あるいは、第2抵抗部材が浄化触媒を有していたとしても、単位体積あたりにおける浄化触媒の担持量は、第1抵抗部材における浄化触媒の担持量よりも小さい方が好ましい。 Preferably, the resistance member is disposed upstream of the first resistance member in the exhaust gas passage and is formed of a catalyst carrier having a purification catalyst that purifies the exhaust gas, and lowers the temperature of the exhaust gas. A second resistance member. Before the exhaust gas contacts the catalyst carrier, the exhaust gas contacts the second resistance member and is cooled. For this reason, an excessive increase in the temperature of the exhaust gas in contact with the catalyst carrier is suppressed. For this reason, the purification efficiency by which the catalyst of the catalyst carrier purifies the exhaust gas can be increased. In this sense, it is preferable that the second resistance member does not have a purification catalyst that purifies the exhaust gas. Alternatively, even if the second resistance member has the purification catalyst, it is preferable that the amount of the purification catalyst supported per unit volume is smaller than the amount of the purification catalyst supported on the first resistance member.
圧損が低い方の排気ガス通路にガスが多く流れる。このため、抵抗部材として触媒担体が使用される場合には、圧損が低い方の排気ガス通路は触媒反応(発熱反応)が多く発生し、温度が高くなる。このため触媒が無いときに比較して、圧損が低い方の排気ガス通路の温度の昇温性が確保される。 A large amount of gas flows through the exhaust gas passage having the lower pressure loss. For this reason, when a catalyst carrier is used as the resistance member, the exhaust gas passage with the lower pressure loss causes more catalyst reaction (exothermic reaction) and the temperature becomes higher. For this reason, the temperature raising property of the temperature of the exhaust gas passage having the lower pressure loss is ensured as compared with the case where there is no catalyst.
好ましい形態によれば、浄化触媒を担持する触媒担体が収納されている排気ガス通路に対向するように、スタックに供給される前のカソードガスが流れるカソードガス通路が設けられていることが好ましい。この場合、カソードガスを触媒担体の熱で予熱させると共に、触媒担体をカソードガスで冷却させることができる。故に、触媒および/または触媒担体の熱劣化が抑制される。 According to a preferred embodiment, it is preferable that a cathode gas passage through which the cathode gas before being supplied to the stack flows is provided so as to face the exhaust gas passage in which the catalyst carrier carrying the purification catalyst is accommodated. In this case, the cathode gas can be preheated with the heat of the catalyst carrier and the catalyst carrier can be cooled with the cathode gas. Therefore, thermal deterioration of the catalyst and / or catalyst support is suppressed.
好ましい形態によれば、抵抗部材は、排気ガス通路において排気ガスが流れる方向における中間領域に配置されている。この場合には、排気ガス通路において排気ガスが流れる方向における温度のばらつきを低減させるのに貢献できる。 According to a preferred embodiment, the resistance member is arranged in an intermediate region in the direction in which the exhaust gas flows in the exhaust gas passage. In this case, it is possible to contribute to reducing temperature variations in the direction in which the exhaust gas flows in the exhaust gas passage.
(実施形態1)
図1および図2は実施形態1を示す。本実施形態は、固体酸化物型の燃料電池装置1に適用した例を示す。図1は実施形態1に係る燃料電池装置1の概念を示す。燃料電池装置1は、複数の燃料電池20が厚み方向に積層されて長手方向(矢印L方向)に沿って延設されたスタック2を有する。図1に示すように、燃料電池装置1は、配置室30をもつ基体3と、基体3の配置室30に収容された燃料電池20で形成されたスタック2と、基体3の配置室30においてスタック2の上側に配置された改質器4と、スタック2の上端と改質器4の下端との間に形成された燃焼用空間5と、スタック2の外側に配置された断熱材料で形成された断熱層6と、断熱層6の外側に配置された排気ガス通路7と、排気ガス通路7に隣設されて互いに熱交換できるように配置されたカソードガス通路8とを有する。
(Embodiment 1)
1 and 2 show the first embodiment. This embodiment shows an example applied to a solid oxide
