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1. (JP2016177883) 空気予熱器及び発電装置
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Description

Title of Invention 空気予熱器及び発電装置 20190731 H01M 8/04 H01M 8/12 特表2005−530326(JP,A) 特開2010−153182(JP,A) 国際公開第2012/091029(WO,A1) 特開2009−093835(JP,A) 特開2006−310214(JP,A) 2016177883 20161006 20180306 笹岡 友陽

Technical Field

0001  

Background Art

0002   0003   0004   0005   0006  

Citation List

Patent Literature

0007  

Summary of Invention

Technical Problem

0008   0009   0010   0011  

Technical Solution

0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028  

Advantageous Effects

0029  

Brief Description of Drawings

0030  

Description of Embodiments

0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078   0079   0080   0081   0082  

Reference Signs List

0083  

Claims

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10  

Drawings

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11    

Description

空気予熱器及び発電装置

20190731 H01M 8/04 H01M 8/12 patcit 1 : 特表2005−530326(JP,A)
patcit 2 : 特開2010−153182(JP,A)
patcit 3 : 国際公開第2012/091029(WO,A1)
patcit 4 : 特開2009−093835(JP,A)
patcit 5 : 特開2006−310214(JP,A)
2016177883 20161006 20180306 笹岡 友陽

Technical Field

[0001]
本発明は、燃料電池スタックに導入される空気を予熱する空気予熱器、及び該空気予熱器を有する燃料電池モジュールを備えた発電装置に関する。

Background Art

[0002]
固体酸化物形燃料電池等の高温型燃料電池は運転温度が600℃〜1000℃程度であり、燃料極(アノード)に導入する水素を主成分とする改質ガスや、空気極(カソード)に導入する酸素を含んだ空気等を常温で燃料電池スタックに導入すると、大きな温度差によって構成材料(セラミックス)に大きな熱応力が発生し、材料の劣化や破損(セル割れ)の原因となる。
[0003]
天然ガスやLPGなど炭化水素系の燃料を改質してアノードに導入する場合には、改質器の反応温度が600℃〜750℃程度と燃料電池の運転温度近傍となり、このため、アノード側では燃料電池と供給ガスの温度差による熱応力の発生は小さい。一方、カソードに空気を導入する場合には、空気を予熱してからでないと、燃料電池と空気の温度差による熱応力が発生し、燃料電池の劣化や破損の原因となるため、従来から空気を予熱する空気予熱器が用いられている。
[0004]
例えば、特許文献1には、固体酸化物形燃料電池を用いた発電システムにおいて、燃料排ガスを燃焼する燃焼室からの燃焼ガスを用い、燃料電池スタックに導入される空気を予熱する空気予熱器を備え、さらに予熱空気温度調節部と燃焼ガス温度調節部を設置した構成が記載されている。
[0005]
特許文献2には、空気予熱器を迂回して空気を予熱せずに燃料電池スタックへと供給するバイパスラインと、供給する空気の各々のラインの空気流量情報を演算処理する演算器とを備えた燃料電池運転制御システムが記載されている。
[0006]
特許文献3には、燃料電池スタックから排出された燃料排ガスを燃焼させる燃焼器と、燃焼器からの燃焼ガスによって空気を予熱する空気予熱器とを備え、燃料電池スタックの周囲に空気予熱器を設置した構成が記載されている。

Citation List

Patent Literature

[0007]
patcit 1 : 特開2009−224041号公報
patcit 2 : 特開2001−202981号公報
patcit 3 : 特開2012−198994号公報

Summary of Invention

Technical Problem

[0008]
固体酸化物形燃料電池ではセルの材料にセラミックスを用いているため、上記のように、温度差による熱応力で割れてしまうという問題があり、熱応力が発生しないように、燃料電池に温度差がつかないように設計する必要がある。
[0009]
このため、燃料電池に導入する燃料及び空気は共に燃料電池運転温度近傍とする必要がある。特に、カソードガスとしての空気は常温から燃料電池の運転温度程度まで昇温することが課題となっている。また、燃料電池スタックからの燃料排ガスを空気排ガスを利用して燃焼させる場合、カソードに供給する空気の量は燃料電池反応に必要な量だけではなく、燃焼分も必要となる。そうすると、燃料電池スタックに導入する前の予熱量が一層大きくなるため、十分な熱交換効率と熱交換量を確保できる空気予熱器が求められる。
[0010]
他方、上記のような高温型燃料電池では、燃料電池スタックを、空気予熱器や改質器等と共に断熱筐体内に収容した高温の燃料電池モジュールとして構成する場合がある。この場合、燃料電池モジュールからの放熱が多いと、モジュール内が熱自立できなくなる。そうすると、燃料排ガスの燃焼量を増やす必要が生じ、燃料電池での燃料利用率が低下し、装置全体の発電効率が低下することになる。
[0011]
本発明は、上記従来の課題を考慮してなされたものであり、燃料電池スタックに導入される空気を効率よく予熱することができ、外部への放熱を低減することができる空気予熱器及び該空気予熱器を有する燃料電池モジュールを備えた発電装置を提供することを目的とする。

