JP6219722B2 - Fuel cell power generator and fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池発電装置、燃料電池発電装置を含む燃料電池システム、および支持構造に関する。 The present invention relates to a fuel cell power generation device that generates power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, a fuel cell system including the fuel cell power generation device, and a support structure.
近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、環境負荷が小さい燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、600℃以上の高温で作動する固体酸化物形燃料電池が知られている。固体酸化物形燃料電池の燃料電池セルは、たとえば、特許文献1に記載されているように、円筒型、楕円型、角型など様々な断面構造を持つ。燃料電池セルの層構造としては、内部にアノード極、外部にカソード極を備える構造や、逆に内部にカソード極、外部にアノード極を備える構造などが一般的に知られている。
In recent years, fuel cells with high energy conversion efficiency and low environmental impact have attracted attention. As one of such fuel cells, a solid oxide fuel cell that operates at a high temperature of 600 ° C. or higher is known. The fuel cell of the solid oxide fuel cell has various cross-sectional structures such as a cylindrical shape, an elliptical shape, and a rectangular shape as described in
固体酸化物形燃料電池として、たとえば、特許文献2に開示された構造が知られている。これらの構造では、複数の燃料電池セルが集電部材を間に介して配列されたセルスタックと、改質反応を行うための改質器とが、内部で発電を行うための箱体内に配置されている。一般的にこれらの構造では、原燃料あるいは改質水を改質器に供給するための配管が、箱体に設けられた貫通孔に挿通されている。また、この構造では、改質器を加熱するために、セルスタックを動作温度まで昇温させるためのバーナの燃焼熱やセルスタックのオフガスの燃焼熱が利用されている。この構造では、燃焼排ガスや未使用のオフガスが箱体内に充満している。そのため、箱体に設けられた貫通孔部分における箱体と配管との隙間から、燃焼排ガスやオフガスが漏出することを抑制する必要がある。 For example, a structure disclosed in Patent Document 2 is known as a solid oxide fuel cell. In these structures, a cell stack in which a plurality of fuel cells are arranged with a current collecting member interposed therebetween, and a reformer for performing a reforming reaction are arranged in a box for generating power internally. Has been. Generally, in these structures, a pipe for supplying raw fuel or reformed water to the reformer is inserted through a through hole provided in the box. Further, in this structure, in order to heat the reformer, the combustion heat of the burner for raising the temperature of the cell stack to the operating temperature and the combustion heat of the off gas of the cell stack are used. In this structure, the exhaust gas and unused off gas are filled in the box. Therefore, it is necessary to suppress the combustion exhaust gas and off-gas from leaking out from the gap between the box and the pipe in the through hole provided in the box.
これに対し、たとえば、特許文献3には、外側貫通孔を外側より覆う蓋板を備え、蓋板が挿入管を挿入するための装着孔を有し、蓋板と挿入管とを溶接により固定する技術が記載されている。 On the other hand, for example, Patent Document 3 includes a cover plate that covers the outer through hole from the outside, the cover plate has a mounting hole for inserting the insertion tube, and the cover plate and the insertion tube are fixed by welding. The technology to do is described.
しかし、上述した従来の構造では、改質器の熱膨張により、改質器に接続された配管と箱体との接続部に応力が発生し、この応力によって接続部が破損して、箱体内の燃焼排ガスやオフガスが漏出してしまうおそれがあった。この場合、漏出した燃焼排ガスやオフガスが持つ熱エネルギーを改質器などの加熱に利用できなくなるため、燃料電池全体のエネルギー効率が低下してしまう。 However, in the conventional structure described above, due to the thermal expansion of the reformer, a stress is generated in the connection portion between the pipe connected to the reformer and the box body, and the connection portion is broken by this stress, and the inside of the box body is damaged. There was a possibility that the combustion exhaust gas and off gas would leak out. In this case, since the heat energy of the leaked combustion exhaust gas or off gas cannot be used for heating the reformer or the like, the energy efficiency of the entire fuel cell is lowered.
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、改質器とセルスタックとが箱体の内部に配置された燃料電池発電装置およびこの燃料電池発電装置を含む燃料電池システムにおいて、箱体から燃焼排ガスやオフガスが漏出することを抑制する技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and in a fuel cell power generator in which a reformer and a cell stack are arranged inside a box, and a fuel cell system including the fuel cell power generator, It aims at providing the technique which suppresses that a combustion exhaust gas and off-gas leak.