図1に示すように、排気ガス通路7は、金属を母材とする通路形成部材7a,7cで形成されている。排気ガス通路7は、改質器4および燃焼用空間5に近い側となるように排気ガス通路7の上端側に形成された入口7iと、排気ガス通路7の下端側に形成された出口7pとをもつ。排気ガス通路7は、基本的には縦方向に沿って形成されつつ、スタック2の長手方向(矢印L方向,燃料電池の積層方向)に沿って延設されている。カソードガス通路8は、板状をなす通路形成部材8a,7cで形成されている。
As shown in FIG. 1, the
図1に示すように、カソードガス通路8は排気ガス通路7に隣設されており、入口80と、入口80から縦方向に上向きに延びる第1通路81と、第1通路81の上端から横方向にのびる第2通路82と、第2通路82の先端から下向きに延びる第3通路83と、第3通路83の下端側に形成された出口84とをもつ。燃料電池20をこれの厚み方向に積層して形成したスタック2は、第3通路83を挟むように2組設けられている。
As shown in FIG. 1, the
スタック2の下部には、アノードガスを燃料電池20の入口に案内するアノードガスマニホルド24が配置されている。図1に示すように、スタック2、カソードガス通路8、排気ガス通路7、改質器4およびアノードガスマニホルド24は、さらには、後述する燃焼用空間5は、燃料電池装置1の長手方向(矢印L方向,燃料電池20の積層方向)に沿って延設されている。矢印L方向は、燃料電池20を積層してスタック2を形成している積層方向である
図1において、カソードガス(空気)は、矢印C1方向,矢印C2方向,矢印C3方向,矢印C4方向,矢印C5方向に沿って第1通路81、第2通路82および第3通路83を流れ、カソードガス通路8の先端の出口84から燃料電池20のカソード22の下部の入口に供給される。さらに、カソード22に供給されたカソードガスは、カソード22を上向きに通過しつつ、カソード22における発電反応に使用される。
An
発電反応後のカソードガスは、燃料電池20のカソードの上部からカソードオフガスとして燃焼用空間5に吐出される。これに対して、アノードガスは、アノードガスマニホルド24から燃料電池20の内部を上向きに通過しつつ、アノード21の発電反応に使用される。発電反応後のアノードガスは、アノードオフガスとして燃料電池20の上部から燃焼用空間5に吐出される。アノードオフガスは、未反応の可燃成分(水素)を残留させており、再燃焼可能である。カソードオフガスは、未反応の酸素を残留させている。
The cathode gas after the power generation reaction is discharged from the upper part of the cathode of the
図2は燃料電池20および改質器4付近の概念図の一例を示す。図2に例示されるように、スタック2を構成する燃料電池20は、アノードガスが供給される通路21rをもつガス透過性をもつ多孔質導電部21wと、燃料極として機能するアノード21と、カソードガスが供給される酸化剤極として機能するカソード22と、アノード21およびカソード22で挟まれた固体酸化物を母材とする膜状の電解質25と、コネクタ部20xとを有する。固体酸化物は、スタック2の作動温度において酸素イオン(O2−)を伝導させる性質をもつものであり、YSZ等のジルコニア系、ランタンガレート系が例示される。アノード21は、ニッケル−セリア系サーメットが例示される。カソード22は、サマリウムコバルタイト、ランタンマンガナイトが例示される。材質は上記に限定されるものではない。
FIG. 2 shows an example of a conceptual diagram near the
上記したように燃料電池20の上部からアノードオフガスが燃焼用空間5に吐出される。燃焼用空間5において、アノードオフガスは、発電反応を経たカソードオフガス、または、発電反応を経ていないカソードガスにより燃焼されて燃焼火炎50を形成し、改質部42および蒸発部40を加熱させる。これにより改質部42における改質反応が維持され、蒸発部40において水蒸気生成反応が維持される。
As described above, the anode off gas is discharged from the upper part of the
本実施形態によれば、スタック2のアノード21に供給されるアノードガス(改質部42に供給される燃料原料)の流量としては、燃料電池20のアノード21における発電反応で使用される流量と、燃焼用空間5においてアノードオフガスが燃焼火炎50を形成する流量とを加算した流量が設定されている。カソードガスの流量としては、燃料電池20のカソード22における発電反応で使用される流量と、燃焼用空間5においてカソードオフガスが燃焼用空気として燃焼火炎50を形成する流量と、余裕流量とを加算した流量が設定されている。
According to the present embodiment, the flow rate of the anode gas supplied to the
図2に示すように、改質器4は、蒸発部40と、燃料原料が供給される改質部42とを備えている。蒸発部40は、改質水系から蒸発部40に供給される液相状の改質水を水蒸気化させる。改質部42は蒸発部40の下流に設けられており、蒸発部40で生成された水蒸気で炭化水素系の燃料原料を水蒸気改質させてアノードガスを生成させる。アノードガスは水素ガスまたは水素含有ガスである。なお、固体酸化物形の燃料電池20によれば、スタック2の定格運転における燃料電池20の作動温度は例えば500〜1100℃の範囲内、殊に550〜800℃の範囲内であることが好ましい。
As shown in FIG. 2, the
さて、燃料電池20が発電運転しているときについて説明を加える。この場合、燃料原料ポンプ90が駆動するため、炭化水素系の燃料原料が燃料原料供給通路92を介して改質器4の蒸発部40に供給される。また改質水ポンプ93が駆動し、図略の貯水タンクの改質水が改質水通路94を介して蒸発部40に供給される。ここで、燃焼火炎50で蒸発部40は加熱されているため、蒸発部40は液相状の改質水を水蒸気化させる。生成された水蒸気は改質部42に供給される。改質部42は燃料原料を水蒸気改質させ、水素を含むアノードガスを生成させる。燃料原料がメタン系である場合には、水蒸気改質ではアノードガスの生成は、次の(1)式に基づくと考えられている。固体酸化物形の燃料電池20では、H2他にCOも燃料となりうる。
Now, a description will be given of when the
(1)…CH4+2H2O→4H2+CO2
CH4+H2O→3H2+CO
CnHmが炭化水素の一般的な化学式であるすると、水蒸気改質の一般式は次の(1−1)式のようになる。n=1、m=4であると、メタンの水蒸気改質の式が得られる。
(1) ... CH 4 + 2H 2 O → 4H 2 + CO 2
CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO
When CnHm is a general chemical formula for hydrocarbons, the general formula for steam reforming is the following formula (1-1). When n = 1 and m = 4, an equation for steam reforming of methane is obtained.