Technical Solution

[0012]
本発明に係る空気予熱器は、断熱筐体で囲まれた燃料電池モジュールに設けられ、燃料電池スタックに供給する空気を予熱する空気予熱器であって、前記断熱筐体の外部から導入された空気を流通させて予熱する第1予熱部と、前記第1予熱部を通過した後の空気が流通する第2予熱部とを備えることを特徴とする。
[0013]
このような構成によれば、第1予熱部及び第2予熱部で空気を予熱することができるため、燃料電池スタックに導入する前の空気を効率よく予熱することができ、予熱量が大きくなっても十分に対応することができる。また、燃料電池スタックからの輻射熱や反応熱を空気予熱器で受けることができるので、断熱筐体から外部への放熱を低減することができる。
[0014]
前記第1予熱部よりも前記第2予熱部が燃料電池スタック側に配置されるとよい。このように、外部からの空気を先に予熱する第1予熱部が燃料電池スタック側に配置される第2予熱部の背面側に配置されると、空気予熱器の外表面温度を低下させ、その背面側への輻射熱や反応熱の放熱を低減し、断熱筐体から外部への放熱を低減することができる。
[0015]
前記第1予熱部は、前記断熱筐体の外部から導入された空気を、前記第2予熱部との間を仕切る隔壁と第1外壁との間に形成した第1空気流路に流通させて予熱し、前記第2予熱部は、前記第1予熱部から流出した空気を、前記隔壁と前記燃料電池スタックに対向配置される第2外壁との間に形成した第2空気流路に流通させてさらに予熱し、前記燃料電池スタックに供給するものであってもよい。このように、後から空気を加熱する第2予熱部の第2空気流路の一面を燃料電池スタックに対向配置される第2外壁で構成すると、燃料電池スタックからの輻射熱を第2予熱部で直接的に受けることができ、燃料電池スタックに導入する直前の空気をより高い温度まで大きな熱量で予熱することができる。
[0016]
前記第1予熱部及び前記第2予熱部は、前記燃料電池スタックからの輻射熱を利用して前記燃料電池スタックに供給する空気を予熱するものであると、燃料電池スタックからの輻射熱を有効に回収して空気を予熱することができる。
[0017]
前記第1空気流路及び前記第2空気流路に伝熱フィンを設けると、その熱交換性能を一層向上させることができる。
[0018]
前記第1空気流路の伝熱フィンは、その一端部が前記隔壁に固定され、前記第2空気流路の伝熱フィンは、その一端部が前記第2外壁の内面に固定されていることが好ましい。そうすると、伝熱フィンが高温側の第2壁面や隔壁に固定されるため、輻射熱を伝熱フィンに対して直接的に伝えることができる。
[0019]
前記第1予熱部及び前記第2予熱部を有する主予熱器と、前記主予熱器と別体に設けられ、前記第1予熱部から流出される空気をさらに予熱して前記第2予熱部へ流入させる補助予熱器とを備える構成としてもよい。
[0020]
前記補助予熱器は複数設けられ、複数の前記補助予熱器にそれぞれ対応するように、前記第1予熱部には複数の空気流出口が設けられ、前記第2予熱部には複数の空気流入口が設けられる構成としてもよい。
[0021]
また、本発明に係る発電装置は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給する空気を予熱する空気予熱器と、前記燃料電池スタック及び前記空気予熱器を囲む断熱筐体とを有する燃料電池モジュールを備えた発電装置であって、前記空気予熱器は、前記断熱筐体の外部から導入された空気を、隔壁と第1外壁との間に形成した第1空気流路に流通させて予熱する第1予熱部と、前記第1予熱部から流出した空気を、前記第1予熱部との間を仕切る前記隔壁と前記燃料電池スタックに対向配置される第2外壁との間に形成した第2空気流路に流通させてさらに予熱し、前記燃料電池スタックに供給する第2予熱部とを備えることを特徴とする。
[0022]
このような構成によれば、隔壁で仕切られた2層の第1予熱部及び第2予熱部で空気を予熱することができるため、燃料電池スタックに導入する前の空気を効率よく予熱することができ、予熱量が大きくなっても十分に対応することができる。しかも、後から空気を加熱する第2予熱部の第2空気流路の一面を燃料電池スタックに対向配置される第2外壁で構成しているため、燃料電池スタックからの輻射熱を第2予熱部で直接的に受けることができ、燃料電池スタックに導入する直前の空気をより高い温度まで大きな熱量で予熱することができる。また、外部からの空気を先に加熱する第1予熱部を、燃料電池スタック側に配置される第2予熱部の背面側に配置しているため、空気予熱器の外表面温度を低下させ、その背面側への輻射熱の放熱を低減し、断熱筐体から外部への放熱を低減することができる。
[0023]
前記第1予熱部及び前記第2予熱部を有する主予熱器と、前記主予熱器と別体に設けられ、前記第1予熱部から流出される空気をさらに予熱して前記第2予熱部へ流入させる複数の補助予熱器とを備え、複数の前記補助予熱器にそれぞれ対応するように、前記第1予熱部には複数の空気流出口が設けられ、前記第2予熱部には複数の空気流入口が設けられる構成としてもよい。
[0024]
前記補助予熱器は2個設けられ、前記空気流出口は前記第1予熱部の両側面にそれぞれ設けられ、前記空気流入口は前記第2予熱部の両側面にそれぞれ設けられ、前記2個の補助予熱器は、それぞれ前記燃料電池スタックの対向する面に設置される構成であってもよい。
[0025]
前記燃料電池スタックは、固体酸化物形燃料電池であってもよい。この固体酸化物形燃料電池の燃料電池スタックと共に空気予熱器を設けることにより、空気極に導入される空気の温度を所望の温度まで効率よく予熱することができるため、スタック内での温度差の発生によるセル割れの発生を可及的に抑制することができる。
[0026]
前記固体酸化物形燃料電池は、矩形平板を積層した直方体形状であってもよい。
[0027]
前記固体酸化物形燃料電池は、上下に複数段配置されると共に、各段に複数の固体酸化物形燃料電池を設置した構造であってもよい。
[0028]
前記燃料電池モジュールは、さらに、前記断熱筐体の内部に、前記燃料電池スタックに導入される燃料を改質する改質器と、該改質器に導入される水蒸気を生成する気化器とを有し、前記燃料電池スタックを挟み、前記主予熱器と対向する側に前記改質器が設置され、前記燃料電池スタックの上方に前記気化器が設置されていてもよい。