上記課題を解決するために、本発明のある態様の燃料電池発電装置は、複数の燃料電池セルを配列したセルスタックと、セルスタックの上方に配置され、セルスタックに供給する燃料ガスを生成するためであって、燃料電池セルの配列方向に沿って延びる改質器と、セルスタックを固定するとともに、改質器と接続され、生成された燃料ガスをセルスタックに供給するためのマニホールドと、マニホールドと改質器とを接続する改質ガス供給管と、セルスタック、マニホールド、改質ガス供給管および改質器を収容するとともに、改質器の長手方向の延長線上に位置する第1の側面に設けられた箱体貫通孔を少なくとも1つ有する箱体と、箱体貫通孔を通じて箱体を貫通することにより、改質器を箱体内で支持する略柱状の支持部材と、少なくとも一部分が、箱体貫通孔において箱体の外側面に固定され、箱体貫通孔を貫通した支持部材を摺動可能に挿通させる挿通用貫通孔を有するガイド部と、を備える。燃料電池セルの上部と改質器との間が、燃料電池セルの発電で使用されなかった未反応な改質ガスを燃焼させるオフガス燃焼部とされており、ガイド部は、支持部材を挿通させる第1のガイド貫通孔が形成されたフランジ部を有する第1のハウジングと、支持部材を挿通させる第2のガイド貫通孔が形成されたフランジ部を有し、前記第1のハウジングの内壁に嵌合する嵌合部を備える第2のハウジングと、第1のハウジングのフランジ部と第2のハウジングのフランジ部とが密着して締結され、第1のガイド貫通孔および第2のガイド貫通孔に支持部材が挿通された状態で第1のハウジングと第2のハウジングとの間に形成された空間に挿入または圧入され、耐熱性を有する密閉用部材と、を備え、前記第1のハウジングと前記第2のハウジングとの間に隙間を有していないこと
を特徴とする。
In order to solve the above-described problems, a fuel cell power generation device according to an aspect of the present invention generates a fuel cell that is arranged above a cell stack and that is supplied to the cell stack. Therefore, a reformer extending along the arrangement direction of the fuel cells, a manifold for fixing the cell stack, connected to the reformer, and supplying the generated fuel gas to the cell stack, A reformed gas supply pipe that connects the manifold and the reformer, and a first cell that accommodates the cell stack, the manifold, the reformed gas supply pipe, and the reformer, and is located on the longitudinal extension of the reformer A box having at least one box through hole provided on the side surface, a substantially columnar support member for supporting the reformer in the box by penetrating the box through the box through hole, Portion both is secured to the outer surface of the box in the box through holes comprises a guide portion having an insertion through-hole for slidably inserting the support member through the box body through hole, the. Between the upper part of the fuel battery cell and the reformer is an off-gas combustion part that burns unreacted reformed gas that was not used in power generation of the fuel battery cell, and the guide part allows the support member to be inserted A first housing having a flange portion formed with a first guide through-hole, and a flange portion formed with a second guide through-hole through which the support member is inserted, and fitted to the inner wall of the first housing; a second housing comprising a mating portion for coupling a flange portion of the first housing and the flange portion of the second housing is engaged in close contact, the first guide holes and the second guide holes the support member is inserted or press-fitted into a space formed between the first housing and the second housing in the insertion state, includes a sealing member having heat resistance, and a first housing Said second how Characterized in that does not have a gap between the ring.
この態様によると、改質器が熱膨張したときに、支持部材は支持部材とガイド部との間の気密性を確保しつつ、ガイド部に対して摺動する。これにより、支持部材とガイド部との間に生じる応力を低減することができ、支持部材とガイド部との間に損傷が生じることが抑制される。その結果、支持部材とガイド部との間の気密性が十分に確保されるため、支持部材とガイド部との間から燃焼排ガス等が漏出することが抑制される。同様に、改質器の温度の低下に伴い改質器が収縮した場合にも、気密性を確保しつつ支持部材がガイド部に対して反対方向に摺動する。これにより、箱体の外部へのオフガスや燃焼排ガスの漏出を低減させることにより、エネルギー利用率を向上させることができる。また、支持部材およびガイド部が簡易な構造であるため、省スペースかつ低コストで効率的に摺動性と気密性とを両立させることができる。 According to this aspect, when the reformer is thermally expanded, the support member slides with respect to the guide portion while ensuring airtightness between the support member and the guide portion. Thereby, the stress which arises between a supporting member and a guide part can be reduced, and it is suppressed that damage arises between a supporting member and a guide part. As a result, the airtightness between the support member and the guide portion is sufficiently ensured, so that combustion exhaust gas and the like are prevented from leaking from between the support member and the guide portion. Similarly, when the reformer contracts as the temperature of the reformer decreases, the support member slides in the opposite direction with respect to the guide portion while ensuring airtightness. Thereby, an energy utilization factor can be improved by reducing the leakage of off-gas and combustion exhaust gas to the outside of the box. In addition, since the support member and the guide portion have a simple structure, both slidability and airtightness can be achieved efficiently with a small space and at a low cost.
本発明によれば、箱体からの燃焼排ガスやオフガスの漏出を抑制することができる。 According to the present invention, leakage of combustion exhaust gas and off gas from the box can be suppressed.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.
(実施の形態)
図1(A)は、実施の形態に係る燃料電池システム1を模式的に示す概略図である。図1(B)は、改質器30に水気化部39を有する燃料電池システム1を模式的に示す概略図である。(Embodiment)
FIG. 1A is a schematic diagram schematically showing a
燃料電池システム1は、燃料電池発電装置10と、貯湯槽ユニット11とを含む。本実施の形態では、燃料電池発電装置10は、燃料電池システム1のうち貯湯槽ユニット11以外の構造を指すが、貯湯槽ユニット11の少なくとも一部をさらに含んでもよいし、貯湯槽ユニット11以外の構造をさらに含んでもよい。
The
本実施の形態では、燃料電池発電装置10は、原燃料である炭化水素燃料などの水素含有燃料を水蒸気改質して得られる燃料ガス(改質ガス)と酸化剤である空気との供給を受けて発電する固体酸化物形燃料電池である。燃料電池発電装置10は、アノード63と、電解質62と、カソード64を有するセルスタック60と、オフガス燃焼部14と、改質器30と、水気化部39とを含む。図1(A)に示す改質器30は、改質部40を含む。セルスタック60として、少なくとも1つ以上の公知の固体酸化物形燃料電池スタックを用いることができる。アノード63には、原燃料を改質部40により改質して生成された水素リッチな改質ガスが供給される。ここでは、水気化部39により改質水を気化した水蒸気を用いて、改質器30で水蒸気改質を行う形態を例示する。カソード64には、空気などの酸化剤が供給される。オフガス燃焼部14は、セルスタック60の反応に使用されなかったオフガスを燃焼する。オフガスの燃焼により発生した熱は、改質部40による改質反応に用いられる(矢印B)。また、この熱は、水気化部39による水気化(矢印B)やセルスタック60の温度を発電開始温度にまで加熱するために用いられてもよい(矢印A)。なお、燃料電池システム1の起動時は、ヒータを別途設けたり自己熱改質反応を利用したりするなどの公知の手法を用いて、改質器30を加熱してもよい。また、図1(B)に示すように、改質器30は改質部40に加えて水気化部39をさらに有してもよい。あるいは、改質部40において水蒸気改質にかえて部分酸化改質を行う形態においては、水気化部39は省略することができる。
In the present embodiment, the fuel cell
また、改質ガスの原燃料として、LPGや都市ガス、灯油等の硫黄を含有する燃料を用いる場合には、改質部40の上流にさらに脱硫部38を設けることが好ましい。脱硫部38に充填する脱硫剤として、常温より高い温度で脱硫処理を行う脱硫剤を用いる場合は、オフガスの燃焼により発生した熱を用いて脱硫部38を加熱してもよい(矢印B)。 In addition, when a fuel containing sulfur such as LPG, city gas, or kerosene is used as the raw fuel for the reformed gas, it is preferable to further provide a desulfurization section 38 upstream of the reforming section 40. When a desulfurization agent that performs desulfurization at a temperature higher than normal temperature is used as the desulfurization agent that fills the desulfurization unit 38, the desulfurization unit 38 may be heated using heat generated by off-gas combustion (arrow B).