(1−1)…CnHm+2nH2O→nCO2+[(m/2)+2n)]H2
生成された水素を含有するアノードガスは、アノードガスマニホルド24を介して、燃料電池20の通路21rを介してアノード21に供給されて発電に使用される。またカソードガスポンプ95が駆動しているため、空気であるカソードガスが、図1の矢印C1方向,矢印C2方向,矢印C3方向,矢印C4方向,矢印C5方向に沿って第1通路81、第2通路82および第3通路83を流れ、カソードガス通路8の先端の出口84から燃料電池20に向けて供給される。さらに、カソードガスは、カソード22に供給されつつ、燃料電池20の通路32rを上向きに流れ、カソード22の発電反応に使用される。
(1-1) ... CnHm + 2nH 2 O → nCO 2 + [(m / 2) + 2n)] H 2
The produced hydrogen gas containing hydrogen is supplied to the
これに対して、アノードガスは、アノードガスマニホルド24から燃料電池20のアノード21を上向きに通過しつつアノード21の発電反応に使用される。これにより燃料電池20は発電する。発電反応においては、水素含有ガスで供給されるアノード21では基本的には(2)の反応が発生すると考えられている。酸素が供給されるカソード22では基本的には(3)の反応が発生すると考えられている。カソード22において発生した酸素イオン(O2−)がカソード22からアノード21に向けて電解質(酸素イオン伝導体,イオン伝導体)を伝導する。
On the other hand, the anode gas is used for the power generation reaction of the
(2)…H2+O2−→H2O+2e−
COが含まれている場合には、CO+O2−→CO2+2e−
(3)…1/2O2+2e−→O2−
発電反応後のアノードオフガスは、燃料電池20のアノード21の上部から燃焼用空間5に排出される。アノードオフガスはカソードオフガスまたはカソードガスにより燃焼し、燃焼火炎50を燃焼用空間5において形成する。(2)の反応式によれば、アノードオフガスは水分(H2O)を含むことがある。
(2) ... H 2 + O 2− → H 2 O + 2e −
When CO is contained, CO + O 2− → CO 2 + 2e −
(3)... 1 / 2O 2 + 2e − → O 2−
The anode off gas after the power generation reaction is discharged from the upper part of the
燃焼用空間5において燃焼した後のアノードオフガス等のガスは高温の排気ガスとなる。この排気ガスは、入口7iから排気ガス通路7に進入し、排気ガス通路7を下向きに流れ、出口7pから吐出される。ここで、排気ガス通路7を下向きに流れる高温の排気ガスと、カソードガス通路8を上向き(排気ガスの流れ方向と反対方向)に流れる低温のカソードガスとが熱交換する。よって排気ガスが冷却される。更に、スタック2に供給される前のカソードガスが予熱される。予熱されたカソードガスは、カソードガス通路8の第2通路82,第3通路83,出口84を経て、燃料電池20のカソード22に供給されるので、発電効率が向上する。
The gas such as the anode off-gas after burning in the
ここで、排気ガス通路7を流れる高温の排気ガスは下向きに流れ、且つ、カソードガス通路8を流れる低温のカソードガスは上向きに流れる。結果として、高温の排気ガスと低温のカソードガスとは、対向流として互いに熱交換する。従って、燃焼用空間5から排出された排気ガスは冷却されると共に、スタック2に供給される前のカソードガスは予熱され、発電効率が向上する。
Here, the hot exhaust gas flowing through the
さて本実施形態によれば、図1に示すように、燃料電池装置1は、スタック2を構成する燃料電池20が積層されている方向、つまり、スタック2の長手方向(矢印L方向)に沿って延設されている。排気ガス通路7には、長手方向において、複数の仕切部材86が並設されている。よって排気ガス通路7は、仕切部材86によりスタック2の長手方向(矢印L方向)において仕切られた複数の第1分割室7f、第2分割室7sおよび第3分割室7tを長手方向に並設させる。このように第1分割室7f、第2分割室7sおよび第3分割室7tは、分割室群79を有する。第1分割室7fの通路厚み、第2分割室7sの通路厚みおよび第3分割室7tの通路厚みそれぞれ同一とされている。隣設する仕切部材86間の間隔寸法Xは、燃料電池装置1に応じて適宜設定できる。
Now, according to the present embodiment, as shown in FIG. 1, the
図1から理解できるように、排気ガス通路7においては、これの入口7iは第1分割室7f、第2分割室7sおよび第3分割室7tに共通している。従って、入口7iを通過した排気ガスは、第1分割室7f、第2分割室7sおよび第3分割室7tに分岐される。分岐された排気ガスは、第1分割室7f、第2分割室7sおよび第3分割室7tから吐出された後に、合流する。
As can be understood from FIG. 1, in the
本実施形態によれば、図1に示すように、各分割室7f,7s,7tには、排気ガスを浄化させる浄化触媒を有するセラミックス製の粒状の触媒担体100が抵抗部材(圧損部材)として収容されている。浄化触媒は、排気ガスに含まれる環境影響成分(例えば一酸化酸素など)を酸化させる等して浄化させる触媒であり、白金、パラジウム、金、等の貴金属系が例示される。触媒担体100としてはアルミナが例示される。
According to the present embodiment, as shown in FIG. 1, in each of the divided
図1に示すように、スタック2の外側に排気ガス通路7が設けられており、排気ガス通路7を構成する分割室7f,7s,7tに、排気ガスを浄化させるセラミックス製の粒状の触媒担体100が収容されている。具体的には、分割室7fには触媒担体100fが収容されている。分割室7sには触媒担体100sが収容されている。分割室7tには触媒担体100rが収容されている。触媒担体100f,100s,100tは、排気ガスを浄化させる触媒を担持しており、例えば同種および同サイズにできる。なお、図1から理解できるように、浄化触媒を担持する触媒担体100は、排気ガス通路7を構成する通路形成部材7aを介してスタック2側に間接的に対向している。このため触媒担体100(100f,100s,100t)は高温のスタック2から伝熱され易い。この場合、浄化触媒の活性温度領域が比較的温度が高い領域にある場合に有効である。
As shown in FIG. 1, an
図1に示すように、排気ガス通路7を構成する分割室7f,7s,7tの上側(分割室7f,7s,7tにおける上流領域)ではなく、分割室7f,7s,7tの底側(分割室7f,7s,7tにおける下流領域)において、触媒担体100(100f,100s,100t)が抵抗部材として収容されている。なお図1では、触媒担体100のサイズは模式化されて図示されている。
As shown in FIG. 1, it is not the upper side of the divided
ここで、図1に示すように、分割室7f,7s,7tにおいて、触媒担体100よりも上方(上流)には、中空空間7fp,7sp,7tpが配置されている。この中空空間7fp,7sp,7tpは、触媒担体100に接触する前の高温の排気ガスを、カソードガスとの熱交換により低下させる役割を果たすことができる。この中空空間7fp,7sp,7tpを流れる相対的に高温の排気ガスは、カソードガス通路8を流れる相対的に低温のカソードガスと通路形成部材7cを介して熱交換されて冷却される。
Here, as shown in FIG. 1, in the divided
ところで、燃料電池装置1の定格運転等の発電運転において、一般的には、スタック2の長手方向(矢印L方向)の端領域よりも中間領域は、相対的に高温となり易い。スタック1の長手方向の端領域は放熱され易いためと推察される。ここで、図1から理解できるように、第1分割室7fおよび第3分割室7tは、スタック2の長手方向(矢印L方向)の端領域に相当する。第1分割室7fおよび第3分割室7tで挟まれた第2分割室7sは、スタック2の長手方向(矢印L方向)の中間領域に相当する。
By the way, in the power generation operation such as the rated operation of the