Advantageous Effects

[0029]
本発明によれば、第1予熱部及び第2予熱部で空気を予熱することができるため、燃料電池スタックに導入する前の空気を効率よく予熱することができる。また、燃料電池スタックから輻射熱を空気予熱器で受けることができるので、断熱筐体から外部への放熱を低減することができる。

Brief Description of Drawings

[0030]
[fig. 1] 図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュールを備えた発電装置の構成を示すブロック図である。
[fig. 2] 図2は、本発明の一実施形態に係る空気予熱器を備えた燃料電池モジュールの一構成例を示す斜視図である。
[fig. 3] 図3は、図2に示す燃料電池モジュールの概略構成を示す平面図である。
[fig. 4] 図4は、棚装置の平面図である。
[fig. 5] 図5は、本発明の一実施形態に係る空気予熱器の構成図であり、図5(A)は、平面図であり、図5(B)は、正面図であり、図5(C)は、図5(B)中のVC−VC線に沿う断面図である。
[fig. 6] 図6は、正面側から見た空気予熱器の内部構造を示す斜視図である。
[fig. 7] 図7は、背面側から見た主予熱器の内部構造を示す斜視図である。
[fig. 8] 図8は、主予熱器の構成図であり、図8(A)は、図8(B)中のVIIIA−VIIIA線に沿う断面図であり、図8(B)は、主予熱器の正面図であり、図8(C)は、図8(B)中のVIIIC−VIIIC線に沿う断面図である。
[fig. 9] 図9は、主予熱器を側面側から見た構成図であり、図9(A)は、側面図であり、図9(B)は、図8(B)中のIXB−IXB線に沿う断面図であり、図9(C)は、主予熱器の内部を仕切る隔壁の側面図である。
[fig. 10] 図10は、空気予熱器を断熱筐体内で支持するための支持台の一構成例を示す平面図である。
[fig. 11] 図11は、変形例に係る燃料電池スタックに対して空気予熱器を配置した構成例を示す平面図である。