貯湯槽ユニット11は、貯湯槽13を含む。貯湯槽13には、熱媒体として用いる水が給水されて貯留される。燃料電池発電装置10内に配置されたポンプ12は、燃料電池発電装置10内に配置された熱交換器15と貯湯槽ユニット11内の貯湯槽13との間で水を循環させる。オフガスの燃焼により発生した高温の排ガスや、セルスタック60の発熱により温められた排ガスの熱は、熱交換器15と熱媒体との間で熱交換され(矢印C)、貯湯槽13に温水として蓄熱され、必要に応じて給湯される。
The hot
次に、本実施の形態の燃料電池発電装置10の構造を、図1〜図5を用いてさらに詳細に説明する。図2は、実施の形態に係る燃料電池発電装置10の構造を示す斜視図である。図3は、実施の形態に係る燃料電池発電装置10の概略を示す三面図である。図3(A)は、図2の燃料電池発電装置10を矢印Xの正方向に向けて見た側面図である。図3(B)は、図2の燃料電池発電装置10を矢印Yの正方向に向けて見た側面図である。図3(C)は、図2の燃料電池発電装置10を矢印Zの負方向に向けて見た平面図である。図4は、実施の形態に係る燃料電池発電装置10にガイド部71,72,73,74,75,76および支持部材41,42,43,44,45,46が取り付けられた状態を示す側面図である。図4(A)は、図2の燃料電池発電装置10において第2側面17を矢印yの負方向に向けて見た側面図である。図4(B)は、図2の燃料電池発電装置10において第1側面16を矢印yの正方向に向けて見た側面図である。
Next, the structure of the fuel cell
燃料電池発電装置10は、内部で発電を行うための箱体20を有する。箱体20の内部には、Z軸の負方向に向けて順に、改質器30、セルスタック60およびマニホールド52が配置されている。本実施の形態では、図1(A)に示した改質器30が使用されている。なお、図2では説明のために箱体20が透明視されている。また、図2および図3では図1(A)に示した水気化部39および脱硫部38が、図2および図4では図3に示した空気導入口27および排ガス導出口28が、図2では図4に示した箱体貫通孔21,22,23,24,25,26およびガイド部71,72,73,74,75,76が、それぞれ省略されている。
The fuel
燃料電池発電装置10は、少なくとも1つ以上のセルスタック60を有する。セルスタック60として、たとえば特開2009−021195号公報に開示された燃料電池を使用することができる。セルスタック60は、複数の燃料電池セルが規則的に配列された構造を有する。各燃料電池セルは、図1に示したように、アノード63、電解質62およびカソード64を有する。アノード63には改質ガスが供給され、カソード64には酸化剤が供給される。隣接する燃料電池セルの間には、図示しない集電部材が配置されている。隣接する燃料電池セルが集電部材を介して接するように連続的に配置されている。これにより、隣接する燃料電池セル同士が電気的に直列に接続されている。燃料電池セルには、集電部材から伸延し、後述する支持部材45および46の内部を貫通する正極電流配線55および負極電流配線56が設けられている。正極電流配線55および負極電流配線56は、集約された電流が流れる配線である。燃料電池セルで発電された電流は、正極電流配線55および負極電流配線56を介して取り出される。
The fuel
図2および図3に示す改質器30は、外部から供給された原燃料を改質し、セルスタック60に供給される改質ガスを生成する。改質器30は、セルスタック60の上方(Z軸の正方向)において、セルスタック60と所定の間隔を空けて水平に配置されている。この間隔が図1のオフガス燃焼部14に相当する。本実施の形態の改質器30は、水蒸気改質器である。水蒸気改質用の触媒としては、たとえばルテニウム系触媒やニッケル系触媒などが挙げられる。
The
改質器30は、改質ガス供給管51を介してマニホールド52と接続されている。改質器30で生成された改質ガスは、改質ガス供給管51およびマニホールド52を介して、セルスタック60に含まれる各燃料電池セルに供給される。
The
改質器第1側面36には、支持部材41および42が固定されている。支持部材41および42は、改質器30を箱体20の内部で支持する機能を有する。本実施の形態では、支持部材41および42は所望の強度を有する金属製の筒状部材である。支持部材41は原燃料を、支持部材42は改質水をそれぞれ改質器30に導入するための配管(原燃料導入部31および改質水導入部32)を兼ねることができる。本実施の形態では、図1(A)に示したように、改質水は水気化部39において気化された後、支持部材41を流通して改質部40に導入される。一方、図1(B)に示したように、改質部40と水気化部39が一体となった構造の場合は、改質水を液体のまま原燃料導入部31である支持部材41に流通させてもよい。
本実施例の燃料電池発電装置10では、原燃料としてLPGガス(液化石油ガス)が用いられる。その他の原燃料として、メタン、プロパン、ブタン、灯油、ナフサ等の炭化水素燃料や、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル等の含水素燃料を用いることもできる。
In the fuel
また、改質器第1側面36と対向する改質器第2側面37には、支持部材43および44の一部が固定されている。支持部材43および44は、改質器30を箱体20の内部で支持する機能を有する。また、本実施の形態では、支持部材43および44は所望の強度を有する金属製の筒状部材であり、支持部材43および44の先端には、改質器30の内部の温度をモニタするための1対の熱電対33,34が設けられ、支持部材43および44の内部には熱電対用の配線が敷設されている。
A part of the
本実施の形態では、支持部材41,42,43,44が改質器30を支持する機能に加え、それ以外の機能も有する例を示したが、これらが改質器30を支持する機能のみを有してもよい。その場合には、たとえば中空でない棒状の部材である支持部材41および42とは別に、原燃料導入部31および/または改質水導入部32を設けてもよい。また、支持部材43および44が熱電対33,34を備えない改質器30においては、中空でない棒状の部材である支持部材43および44を用いてもよい。
In the present embodiment, the example in which the
なお、本実施形態では箱型の改質器30を例示したが、改質器30は特開2008−007371号公報に示すような円筒型改質器または円筒二重管型改質器であってもよい。この場合、一方の面を改質器第1側面36、他方の面を改質器第2側面37とする。
In the present embodiment, the box-
箱体20は、箱体第1側面16と、箱体第1側面16に対向する箱体第2側面17とを有する。図3(C)に示すように、箱体第1側面16は改質器第1側面36と面し、箱体第2側面17は改質器第2側面37と面する。箱体第1側面16および箱体第2側面17には、それぞれ少なくとも1つの箱体貫通孔が設けられている。本実施の形態では、箱体第1側面16には、改質器30を支持する支持部材41および42を挿通するための貫通孔である箱体貫通孔21および22が設けられている。また、箱体第2側面17には、改質器30を支持する支持部材43および44を挿通するための貫通孔である箱体貫通孔23および24が設けられている。支持部材41は、箱体貫通孔21に固定されたガイド部71に挿通されている。同様に、支持部材42は、箱体貫通孔22に固定されたガイド部72に、支持部材43は、箱体貫通孔23に固定されたガイド部73に、支持部材44は、箱体貫通孔24に固定されたガイド部74に、それぞれ挿通されている。これにより、支持部材41,42,43および44は、昇温する改質器30を箱体20の内部で支持する。ガイド部71,72,73および74の構造については、ガイド部71を例にして図5および6を用いて後述する。