上記した抵抗部材である触媒担体100(100f,100s,100t)が収容されていない条件下では、中央領域に相当する第2分割室7sは、端領域に相当する第1分割室7fおよび第3分割室7tよりも相対的に高温となり易い。すなわち、燃料電池装置1の定格運転等の発電運転において、触媒担体100が収容されていない状態において第2分割室7sの温度は、本来的には、他の分割室(第1分割室7fおよび第3分割室7t)の温度よりも相対的に高温となる高温側分割室である。換言すると、触媒担体100が収容されていない状態において第1分割室7fおよび第3分割室7tの温度は、本来的には、第2分割室7sの温度よりも相対的に低温となる低温側分割室である。
Under the condition that the catalyst carrier 100 (100f, 100s, 100t), which is the resistance member, is not accommodated, the second divided
この点について本実施形態によれば、相対的に高温となり易い第2分割室7sには、排気ガスの流れに対して抵抗となり圧損を生成させる粒状の触媒担体100が抵抗部材として、第1分割室7f,第3分割室7tよりも多めに収容されている。これにより矢印L方向における排気ガス通路7における圧損が調整されている。
In this regard, according to the present embodiment, the second divided
換言すると、分割室群79のうち、触媒担体100が収容されていない状態において温度が第2分割室7sの温度よりも相対的に低温となる低温側分割室である第1分割室7fおよび第3分割室7tには、排気ガスの流れに対して抵抗となる触媒担体100が、第2分割室7s(高温側分割室)よりも少な目に収容されている。従って、端領域に相当する第1分割室7fおよび第3分割室7tにおける圧損は、中央領域に相当する第2分割室7sにおける圧損よりも低下されている。
In other words, in the divided
換言すると、排気ガス通路7の高さ方向(矢印H方向)に着目すると、第1分割室7fに収容されている触媒担体100の収容高さをH1とし、第2分割室7sに収容されている触媒担体100の収容高さをH2とし、第3分割室7tに収容されている触媒担体100の収容高さをH3とすると、H2>H1の関係.H2>H3の関係とされている。
In other words, paying attention to the height direction of the exhaust gas passage 7 (the direction of the arrow H), the accommodation height of the
したがって、排気ガス通路7において、圧損を調整する前に比較すると、排気ガスが第2分割室7sに流れにくくなり、且つ、第1分割室7fおよび第3分割室7tには流れ易くなる。このように排気ガス通路7において排気ガスの分配性が調整される。このため、圧損を調整する前に比較して、第2分割室7sの温度が相対的に低めに調整され、第1分割室7fおよび第3分割室7tの温度が相対的に高めに調整される。これにより長手方向(矢印L方向)における排気ガス通路7の温度分布の均一化を図り得る。結果として、長手方向(矢印L方向)におけるスタック2の温度分布の均一化を図り得る。このため長手方向(矢印L方向)におけるスタック2の発電出力(発電電圧)の均一性を高めることができ、スタック2の発電効率を向上させるのに有利となる。
Therefore, in the
殊に、固体酸化物型の燃料電池20では、その温度が発電出力(発電電圧)に大きな影響を与える。これを考慮すれば、スタック2の長手方向(矢印L方向)におけるスタック2の発電出力(発電電圧)の均一性を高めることは有効である。
In particular, in the solid
更に前述したように、長手方向(矢印L方向)におけるスタック2の温度分布の均一化を図り得るため、第1分割室7f、第2分割室7sおよび第3分割室7tのそれぞれに収容されている浄化触媒の浄化効果のばらつきを低減させることができ、排気ガスの浄化性能を高めることができる。加えて、第1分割室7f、第2分割室7sおよび第3分割室7tのそれぞれにおける浄化触媒の耐久性のばらつきを低減させることができる。
Further, as described above, the temperature distribution of the
本実施形態によれば、図1から理解できるように、排気ガス通路7およびカソードガス通路8は通路形成部材7cを介して互いに対向している。このため、排気ガス通路7に収容されている浄化触媒を担持する触媒担体100に対向するように、スタック2に供給される前のカソードガスが流れるカソードガス通路8が設けられている。この場合、外気である相対的に低温のカソードガスを触媒担体100の熱で予熱させると共に、触媒担体100をカソードガス通路8のカソードガスで冷却させることができる。故に、触媒および/または触媒担体100の熱劣化が抑制され、触媒の耐久性を高め得る。
According to this embodiment, as can be understood from FIG. 1, the
本実施形態によれば、上記したように長手方向(矢印L方向)における排気ガス通路7の温度分布の均一化を図り得る。このため、排気ガス通路7を流れる排気ガスと、カソードガス通路8を流れるカソードガスとを熱交換させるにあたり、長手方向(矢印L方向)において熱交換の均一性を高めることができる。このため、スタック2に供給されるカソードガスの温度の均一化にも貢献でき、スタック2の長手方向(矢印L方向)における発電むらの低減にも貢献できる。従って、スタック2の長手方向における発電出力のむらを抑制し、スタック2の発電効率および耐久性を向上させるのに貢献できる。
According to the present embodiment, as described above, the temperature distribution of the
(実施形態2)
図3は実施形態2を示す。本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、実施形態1と相違する部分を中心として説明する。図3に示すように、貫通孔89を有する通気性を備えた横仕切部材88が排気ガス通路7に架設されている。横仕切部材88は分割室7f,7s,7tを上下に分割している。
(Embodiment 2)
FIG. 3 shows a second embodiment. This embodiment has basically the same configuration and the same operation and effect as the first embodiment. Hereinafter, a description will be given centering on portions different from the first embodiment. As shown in FIG. 3, a
燃焼用空間5から吐出された排気ガスの温度が過剰に高温であると、触媒担体100に担持されている浄化触媒が排気ガスを浄化させる効率が低下したり、浄化触媒および/または触媒担体100の劣化が進行するおそれがある。このような場合には、図3に示すように、排気ガス通路7に配置される抵抗部材は、排気ガスを浄化させる浄化触媒を有する触媒担体100で形成された第1抵抗部材102fと、排気ガス通路7において第1抵抗部材102fの上流に配置され且つ排気ガスの温度を低下させるための第2抵抗部材102sとを有する。
If the temperature of the exhaust gas discharged from the
図3に示すように、排気ガスを浄化させる機能と冷却させる機能とを併有する第2抵抗部材102s(冷却要素)は、横仕切部材88に載せられており、触媒担体100の上流に配置されている。従って、高温の排気ガスは、触媒担体100に担持されている浄化触媒に接触する前に、第2抵抗部材102sに接触して冷却される。このため、排気ガスが触媒担体100と接触するときには、排気ガスの過剰高温化は抑制されている。
As shown in FIG. 3, the
このため、燃焼用空間5から吐出された直後の排気ガスの温度が過剰に高温であったとしても、触媒担体100の浄化触媒が排気ガスを浄化させる浄化効率を高めることができる。このように第2抵抗部材102sは、浄化触媒を担持する触媒担体で形成されているのではなく、浄化触媒を担持していない複数の粒状または球状のセラミックスまたは金属を基材とする部材で形成されていることが好ましい。第2抵抗部材102sを構成するセラミックス部材として、セラミックス繊維の集合体で形成しても良いし、あるいは、モノリス構造体で形成しても良い。第2抵抗部材102sを形成するセラミックスとしては、アルミナ、シリカ、マグネシア、ジルコニア、窒化アルミニウム等が例示される。