Description of Embodiments

[0031]
以下、本発明に係る空気予熱器について、この空気予熱器を備えた燃料電池モジュール及び発電装置との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
[0032]
先ず、図1を参照して燃料電池モジュール10を備えた発電装置12の全体的な構成を説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュール10を備えた発電装置12の構成を示すブロック図である。
[0033]
図1に示すように、発電装置12は、燃料電池スタック14を断熱筐体16の内部に設けた燃料電池モジュール10と、燃料電池モジュール10に燃料及び空気を供給する燃料供給ラインLF1,LF2及び空気供給ラインLA1,LA2と、燃料電池モジュール10からの排熱を利用して温水を製造する温水熱交換器18と、燃料電池モジュール10で使用する改質用の水蒸気を生成するための水を貯留する凝集水タンク20とを備えたコジェネレーションシステムとして構成されている。
[0034]
燃料電池モジュール10は、燃料電池スタック14と、改質器22と、空気予熱器24と、気化器26とを備え、これらを断熱部材を箱状に画成した断熱筐体16の内部(高温室)に設置したものである。断熱部材としては、グラスウール等の一般的な断熱材を用いればよい。但し、ボード状の高性能断熱材を使用することで、燃料電池モジュール10をよりコンパクトに構成することができる。
[0035]
燃料電池スタック14は、燃料供給ラインLF2から導入される燃料と、空気供給ラインLA2から導入される空気とを反応させて発電する矩形平板の発電セルを複数積層した公知の構成である。本実施形態の場合、燃料電池スタック14を、燃料極(アノード)14aと空気極(カソード)14bとの間に電解質としてイオン伝導性セラミックスを介在させた固体酸化物形燃料電池(SOFC)で構成している。固体酸化物形燃料電池を平板型の積層スタックで構成すると、燃料電池スタック14をコンパクトに構成することができ、容積当たりの発電出力を高くすることができる。燃料電池スタック14として他の高温型燃料電池、例えば、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)等を用いてもよい。燃料電池スタック14の側部には、昇温用のヒータ28が設置されている。
[0036]
燃料供給ラインLF1からの原燃料(例えば、メタンガス、都市ガス等)は、脱硫器30及び改質器22を経て水素や一酸化炭素を含む改質燃料となり、燃料供給ラインLF2から燃料極14aへと導入される。改質器22は、公知の構成でよく、その内部に各種の改質触媒が設けられている。気化器26は、温水熱交換器18からの凝集水を貯留する凝集水タンク20から送られる水を蒸発させ改質用の水蒸気を生成するものであり、生成した水蒸気は水蒸気供給ラインLWから改質器22に導入される直前の燃料供給ラインLF1に導入される。これにより、燃料は気化器26で高温となった水蒸気と混合され、例えば300℃程度まで加熱された後、改質器22に導入され、ここで700℃程度まで温度上昇しつつ、水蒸気改質されて改質燃料となる。
[0037]
空気供給ラインLA1からの空気は、ブロワ32によって空気予熱器24に導入され、所望の温度(例えば、650〜700℃程度)まで予熱された後、空気供給ラインLA2から空気極14bへと導入される。
[0038]
燃料電池スタック14からの排ガスは、排ガスラインLGから温水熱交換器18に送られる。温水熱交換器18は、貯水槽36から供給される水を排ガスラインLGからの排ガスによって加熱して温水を製造し、製造した温水は貯水槽36へと戻される。貯水槽36では、補給水が供給され、温水が取り出される。また、温水熱交換器18を通過した排ガスは、凝集水タンク20で凝集・除塵されて排気する。凝集水は改質用の水として気化器26に供給される。凝集水タンク20にはレベル計が設置され、水が一定レベル以下になると補給水が供給される。これにより、不要なガス及び余剰な水が排気及び排水される。
[0039]
次に、以上のような発電装置12を構成する燃料電池モジュール10の具体的な構成例について説明する。
[0040]