The
また、図3(C)に示すように、箱体第2側面17には、支持部材45および46を挿入するための箱体貫通孔25および26が、それぞれ設けられている。支持部材45および46は、それぞれ箱体貫通孔25および26に固定されたガイド部75および76に対して、摺動可能に挿通されている。支持部材45および46は絶縁部材からなり、例えば、表面に釉薬処理を施したセラミック碍子体である。支持部材45の内部には正極電流配線55、支持部材46の内部には負極電流配線56が敷設されている。本実施の形態では、正極電流配線55および負極電流配線56は、支持部材45および46の内部に敷設されている。箱体20内からオフガスおよび燃焼排ガスなどが漏出することを防ぐために、支持部材45および46の内部の少なくとも一部は耐熱性および気密性を有する図示しない封止部材により封止されている。その上で、正極電流配線55および負極電流配線56が封止部材を貫通することにより、支持部材45および46の内部の気密性が保たれている。
Further, as shown in FIG. 3C, box through
本実施の形態では、箱体第2側面17に設けられた箱体貫通孔25および26から正極電流配線55、負極電流配線56が突出している。正極電流配線55および負極電流配線56は、箱体貫通孔25および26を第1側面16に設けることにより第1側面16から突出させてもよい。また、箱体貫通孔25および26のうちのいずれか一方を箱体第1側面16に設けることにより、正極電流配線55または負極電流配線56のいずれか一方を箱体第1側面16から突出させてもよい。なお、支持部材45および46は、発電部50の少なくとも一部を支持する機能を有してもよい。本実施の形態では、発電部50とは、改質ガス供給管51、マニホールド52およびセルスタック60のアセンブリをいう。
In the present embodiment, the positive electrode
次に、燃料電池発電装置10の箱体20における燃料ガスとオフガスの流路について、図1、図2、図3(A)および(B)を用いて説明する。なお、図3(A)および(B)の実線の矢印Dは原燃料および改質ガスの流れを示し、図3(A)および(B)の点線の矢印Eはオフガスおよび燃焼排ガスの流れを示す。本実施形態においては、原燃料としてLPGを用いる場合を例に説明する。
Next, the flow paths of the fuel gas and the off gas in the
原燃料供給用の配管である支持部材41(原燃料導入部31)から供給されたLPGガスは、後述するオフガスの燃焼により、改質部40において加熱される。その結果、LPGガスが改質反応に適した温度にまで昇温される。同様に、改質水供給用の配管である支持部材42(改質水導入部32)から供給された改質水は、図1に示した水気化部39において加熱され、水蒸気となる。水蒸気が水気化部39から改質部40に供給され、LPGガスと水蒸気とが混合した燃料ガスとなる。燃料ガスは、改質器30の内部を下流側へと流れ、改質ガス供給管51、マニホールド52を経て、各燃料電池セルのアノード63に供給される(図3(A)および(B)の矢印D)。また、箱体20の底部に設けられた空気導入口27から各燃料電池セルのカソード64に空気が供給される。これにより、燃料電池セルにおいて発電反応が起きる。
The LPG gas supplied from the support member 41 (raw fuel introduction section 31), which is a pipe for supplying raw fuel, is heated in the reforming section 40 by off-gas combustion described later. As a result, the LPG gas is heated to a temperature suitable for the reforming reaction. Similarly, the reformed water supplied from the support member 42 (reformed water introduction unit 32), which is a reforming water supply pipe, is heated in the water vaporization unit 39 shown in FIG. 1 to become steam. Water vapor is supplied from the water vaporization unit 39 to the reforming unit 40 and becomes a fuel gas in which LPG gas and water vapor are mixed. The fuel gas flows downstream in the
燃料電池セルの発電で使用されなかった未反応な改質ガス(以下、アノードオフガスという)は、燃料電池セルの上部から改質器30に向けて放出される。このアノードオフガスと、空気導入口27から導入された空気のうち反応に供されなかった空気(カソードオフガス)を、セルスタック60と改質器30との間のオフガス燃焼部14にて燃焼させることにより、改質器30を定常時で約600〜約750℃にまで加熱する。改質器30が加熱されることにより、改質反応が促進されるため、改質ガスの生成効率が向上する。燃焼排ガスは、箱体20の天井部に設けられた排ガス導出口28から排出される(図3(A)および(B)の矢印E)。
Unreacted reformed gas (hereinafter referred to as anode off-gas) that has not been used for power generation of the fuel battery cell is discharged toward the
なお、本実施の形態では、説明を容易にするために、空気導入口27を箱体20の底部、排ガス導出口28を箱体20の天井部にそれぞれ設けたが、空気導入口27および排ガス導出口28の位置は、これらに限定されない。また、カソード64への酸化剤の供給やセルスタック60からの燃焼排ガスの導出をより効率化するために、箱体20の内部にガス流路を形成してもよい。
In the present embodiment, for ease of explanation, the
次に、ガイド部と支持部材の構造を、図5および図6を用いて説明する。ガイド部は、箱体貫通孔から突出する支持部材を摺動可能に挿通させる部材であり、箱体貫通孔と連通して箱体外側面に固定される。ここでは図3(C)および図4(B)に示したガイド部71および支持部材41を用いて説明するが、支持部材42,43,44,45,46のガイド部72,73,74,75,76への取り付けについても同様である。