For this reason, even if the temperature of the exhaust gas immediately after being discharged from the
図3から理解できるように、排気ガス通路7の高さ方向(矢印H方向)に着目すると、第1分割室7fに収容されている触媒担体100の収容高さをH1とし、第2分割室7sに収容されている触媒担体100の収容高さをH2とし、第3分割室7tに収容されている触媒担体100の収容高さをH3とすると、H2≒H1の関係.H2≒H3の関係とされている。但し、H2>H1の関係.H2>H3の関係とされていても良い。
As can be understood from FIG. 3, when attention is paid to the height direction of the exhaust gas passage 7 (arrow H direction), the accommodation height of the
更に、図3から理解できるように、排気ガス通路7の高さ方向(矢印H方向)に着目すると、第1分割室7fに収容されている第2抵抗部材102sの収容高さをM1とし、第2分割室7sに収容されている第2抵抗部材102sの収容高さをM2とし、第3分割室7tに収容されている第2抵抗部材102sの収容高さをM3とすると、M2>M1の関係.M2>M3の関係とされている。従って、第2分割室7sにおける流体抵抗は、第1分割室7fにおける流体抵抗、第3分割室7tにおける流体抵抗に比較して大きく設定されている。換言すると、第2分割室7sにおける圧損は、第1分割室7fにおける圧損、第3分割室7tにおける圧損に比較して大きく設定されている。
Further, as can be understood from FIG. 3, when attention is paid to the height direction of the exhaust gas passage 7 (arrow H direction), the accommodation height of the
このような本実施形態によれば、排気ガス通路7において、圧損を調整する前に比較すると、排気ガスが第2分割室7sに流れにくくなり、第1分割室7fおよび第3分割室7tには流れ易くなる。このため圧損を調整する前に比較して、排気ガス通路7における排気ガスの分配性が調整され、故に、第2分割室7sの温度が相対的に低めに移行し、第1分割室7fおよび第3分割室7tの温度が相対的に高めに移行する。これにより長手方向(矢印L方向)における排気ガス通路7の温度分布の均一化を図り得る。結果として、長手方向(矢印L方向)におけるスタック2の温度分布の均一化を図り得る。このため長手方向(矢印L方向)におけるスタック2の発電出力(発電電圧)の均一性を高めることができ、スタック2の発電効率を向上させることができる。
According to the present embodiment as described above, in the
上記したように、スタック2の長手方向(矢印L方向)におけるスタック2の温度分布の均一化を図り得る。このため、第1分割室7f、第2分割室7sおよび第3分割室7tのそれぞれに収容されている浄化触媒の浄化効果のばらつきを低減させることができ、排気ガスの浄化性能を高めることができる。加えて、第1分割室7f、第2分割室7sおよび第3分割室7tのそれぞれにおける浄化触媒の耐久性のばらつきを低減させることができる。
As described above, the temperature distribution of the
本実施形態によれば、上記したように長手方向(矢印L方向)における排気ガス通路7の温度分布の均一化を図り得る。このため、排気ガス通路7を流れる排気ガスと、カソードガス通路8を流れるカソードガスとを熱交換させるにあたり、長手方向(矢印L方向)において熱交換の均一性を高めることができる。このため、スタック2に供給されるカソードガスの温度の均一化にも貢献でき、スタック2の長手方向(矢印L方向)における発電むらの低減にも貢献できる。従って、スタック2の長手方向における発電出力のむらを抑制し、スタック2の発電効率および耐久性を向上させるのに貢献できる。
According to the present embodiment, as described above, the temperature distribution of the
(実施形態3)
図4は実施形態3を示す。本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、実施形態1と相違する部分を中心として説明する。図4に示すように、排気ガス通路7には、排気ガス通路7を流れる排気ガスの流れ方向と交差する方向に沿って延設された横仕切部材88が設けられている。横仕切部材88は分割室7f,7s,7tを上下に分割している。
(Embodiment 3)
FIG. 4 shows a third embodiment. This embodiment has basically the same configuration and the same operation and effect as the first embodiment. Hereinafter, a description will be given centering on portions different from the first embodiment. As shown in FIG. 4, the
図4から理解できるように、横仕切部材88は、排気ガス通路7の高さ方向(排気ガス通路7におけるガス流れ方向に相当,矢印H方向)において中間領域に保持されており、複数の貫通孔89を有しており、ガス透過性を有する。圧損部材や抵抗部材として機能できる触媒担体100は、横仕切部材88に載せられて収容されている。このため、浄化触媒を担持する触媒担体100は、排気ガス通路7においてこれの高さ方向(矢印H方向)において中間領域に配置されている。この場合、排気ガス通路7の上端の温度と下端の温度とのばらつきを抑制させるのに貢献できる。従って排気ガス通路7の高さ方向(矢印H方向)における温度の均一性を高めるのに貢献できる。
As can be understood from FIG. 4, the
図4に示すように、排気ガス通路7の高さ方向(矢印H方向)に着目すると、第1分割室7fに収容されている触媒担体100の収容高さをH1とし、第2分割室7sに収容されている触媒担体100の収容高さをH2とし、第3分割室7tに収容されている触媒担体100の収容高さをH3とすると、H2>H1の関係.H2>H3の関係とされている。従って、第2分割室7sの抵抗は、第1分割室7fの抵抗、第3分割室7tの抵抗に比較して大きく設定されている。よって、第2分割室7sにおける圧損は、第1分割室7fにおける圧損、第3分割室7tにおける圧損に比較して大きく設定されている。
As shown in FIG. 4, paying attention to the height direction (arrow H direction) of the
本実施形態においても、上記したように長手方向(矢印L方向)における排気ガス通路7の温度分布の均一化を図り得る。このため、排気ガス通路7を流れる排気ガスと、カソードガス通路8を流れるカソードガスとを熱交換させるにあたり、長手方向(矢印L方向)において熱交換の均一性を高めることができる。このため、スタック2に供給されるカソードガスの温度の均一化にも貢献でき、スタック2の長手方向(矢印L方向)における発電むらの低減にも貢献できる。従って、スタック2の長手方向における発電出力のむらを抑制し、スタック2の発電効率および耐久性を向上させるのに貢献できる。
Also in this embodiment, the temperature distribution of the
(実施形態4)
図5は実施形態4を示す。本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、実施形態1と相違する部分を中心として説明する。図5に示すように、触媒担体100fは第1分割室7fに収容されている。触媒担体100sは第2分割室7sに収容されている。触媒担体100tは第3分割室7tに収容されている。
(Embodiment 4)
FIG. 5 shows a fourth embodiment. This embodiment has basically the same configuration and the same operation and effect as the first embodiment. Hereinafter, a description will be given centering on portions different from the first embodiment. As shown in FIG. 5, the