図2は、本発明の一実施形態に係る空気予熱器24を備えた燃料電池モジュール10の一構成例を示す斜視図であり、図3は、図2に示す燃料電池モジュール10の概略構成を示す平面図である。以下では、燃料電池モジュール10及び空気予熱器24について、図2における手前側を前側(正面側)、奥側を後側(背面側)と呼び、左右方向を幅方向(左右幅方向)と呼んで説明する。
[0041]
図2に示すように、本実施形態では1つの断熱筐体16内に4個の燃料電池スタック14を設けた4個1組の構成からなる燃料電池モジュール10を用いている。この燃料電池モジュール10は、断熱筐体16内に設置された棚装置40の上棚40a及び下棚40bに燃料電池スタック14を2個ずつ載置しており、正面視で2行2列の配置となっている。以下では、このような4個1組の燃料電池スタック14をまとめて燃料電池スタック14として説明することもある。
[0042]
図4は、棚装置40の平面図であり、上棚40aの平面構造を示している。
[0043]
図4に示すように、上棚40aは前後端部に上方に屈曲された曲げ部40cを有し(図2も参照)、上面に燃料電池スタック14を2個設置可能な構造である。上棚40aは、燃料電池スタック14が設置される箇所に板厚方向に貫通した左右の切欠部40dを有する。切欠部40dには、燃料電池スタック14に接続する配管や配線を通すことができる。図4では、T字形状の切欠部40dを例示しているが、切欠部40dは丸形状や矩形状等の孔部であってもよい。
[0044]
下棚40bは、上棚40aの下面から延びた4本の支柱40eが四隅に設けられ、上棚40aの幅方向中央から延びたプレート40fが中央に設けられ、曲げ部40cが設けられていない以外、基本的な構造は上棚40aと同様である。従って、下棚40bにも切欠部40dが左右に設けられ、その上面に燃料電池スタック14を2個設置可能である。プレート40fは、下棚40bに設置された左右の燃料電池スタック14,14間を仕切る遮熱板として機能するものである。また、プレート40fは上棚40aを支持している。
[0045]
なお、棚装置40は4個1組の燃料電池スタック14の設置用であるが、燃料電池スタック14の設置数が増えた場合にも同様な構造を用いることができ、例えば上棚40aを積み上げて3段以上に構成してもよい。
[0046]
燃料電池モジュール10では、棚装置40に載置された燃料電池スタック14の正面に対向するように扁平箱状の改質器22が上下方向に沿って設置され、燃料電池スタック14の上方に扁平箱状の気化器26が設置され、燃料電池スタック14の背面及び左右両側面の3面を囲むように空気予熱器24が設置されている。
[0047]
断熱筐体16内の燃料電池モジュール10では、高い温度を必要とする改質器22と空気予熱器24とを燃料電池スタック14の正面及び背面に配置し、これらより低い温度でよい気化器26を燃料電池スタック14の上方に配置している。改質器22は、上記のように扁平箱状であって各燃料電池スタック14の正面を覆うように配置される。改質器22よりも大きな熱量を必要とする空気予熱器24は、各燃料電池スタック14の背面を覆い、さらに4個1組とした燃料電池スタック14の左右の側面を覆うように配置されている。
[0048]
そこで、次に、空気予熱器24の具体的な構成例を説明する。
[0049]
図5は、本発明の一実施形態に係る空気予熱器24の構成図であり、図5(A)は、平面図であり、図5(B)は、正面図であり、図5(C)は、図5(B)中のVC−VC線に沿う断面図である。図6は、正面側から見た空気予熱器24の内部構造を示す斜視図である。
[0050]
図5及び図6に示すように、空気予熱器24は、燃料電池スタック14の背面側に配置される主予熱器50と、燃料電池スタック14の左右の側面側に配置される一対の補助予熱器52とを備え、平面視で燃料電池スタック14の3面を覆う門形状となっている。主予熱器50と各補助予熱器52との間は、上下にそれぞれ設けられた矩形筒状のブリッジ54,55で接続され、空気が流通可能となっている。空気予熱器24は、例えばステンレス鋼によって形成される。
[0051]
図7は、背面側から見た主予熱器50の内部構造を示す斜視図である。図8は、主予熱器50の構成図であり、図8(A)は、図8(B)中のVIIIA−VIIIA線に沿う断面図であり、図8(B)は、主予熱器50の正面図であり、図8(C)は、図8(B)中のVIIIC−VIIIC線に沿う断面図である。また、図9は、主予熱器50を側面側から見た構成図であり、図9(A)は、側面図であり、図9(B)は、図8(B)中のIXB−IXB線に沿う断面図であり、図9(C)は、主予熱器50の内部を仕切る隔壁56の側面図である。