Next, the structure of a guide part and a supporting member is demonstrated using FIG. 5 and FIG. A guide part is a member which inserts the support member which protrudes from a box body through-hole so that sliding is possible, is connected to a box body through-hole, and is fixed to a box outer surface. Here, the
図5は、ガイド部71と支持部材41の各部材を模式的に示す斜視図である。図6(A)は、ガイド部71と支持部材41の組み付け前の状態を示す断面図である。図6(B)は、ガイド部71と支持部材41との箱体20への組み付け後の状態を示す断面図である。
FIG. 5 is a perspective view schematically showing each member of the
まず、図5および図6(A)に基づいて、ガイド部71に含まれる各部材を説明する。ガイド部71は、ハウジングケースである第1のハウジング80と、密閉用部材100と、スペーサ110と、ハウジング蓋である第2のハウジング90と、ボルト120とを含む。第1のハウジング80は、開口部85の淵にフランジ部86が設けられた有底の容器である。第1のハウジング80は、底部の中央に支持部材41が挿通される第1のガイド貫通孔81を備える。開口部85は第1のガイド貫通孔81より断面積が大きい。開口部85の淵に形成されたフランジ部86には、複数の締結孔82が設けられている。なお、本実施形態では断面が円筒形状の第1のハウジング80を例示するが、第1のハウジング80の内部87の断面はこれには限られず、たとえば角型であってもよい。
First, each member included in the
第2のハウジング90は、第1のハウジング80の内側に挿通される嵌合部93と、フランジ部96を備える。第2のハウジング90の嵌合部93の長さl3は、第1のハウジング80の深さl1より短い。第2のハウジング90は、第1のハウジング80に嵌合部93を挿通した状態において支持部材41が挿通される、第2のガイド貫通孔91を備える。本実施形態では嵌合部93が円筒形状である第2のハウジング90を例示するが、第2のハウジング90の嵌合部93の断面は、第1のハウジング80の内部87の断面と同形状であればよい。たとえば、第1のハウジング80の内部87の断面形状が六角形であれば、嵌合部93の断面形状も六角形とする。The
第2のハウジング90のフランジ部96は、嵌合部93が第1のハウジング80の内部87に挿通された状態で、第1のハウジング80の締結孔82と互いに締結可能な位置に締結孔92を備える。第1のハウジング80と第2のハウジング90は、締結孔82,92においてボルト120により締結される。第1のハウジング80と第2のハウジング90は、耐熱性と所望の強度を有する金属製であることが好ましい。
The
スペーサ110は、第1のハウジング80の内部87に挿入される部材である。スペーサ110には、支持部材41を貫通可能な貫通孔111が形成されている。スペーサ110は厚み方向にはほとんど収縮しないため、スペーサ110の厚みl4(中心軸方向の長さ)に応じて、後述する空間112の軸方向の長さl5を調整することができる。本実施形態では断面が円形平板状のスペーサ110を例示するが、スペーサ110の断面は、第1のハウジング80の内部87の断面と同形状であればよい。たとえば、第1のハウジング80の内部87の断面形状が六角形であればスペーサ110も六角形の平板状とする。The
密閉用部材100は、支持部材41、第1のハウジング80および第2のハウジング90によって形成される空間112に挿入または圧入されることにより、空間112を充填し密閉するための部材であり、耐熱性および可撓性を有する。密閉用部材100には、少なくともガイド部71の組み付け後に、貫通孔101が形成される。密閉用部材100は、空間112を密閉できればよいため、空間112に挿入または圧入される前の形状は特に限定されない。
The sealing
密閉用部材100は、たとえば第1のハウジング80の内部87に嵌合可能な外径を有し、支持部材41が摺動可能に挿通可能な貫通孔101が外径と同心円状に形成された円筒体である。密閉用部材100の変形性を考慮して、円筒体である密閉用部材100の軸方向の長さl2は、ガイド部71が組み付けられた状態で、後述する長さl5を維持できる長さであればよい。The sealing
また、充填前の密閉用部材100がシート状の場合、支持部材41が摺動可能に挿通する貫通孔101を形成するようにシート状の密閉用部材100を巻くことにより、略円筒形を形成することができ、容易に空間112の内部を充填し密閉することができる。また、充填前の密閉用部材100が紐状の場合、支持部材41が摺動可能に挿通する貫通孔101を形成するように紐状の密閉用部材100をコイル状に巻くことにより、略円筒形状を形成することができ、容易に空間112の内部を充填し密閉することができる。なお、シート状または紐状の密閉用部材100を支持部材41に直接巻き付けてから第1のハウジング80の内部に挿入または圧入することによっても、容易に空間112の内部を充填し密閉することができる。
In addition, when the sealing
このような密閉用部材100の材料としては、耐熱性、可撓性、自己潤滑性、耐久性、気密性およびコストの観点から、膨張黒鉛を含有する膨張黒鉛含有部材が好ましい。膨張黒鉛含有部材としては、金属性のワイヤーを膨張黒鉛材料で挟持したグラシールパッキンTOMBOシリーズ(ニチアス株式会社)を好適に使用することができる。膨張黒鉛含有部材は、可撓性を有し、かつ黒鉛固有の自己潤滑性も備える。そのため、膨張黒鉛含有部材の圧入により、空間112を容易に密閉することができ、気密性を保持しつつ支持部材41の摺動を許容することができる。また、膨張黒鉛含有部材の他、セラミックファイバーブランケットを用いることもできる。これら密閉性部材の種類に応じて、長さl1〜l4および後述する長さl5を決定することが望ましい。As a material of such a sealing
図6(B)のように、密閉用部材100、スペーサ110および第2のハウジング140の嵌合部93が、支持部材41が貫通可能となるよう第1のハウジング80の内部87に挿入される。そして、第1のハウジング80のフランジ部86と第2のハウジング90のフランジ部96とが締結手段であるボルト120により固定されことにより、挿通用貫通孔122が形成される。挿通用貫通孔122は、ガイド部71を組み立てた状態におけるガイド部71の貫通孔をいう。箱体20から突出する支持部材41がこの挿通用貫通孔122に挿入される。この場合、第1のハウジング80とスペーサ110とにより空間112が形成されている。空間112の中心軸L方向の長さは、l5(=l1−l3−l4)である。As shown in FIG. 6B, the sealing