排気ガス通路7の高さ方向(矢印H方向)に着目すると、第1分割室7fに収容されている触媒担体100fの収容高さをH1とし、第2分割室7sに収容されている触媒担体100sの収容高さをH2とし、第3分割室7tに収容されている触媒担体100tの収容高さをH3とすると、H2≒H1の関係.H2≒H3の関係とされている。但し、第1分割室7fに収容されている触媒担体100fの粒径をD1とし、第2分割室7sに収容されている触媒担体100sの粒径をD2とし、第3分割室7tに収容されている触媒担体100tの粒径をD3とすると、D2はD1,D3よりも小さく設定されている。粒径は排気ガスが通過する通過性に影響を与える。触媒担体100f,100s,100tの収容高さが同一であれば、粒径が小さい方が排気ガスの通過に対して抵抗となり、圧損を生成させる。
Focusing on the height direction of the exhaust gas passage 7 (the direction of the arrow H), the height of the
このような本実施形態によれば、排気ガス通路7において、圧損を調整する前に比較すると、排気ガスが第2分割室7sに流れにくくなり、第1分割室7fおよび第3分割室7tには流れ易くなる。このため圧損を調整する前に比較して、第2分割室7sの温度が相対的に低めに移行し、第1分割室7fおよび第3分割室7tの温度が相対的に高めに移行する。これにより長手方向(矢印L方向)における排気ガス通路7の温度分布の均一化を図り得る。結果として、長手方向(矢印L方向)におけるスタック2の温度分布の均一化を図り得る。このため長手方向(矢印L方向)におけるスタック2の発電出力(発電電圧)の均一性を高めることができ、スタック2の発電効率を向上させることができる。
According to the present embodiment as described above, in the
本実施形態においても、上記したように長手方向(矢印L方向)における排気ガス通路7の温度分布の均一化を図り得る。このため、排気ガス通路7を流れる排気ガスと、カソードガス通路8を流れるカソードガスとを熱交換させるにあたり、長手方向(矢印L方向)において熱交換の均一性を高めることができる。このため、スタック2に供給されるカソードガスの温度の均一化にも貢献でき、スタック2の長手方向(矢印L方向)における発電むらの低減にも貢献できる。
Also in this embodiment, the temperature distribution of the
(実施形態5)
図6は実施形態5を示す。本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、実施形態1と相違する部分を中心として説明する。図6に示すように、第1分割室7fの通路厚み、第2分割室7sの通路厚みおよび第3分割室7tの通路厚みはそれぞれ寸法t1とされ、同一とされている。圧損部材として機能できる抵抗部材が排気ガス通路7に配置されていない場合において、相対的に高温となり易い第2分割室7sには、排気ガスにおける圧損を第1分割室7fおよび第3分割室7tにおける圧損よりも高めるための波板で形成された抵抗部材106が配置されている。換言すると、分割室群79のうち、抵抗部材106が収容されていない状態において温度が第2分割室7sの温度よりも相対的に低温となる低温側分割室である第1分割室7fおよび第3分割室7tには、抵抗部材Fが配置されていない。抵抗部材106は波板に限定されない。
(Embodiment 5)
FIG. 6 shows a fifth embodiment. This embodiment has basically the same configuration and the same operation and effect as the first embodiment. Hereinafter, a description will be given centering on portions different from the first embodiment. As shown in FIG. 6, the passage thickness of the
(実施形態6)
図7は実施形態6を示す。本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、実施形態1と相違する部分を中心として説明する。スタック2の長手方向(矢印L方向)において、排気ガス通路7は、4個に分割されており、第1分割室7f、第2分割室7s、第3分割室7tおよび第4分割室7eを有する。第1分割室7fの通路厚み、第2分割室7sの通路厚み、第3分割室7tの通路厚み、第4分割室7eの通路厚みは、それぞれ寸法t1とされ、同一とされている。排気ガス通路7の高さ方向に着目すると、第1分割室7fに収容されている触媒担体100の収容高さをH1とし、第2分割室7sに収容されている触媒担体100の収容高さをH2とし、第3分割室7tに収容されている触媒担体100の収容高さをH3とし、第4分割室に収容されている触媒担体100の収容高さをH4とすると、H2,H3>H1,H2の関係とされている。H2≒H3の関係とされている。H1≒H2の関係とされている。従って、第2分割室7sおよび第3分割室7tにおける圧損は、第1分割室7fにおける圧損、第2分割室7sにおける圧損に比較して大きく設定されている。
(Embodiment 6)
FIG. 7 shows a sixth embodiment. This embodiment has basically the same configuration and the same operation and effect as the first embodiment. Hereinafter, a description will be given centering on portions different from the first embodiment. In the longitudinal direction of the stack 2 (the direction of the arrow L), the
結果として、これにより長手方向(矢印L方向)における排気ガス通路7の温度分布の均一化を図り得る。故に、スタック2の長手方向(矢印L方向)におけるスタック2の温度分布の均一化を図り得る。このため長手方向(矢印L方向)におけるスタック2の発電出力(発電電圧)の均一性を高めることができ、スタック2の発電効率を向上させることができる。
As a result, the temperature distribution of the
(実施形態7)
図8は実施形態7を示す。本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、実施形態1と相違する部分を中心として説明する。スタック2の長手方向(矢印L方向)において、排気ガス通路7は5個に分割されており、第1分割室7f、第2分割室7s、第3分割室7t、第4分割室7eおよび第5分割室7hを有する。第1分割室7fには、排気ガスを浄化させる浄化触媒の触媒層を担体に担持した第1モノリス構造体104fが収容されている。第2分割室7sには、浄化触媒の触媒層を担体に担持した第2モノリス構造体104sが収容されている。第3分割室7tには、浄化触媒の触媒層を担体に担持した第3モノリス構造体104tが収容されている。第4分割室4eには、浄化触媒の触媒層を担体に担持した第4モノリス構造体104eが収容されている。第5分割室4hには、浄化触媒の触媒層を担体に担持した第5モノリス構造体104hが収容されている。
(Embodiment 7)
FIG. 8 shows a seventh embodiment. This embodiment has basically the same configuration and the same operation and effect as the first embodiment. Hereinafter, a description will be given centering on portions different from the first embodiment. In the longitudinal direction of the stack 2 (in the direction of the arrow L), the
第1モノリス構造体104fの圧力損失をα1とし、第2モノリス構造体104sの圧力損失をα2とし、第3モノリス構造体104tの圧力損失をα3とし、第4モノリス構造体104eの圧力損失をα4とし、第5モノリス構造体104hの圧力損失をα5とすると、α1≒α5、α2≒α4とされている。α3>(α2,α4)>(α1,α5)の関係とされている。
The pressure loss of the
従って、長手方向(矢印L方向)の中央領域に相当する第3分割室7tにおける圧損は、第1分割室7fにおける圧損、第2分割室7sにおける圧損、第4分割室7eにおける圧損、第5分割室8hにおける圧損に比較して大きく設定されている。また、第1分割室7fにおける圧損、第5分割室4hにおける圧損は、第2分割室7sにおける圧損および第4分割室4eにおける圧損に比較してそれぞれ低く設定されている。このため、高温の排気ガスが第3分割室7tに流れることが制約され、圧損調整前に比較して、第3分解室7tの温度が低下する。結果として、これにより長手方向(矢印L方向)における排気ガス通路7の温度分布の均一化を図り得る。結果として、スタック2の長手方向(矢印L方向)におけるスタック2の温度分布の均一化を図り得る。このため長手方向(矢印L方向)におけるスタック2の発電出力(発電電圧)の均一性を高めることができ、スタック2の発電効率を向上させることができる。
Therefore, the pressure loss in the third divided
(実施形態8)
図9は実施形態8を示す。本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、実施形態1と相違する部分を中心として説明する。スタック2の長手方向(矢印L方向)において、排気ガス通路7を形成する通路形成部材7aには、ガイド溝7mを形成するガイド部7sが複数個形成されている。燃料電池システムの組み付け時において、任意のガイド部7sのガイド溝7mに仕切部材86を挿入する。これにより分割室群79を仕切る隣設する仕切部材86間の間隔寸法Xは、調整可能とされている。従って、燃料電池システムの設置環境の温度(例えば寒冷地)に応じて、間隔寸法Xを調整できる。
(Embodiment 8)
FIG. 9 shows an eighth embodiment. This embodiment has basically the same configuration and the same operation and effect as the first embodiment. Hereinafter, a description will be given centering on portions different from the first embodiment. In the longitudinal direction of the stack 2 (arrow L direction), the
(その他)
本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。上記した記載から次の技術的思想も把握できる。スタック2は、カソードガス通路8の第3通路83を挟むように2組設けられているが、これに限らず、スタックはカソードガス通路8の第3通路83に隣設するように1組設けられている構造でも良い。スタック2は、複数の燃料電池を厚み方向に積層して形成されているが、これに限らず、複数のチューブ型の燃料電池を組み付けてスタックを形成しても良い。この場合であっても、スタックは長手方向に延設されている。上記した実施形態1によれば、燃料原料を改質させる改質部が設けられているが、場合によっては、スタックは高温で発電運転しているため、改質部を廃止し、蒸発部で形成した水蒸気と燃料原料とをスタックのアノードに直接的に供給することにしても良い。燃料としてはメタン系に限らず、プロパン系、ブタン系でも良い。排気ガス通路7は分割室7f,7s,7tに分割されているが、矢印L方向において4個以上に分割されていても良い。
(Other)
The present invention is not limited to the embodiments described above and shown in the drawings, and can be implemented with appropriate modifications within the scope not departing from the gist. The following technical idea can also be grasped from the above description. Two sets of
[付記項1]長手方向に延設されたスタックと、スタックの発電反応を経た排気ガスを流入させる入口と排気ガスを吐出させる出口とを有し且つスタックの長手方向に沿って延設されている排気ガス通路と、排気ガス通路と熱交換可能なカソードガス通路とを具備しており、排気ガス通路は、スタックの長手方向において分割された複数の分割室で形成された分割室群と、排気ガス通路に配置された抵抗部材とを備えており、分割室群のうち、抵抗部材が配置されていない状態において温度が他の分割室の温度よりも相対的に高温となる少なくとも高温側分割室には、排気ガスにおける圧損を他の分割室における圧損よりも高めて、スタック長手方向において排気ガスとカソードガスとの熱交換における均一性を高めるように抵抗部材が配置されている燃料電池装置。この場合、スタックの長手方向において排気ガスとカソードガスとの熱交換における均一性を高めることができる。カソードガスの温度の均一性を図り得る。よって長手方向における発電出力のむらの低減できる。 [Additional Item 1] The stack has a stack extending in the longitudinal direction, an inlet through which the exhaust gas that has undergone a power generation reaction of the stack, and an outlet through which the exhaust gas is discharged. The stack extends along the longitudinal direction of the stack. An exhaust gas passage, and a cathode gas passage that can exchange heat with the exhaust gas passage, and the exhaust gas passage includes a plurality of divided chamber groups formed in the longitudinal direction of the stack, And a resistance member arranged in the exhaust gas passage, and at least a high temperature side division in which the temperature is relatively higher than the temperature of the other division chamber in a state where no resistance member is arranged in the division chamber group A resistance member is arranged in the chamber so that the pressure loss in the exhaust gas is higher than the pressure loss in the other divided chambers, and the uniformity in heat exchange between the exhaust gas and the cathode gas is increased in the stack longitudinal direction. It is to have a fuel cell device. In this case, the uniformity in heat exchange between the exhaust gas and the cathode gas in the longitudinal direction of the stack can be improved. The uniformity of the temperature of the cathode gas can be achieved. Therefore, the unevenness of the power generation output in the longitudinal direction can be reduced.