密閉用部材100は、密閉用部材100に設けられた貫通孔101の軸心が空間112の中心軸Lと略同軸となるように、空間112の内部に充填されている。組み付け前の密閉用部材100の軸方向の長さl2は、空間112の中心軸L方向の長さl5よりも長い。そのため、ボルト120の締め付けによって第2のハウジング90が第1のハウジング80に固定された場合、密閉用部材100は矢印Pの方向に圧入され収縮する。支持部材41を挿通させていない状態では、密閉用部材100の変形によって、貫通孔101が真っ直ぐな孔とならない可能性がある。そのため、少なくとも支持部材41を貫通孔101に挿通可能な程度に、貫通孔101の軸心が中心軸Lと略平行であればよい。The sealing
なお、本実施の形態ではガイド部71にスペーサ110が使用される例を示したが、スペーサ110は使用されなくてもよい。この場合でも、組み付け前の密閉用部材100の軸方向の長さl2は、第1のハウジング80と第2のハウジング90との間に形成される空間112の中心軸L方向の長さl5(=l1−l3)よりも長くする。In the present embodiment, an example in which the
本実施の形態では、改質器30の熱膨張により支持部材と密閉用部材の間に発生する応力の合計は、箱体第1側面16および箱体第2側面17のいずれにおいても、たとえば約3.4kNである。これに対し、高温下における支持部材41の耐力はたとえば約3.8kN以上である。そのため、支持部材41は、高温下においても改質器30から受ける応力および密閉用部材100から受ける応力(図6(B)の矢印Q)に耐えることができる。
In the present embodiment, the total stress generated between the support member and the sealing member due to the thermal expansion of the
また、密閉用部材100の支持部材に対する往復動抵抗(2つの部材を往復して摺動させる際に必要となる力)の合計は、たとえば箱体第1側面16では約766N、箱体第2側面17では約383Nである。この値は、いずれも改質器30の熱膨張により支持部材にかかる荷重の合計よりも小さく、かつ引っ張り強度で支持部材が破断する荷重よりも小さい。したがって、密閉用部材100として上述の材料を使用することにより、支持部材41は密閉用部材100に対して破断することなく摺動することができる。
Further, the total of the reciprocating resistance (the force required when the two members are slid back and forth) with respect to the support member of the sealing
なお、本実施の形態では、ガイド部71のハウジングとして容器状の第1のハウジング80と蓋状の第2のハウジング90とを用いたが、組み付けられた状態で空間112を形成できるのであれば、第1のハウジング80と第2のハウジング90はこれらの形状には限られない。たとえば、容器状のハウジングを2つ組み合わせることにより、空間112を形成してもよい。また、ハウジングの部品は2つには限られない。
In the present embodiment, the container-shaped
また、本実施の形態では、支持部材41,42,43,44とガイド部71,72,73,74との間の気密性を確保した状態で密閉用部材100が弾性変形する。そのため、各挿通孔(第1のガイド貫通孔81、第2のガイド貫通孔91、貫通孔101、貫通孔111、およびこれらから形成された挿通用貫通孔122)と支持部材41とは必ずしも同軸である必要はない。また、各挿通孔は、挿入または圧入された密閉用部材100が支持部材の摺動によって外に溢れない程度にクリアランスを許容できる。ただし、支持部材41,42,43,44とガイド部71,72,73,74に含まれる各部材との軸心のずれやクリアランスは、各部材の加工精度や組み立て精度を向上させることにより、できるだけ小さくすることが好ましい。
Further, in the present embodiment, the sealing
以上、本実施の形態によると、セルスタック60の発電中に改質器30が熱膨張したときに、支持部材41,42,43,44とガイド部71,72,73,74との間の気密性を確保しつつ、支持部材41,42,43,44がガイド部71,72,73,74に対して摺動する。これにより、支持部材41,42,43,44とガイド部71,72,73,74との間に生じる応力を低減することができ、支持部材41,42,43,44とガイド部71,72,73,74との間に損傷が生じることが抑制される。その結果、支持部材41,42,43,44とガイド部71,72,73,74との間の気密性が十分に確保されるため、支持部材41,42,43,44とガイド部71,72,73,74との間から箱体20内のオフガスや燃焼排ガスなどが漏出することが抑制される。同様に、改質器30の温度の低下に伴い改質器30が収縮した場合にも、気密性を確保しつつ支持部材41,42,43,44がガイド部71,72,73,74に対して反対方向に摺動する。これにより、箱体20内のオフガスおよび燃焼排ガスなどの漏出を低減させることにより、エネルギー利用率を向上させることができる。また、支持部材41,42,43,44およびガイド部71,72,73,74が簡易な構造であるため、省スペースかつ低コストで効率的に摺動性と気密性とを両立させることができる。
As described above, according to the present embodiment, when the
同様に、内部に正極電流配線55および負極電流配線56を敷設する支持部材45および46にガイド部75および76を取り付けてもよい。これにより、支持部材45および46がガイド部75および76に対して摺動し、かつこれらの間の気密性が十分に確保される。そのため、改質器30と同様に、正極電流配線55および負極電流配線56自体や、それらが設けられている発電部50が高温になって膨張したとしても、箱体20の底面に固定されている発電部50と、箱体第2側面17に固定されている電流配線との間に生じる応力が緩和され、また燃焼排ガス等の漏出が抑制される。
Similarly, the
また、支持部材とガイド部との間の気密性が十分に確保され、燃焼排ガス等が支持部材とガイド部との間から漏出することが抑制された燃料電池発電装置を用いることにより、燃料電池システムの熱効率を向上させることができる。 Further, by using a fuel cell power generator in which airtightness between the support member and the guide portion is sufficiently ensured and combustion exhaust gas or the like is suppressed from leaking between the support member and the guide portion, a fuel cell is obtained. The thermal efficiency of the system can be improved.