[付記項2]長手方向に延設されたスタックと、前記スタックの発電反応を経た排気ガスを流入させる入口と前記排気ガスを吐出させる出口とを有し且つ前記スタックの長手方向に沿って延設されている排気ガス通路とを具備しており、前記排気ガス通路は、前記スタックの前記長手方向において分割された複数の分割室で形成された分割室群と、前記排気ガス通路に配置された抵抗部材とを備えている燃料電池装置。 [Additional Item 2] The stack has a stack extending in the longitudinal direction, an inlet through which exhaust gas that has undergone a power generation reaction of the stack, and an outlet through which the exhaust gas is discharged, and extends along the longitudinal direction of the stack. An exhaust gas passage provided, and the exhaust gas passage is disposed in the exhaust gas passage and a divided chamber group formed by a plurality of divided chambers divided in the longitudinal direction of the stack. And a resistance member.
[付記項3]長手方向に延設されたスタックと、前記スタックの発電反応を経た排気ガスを流入させる入口と前記排気ガスを吐出させる出口とを有し且つ前記スタックの長手方向に沿って延設されている排気ガス通路とを具備しており、前記排気ガス通路は、前記排気ガス通路に配置された抵抗部材を備えている燃料電池装置。抵抗部材としては、排気ガスの有害成分を浄化させる浄化触媒を担持する触媒担体とすることができる。 [Additional Item 3] The stack includes a stack extending in the longitudinal direction, an inlet through which exhaust gas that has undergone a power generation reaction of the stack, and an outlet through which the exhaust gas is discharged, and extends along the longitudinal direction of the stack. An exhaust gas passage provided, wherein the exhaust gas passage includes a resistance member disposed in the exhaust gas passage. The resistance member may be a catalyst carrier that supports a purification catalyst that purifies harmful components of exhaust gas.
[付記項4]長手方向に延設されたスタックと、前記スタックの発電反応を経た排気ガスを流入させる入口と前記排気ガスを吐出させる出口とを有し且つ前記スタックの長手方向に沿って延設されている排気ガス通路とを具備する燃料電池装置。 [Additional Item 4] The stack has a stack extending in the longitudinal direction, an inlet through which exhaust gas that has undergone a power generation reaction of the stack, and an outlet through which the exhaust gas is discharged, and extends along the longitudinal direction of the stack. A fuel cell device comprising an exhaust gas passage provided.
本発明は例えば定置用、車両用、電気機器用、電子機器用などの燃料電池システムに利用することができる。 The present invention can be used in, for example, fuel cell systems for stationary use, vehicle use, electrical equipment use, and electronic equipment use.
1は燃料電池装置、2はスタック、20は燃料電池、21はアノード、22はカソード、3は基体、4は改質器、40は蒸発部、42は改質部、5は燃焼用空間、50は燃焼火炎、7は排気ガス通路、7mはガイド溝、7sはガイド部、8はカソードガス通路、86は仕切部材、7fは第1分割室、7sは第2分割室、7tは第3分割室、89は分割室群、100は触媒担体(抵抗部材)、102は第2抵抗部材、104はモノリス構造体を示す。
1 is a fuel cell device, 2 is a stack, 20 is a fuel cell, 21 is an anode, 22 is a cathode, 3 is a substrate, 4 is a reformer, 40 is an evaporation unit, 42 is a reforming unit, 5 is a combustion space, 50 is a combustion flame, 7 is an exhaust gas passage, 7m is a guide groove, 7s is a guide portion, 8 is a cathode gas passage, 86 is a partition member, 7f is a first division chamber, 7s is a second division chamber, and 7t is a third portion.
Claims (5)
前記排気ガス通路は、前記スタックの前記長手方向において分割された複数の分割室で形成された分割室群と、前記排気ガス通路に配置された抵抗部材とを備えており、
前記分割室群のうち、前記抵抗部材が配置されていない状態において温度が他の分割室の温度よりも相対的に高温となる少なくとも高温側分割室には、前記排気ガスにおける圧損を前記他の分割室における圧損よりも高める抵抗部材が配置されている燃料電池装置。 A stack having a plurality of fuel cells arranged in parallel and extending in the longitudinal direction, an inlet through which exhaust gas that has undergone a power generation reaction of the stack, and an outlet through which the exhaust gas is discharged are provided, and the longitudinal direction of the stack And an exhaust gas passage extending along
The exhaust gas passage includes a division chamber group formed by a plurality of division chambers divided in the longitudinal direction of the stack, and a resistance member disposed in the exhaust gas passage,
Among the divided chamber groups, in the state where the resistance member is not arranged, at least the high temperature side divided chamber where the temperature is relatively higher than the temperature of the other divided chamber, fuel cell system enhances Ru than the pressure loss in the divided chamber resistance member is disposed.
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