次に、支持部材の箱体20における固定位置について説明する。図7(A)は、参考例として、箱体第1側面16にガイド部71および72が取り付けられ、これに垂直な箱体第3側面18にガイド部73および74が取り付けられた場合を示す平面図である。一方、図7(B)は、図2の平面図として、箱体第1側面16にガイド部71および72が取り付けられ、これに対向する箱体第2側面17にガイド部73および74が取り付けられた場合を示す平面図である。なお、図7(B)では、図2の支持部材45および支持部材46は省略している。
Next, the fixing position of the support member in the
図7(A)では、燃料電池発電装置10が発電して箱体20の内部が加熱された場合、改質器30が膨張する。その結果、点線で示したように改質器30および支持部材41,42,43,44が斜め方向にずれ、箱体貫通孔21,22,23,24およびガイド部71,72,73,74のガイド貫通孔付近に応力が働く場合がある。この場合、支持部材41,42,43,44、箱体20、ガイド部71,72,73,74などが変形したり損傷したりすると、気密性が不十分となる。その結果、箱体20内からオフガスや燃焼排ガスなどが漏出することにより、燃料電池発電装置10のエネルギー利用率が低下する場合がある。
In FIG. 7A, when the fuel cell
一方、図7(B)では、ガイド部73および74が箱体第1側面16と対向する箱体第2側面17に取り付けられている。この場合、支持部材41および42と、支持部材43および44とが、それぞれ対向する箱体第1側面16と箱体第2側面17とに固定されている。この構造では、熱により改質器30が膨張した場合でも、ガイド部71,72,73,74にはガイド貫通孔の軸と平行な力しか働かないので、支持部材41,42と支持部材43,44とが互いに反対方向にスムーズに変位する。そのため、支持部材41,42,43,44とガイド部71,72,73,74との間で気密性が十分に確保される。これにより、図7(A)のような箱体貫通孔およびガイド部のガイド貫通孔付近に応力が働くことを軽減し、支持部材41,42,43,44、箱体20、ガイド部71,72,73,74等の変形や損傷を抑制することができる。その結果、箱体20内から外部へオフガスや燃焼排ガスなどが漏出することを低減させることにより、燃料電池発電装置10におけるエネルギー利用率をさらに向上させることができる。
On the other hand, in FIG. 7B, the
また、図7(B)の場合、箱体20を箱体第1側面16および箱体第2側面17に垂直な方向、つまり図2のY軸方向から平面視した場合に、箱体第1側面16に取り付けられた支持部材41の断面の一部と箱体第2側面17に取り付けられた支持部材44の断面の一部とが重畳している。同様に、箱体第1側面16に取り付けられた支持部材42の断面と箱体第2側面17に取り付けられた支持部材43の断面も重畳している。これにより、箱体貫通孔およびガイド部のガイド貫通孔付近に応力が働くことをさらに軽減し、支持部材41,42,43,44とガイド部71,72,73,74との接触位置がよりスムーズにずれるようにすることができる。
In the case of FIG. 7B, when the
なお、改質器30および発電部50以外の燃料電池発電装置10の構造に対し、上述の支持部材およびガイド部を含む支持構造を用いてもよい。また、本実施の形態では固体酸化物形燃料電池を例に示したが、固体酸化物形以外の燃料電池発電装置に対し、上述の支持部材およびガイド部を用いてもよい。固体酸化物形以外の燃料電池発電装置としては、たとえばりん酸形燃料電池または溶融炭酸塩形燃料電池発電装置を用いることができる。
A support structure including the above-described support member and guide portion may be used for the structure of the fuel cell
さらに、燃料電池発電装置以外の構造に対し、上述の支持部材およびガイド部を含む支持構造を用いてもよい。この場合の支持構造は、熱によって温度が上昇する昇温部材を支持部材により支持する。昇温部材は昇温部材収納容器に収容され、支持部材は昇温部材収納容器に設けられたガイドに摺動可能に挿通されている。これにより、昇温部材が熱膨張したときに、支持部材と挿通部材との間の気密性を確保しつつ、支持部材が挿通部材に対して摺動する。これにより、支持部材と挿通部材との間に生じる応力を低減することができ、支持部材と挿通部材との間にダメージが生じることが抑制される。そのため、熱によって温度が上昇する昇温部材を昇温部材収納容器内で安定して保持することができる。また、支持部材およびガイド部が簡易な構造であるため、省スペースかつ低コストで効率的に摺動性と気密性とを両立させることができる。なお、昇温部材は、それ自体が熱を発生する部材であってもよい。 Furthermore, a support structure including the above-described support member and guide portion may be used for structures other than the fuel cell power generator. The support structure in this case supports the temperature raising member whose temperature rises by heat by the support member. The temperature raising member is housed in the temperature raising member storage container, and the support member is slidably inserted into a guide provided in the temperature raising member storage container. Accordingly, when the temperature raising member is thermally expanded, the support member slides with respect to the insertion member while ensuring airtightness between the support member and the insertion member. Thereby, the stress which arises between a supporting member and an insertion member can be reduced, and it is suppressed that damage arises between a supporting member and an insertion member. Therefore, the temperature raising member whose temperature rises by heat can be stably held in the temperature raising member storage container. In addition, since the support member and the guide portion have a simple structure, both slidability and airtightness can be achieved efficiently with a small space and at a low cost. The temperature raising member may itself be a member that generates heat.
(変形例)
締結手段として、図5および6で示したボルト120に代えて、図8(A)〜(C)の構造を用いることもできる。図8は、締結手段の変形例を示す断面図である。図8(A)は、第1のハウジング80および第2のハウジング90がフランジ部86および96を備えず、第1のハウジングの開口部85で第2のハウジング90をかしめるかしめ部88を形成させて固定する構造の断面図である。図8(B)は、第1のハウジング80の開口部85付近の内壁に雌ネジ部89を形成し、第2のハウジング部の嵌合部に雄ネジ部99を形成し、互いを螺合させる構造の断面図である。図8(C)は、溶接により溶接部124を形成させることにより、第1のハウジング80と第2のハウジング90とを固定させる構造の断面図である。図8(C)の場合、第2のハウジング90は嵌合部93を備える形状であってもよく、嵌合部93を備えない平板であってもよい。なお、いずれの場合も、スペーサ110は省略可能である。(Modification)
As the fastening means, the structure shown in FIGS. 8A to 8C can be used in place of the
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art. The form can also be included in the scope of the present invention.
10 燃料電池発電装置、20 箱体、21 箱体貫通孔、41 支持部材、71 ガイド部、80 第1のハウジング、81 第1のガイド貫通孔、90 第2のハウジング、91 第2のガイド貫通孔、100 密閉用部材、122 挿通用貫通孔
DESCRIPTION OF
本発明は、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池発電装置、燃料電池発電装置を含む燃料電池システム、および支持構造に関連する分野で利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in fields related to a fuel cell power generation device that generates power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, a fuel cell system including the fuel cell power generation device, and a support structure.
Claims (9)
該セルスタックの上方に配置され、前記セルスタックに供給する燃料ガスを生成するためであって、前記燃料電池セルの配列方向に沿って延びる改質器と、
前記セルスタックを固定するとともに、前記改質器と接続され、生成された燃料ガスを前記セルスタックに供給するためのマニホールドと、
前記マニホールドと前記改質器とを接続する改質ガス供給管と、
前記セルスタック、前記マニホールド、前記改質ガス供給管および前記改質器を収容するとともに、前記改質器の長手方向の延長線上に位置する第1の側面に設けられた箱体貫通孔を少なくとも1つ有する箱体と、
前記箱体貫通孔を通じて前記箱体を貫通することにより、前記改質器を前記箱体内で支持する略柱状の支持部材と、
少なくとも一部分が、前記箱体貫通孔において前記箱体の外側面に固定され、前記箱体貫通孔を貫通した前記支持部材を摺動可能に挿通させる挿通用貫通孔を有するガイド部と、を備え、
前記燃料電池セルの上部と前記改質器との間が、前記燃料電池セルの発電で使用されなかった未反応な改質ガスを燃焼させるオフガス燃焼部とされており、
前記ガイド部は、前記支持部材を挿通させる第1のガイド貫通孔が形成されたフランジ部を有する第1のハウジングと、前記支持部材を挿通させる第2のガイド貫通孔が形成されたフランジ部を有し、前記第1のハウジングの内壁に嵌合する嵌合部を備える第2のハウジングと、前記第1のハウジングのフランジ部と前記第2のハウジングのフランジ部とが密着して締結され、前記第1のガイド貫通孔および前記第2のガイド貫通孔に前記支持部材が挿通された状態で前記第1のハウジングと前記第2のハウジングとの間に形成された空間に挿入または圧入され、耐熱性を有する密閉用部材と、を備え、前記第1のハウジングと前記第2のハウジングとの間に隙間を有していないことを特徴とする燃料電池発電装置。 A cell stack in which a plurality of fuel cells are arranged; and
A reformer disposed above the cell stack for generating fuel gas to be supplied to the cell stack and extending along an arrangement direction of the fuel cells;
A manifold for fixing the cell stack and connected to the reformer and supplying the generated fuel gas to the cell stack;
A reformed gas supply pipe connecting the manifold and the reformer;
The cell stack, the manifold, the reformed gas supply pipe, and the reformer are accommodated, and at least a box through-hole provided in a first side surface located on an extension line in the longitudinal direction of the reformer is provided. A box having one;
A substantially columnar support member that supports the reformer in the box by penetrating the box through the box through-hole;
At least a part is fixed to the outer surface of the box body in the box body through hole, and includes a guide portion having an insertion through hole for slidably inserting the support member penetrating the box body through hole. ,
Between the upper part of the fuel cell and the reformer is an off-gas combustion unit that burns unreacted reformed gas that was not used in power generation of the fuel cell,
The guide portion includes a first housing having a flange portion in which a first guide through-hole through which the support member is inserted and a flange portion in which a second guide through-hole through which the support member is inserted are formed. a, the second housing including a fitting portion for fitting with the inner wall of the first housing, and the flange portion of the flange portion of the first housing the second housing is engaged in close contact, is inserted or press-fitted into a space formed between the first guide holes and the second guide holes in the support member and the second housing said first housing and in a state in which is inserted And a sealing member having heat resistance , and there is no gap between the first housing and the second housing .
前記第1の側面および前記第2の側面には、それぞれ少なくとも1つの前記箱体貫通孔と前記ガイド部とが設けられ、
前記改質器には、前記第1の側面および前記第2の側面に固定された前記ガイド部の前記ガイド貫通孔に挿通された前記支持部材が取り付けられていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池発電装置。 The box body has a second side surface facing the first side surface,
Each of the first side surface and the second side surface is provided with at least one box through hole and the guide portion,
The support member inserted into the guide through hole of the guide portion fixed to the first side surface and the second side surface is attached to the reformer. The fuel cell power generator described in 1.
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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