[0052]
図6〜図9に示すように、主予熱器50は、鉛直方向に沿った平板状の隔壁56で内部が前後2層に仕切られた扁平箱状の熱交換器である。隔壁56の背面側に第1予熱部50aが設けられ、正面側に第2予熱部50bが設けられている。
[0053]
図7及び図9(B)に示すように、第1予熱部50a及び第2予熱部50bの上部には、入口側となる空気供給ラインLA1から導入された空気を幅方向に拡散させ、第1予熱部50aへと幅方向で均等に流入させるためのバッファ空間58が設けられている。また、第1予熱部50a及び第2予熱部50bの下部には、第2予熱部50bで加熱され、幅方向に拡散している空気を集合させ、出口側となる空気供給ラインLA2へと円滑に導入するためのバッファ空間60が設けられている。
[0054]
隔壁56は、図9(C)に示すように、その上下端部が一方側(後側)へと折り曲げられている。これにより、折り曲げていない平板を用いる場合よりも高い剛性を有して主予熱器50内に配設されている。上部で水平方向に折り曲げられた折り曲げ片56aは、その正面側の帯板62と共に、バッファ空間58と第1予熱部50a及び第2予熱部50bとの間を仕切る蓋板となっている(図9(B)参照)。この折り曲げ片56aの先端縁部には、幅方向に並んだ複数の半円状の孔部56bが形成されている(図7及び図8(A)参照)。孔部56bは、バッファ空間58から第1予熱部50aへの空気の流入口となる開口である。また、下部で水平方向に折り曲げられた折り曲げ片56cは、その正面側の帯板64と共に、バッファ空間60と第1予熱部50a及び第2予熱部50bとの間を仕切る蓋板となっている(図9(B)参照)。この帯板64の後側縁部には、幅方向に並んだ複数の半円状の孔部64aが形成されている(図8(C)参照)。孔部64aは、第2予熱部50bからバッファ空間60への空気の流出口となる開口である。
[0055]
図7に示すように、第1予熱部50aは、外部から空気供給ラインLA1を介して導入された空気が最初に流通する空気流路66を有した熱交換器である。第1予熱部50aは、上部にバッファ空間58からの流入口となる各孔部56bが設けられ、下部両側壁にそれぞれ左右のブリッジ55に連通する流出口(空気流出口)68,68が設けられており、空気流路66の途中に複数の伝熱フィン70が介在している。これにより、第1予熱部50aにおいて、上端の各孔部56bから流入した空気は、空気流路66の幅方向に広がりつつ下方へと流通し、その途中で伝熱フィン70、隔壁56及び外壁71等と熱交換して昇温された後、流出口68からブリッジ55を経て補助予熱器52へと導入される。各伝熱フィン70は、高温側(正面側)となる隔壁56に対して溶接部Wによって溶接固定されている(図9(B)参照)。
[0056]
図6に示すように、第2予熱部50bは、第1予熱部50aで加熱され、補助予熱器52でさらに加熱された空気が流通する空気流路72を有した熱交換器である。第2予熱部50bは、上部両側壁にそれぞれブリッジ54に連通する流入口(空気流出口)74,74が設けられ、下部に流出口となる各孔部64aが設けられており(図8(C)参照)、空気流路72の途中に複数の伝熱フィン76が介在している。これにより、第2予熱部50bにおいて、補助予熱器52からブリッジ54を経て上部両側部から流入した空気は、空気流路72の幅方向に広がりつつ下方へと流通し、その途中で伝熱フィン76及び外壁78等と熱交換して昇温された後、各孔部64a及びバッファ空間60から空気供給ラインLA2を経て各燃料電池スタック14へと導入される。各伝熱フィン76は、高温側(正面側)となる外壁78に対して溶接部Wによって溶接固定されている(図9(B)参照)。
[0057]
図5及び図6に示すように、一対の補助予熱器52,52は、それぞれが主予熱器50に対して並列に接続されており、主予熱器50を構成する第1予熱部50aと第2予熱部50bの間の中間熱交換器となるものである。
[0058]
各補助予熱器52は、第1予熱部50aで加熱された空気が流通する空気流路80を有した扁平箱状の熱交換器である。補助予熱器52は、内壁81の下部背面側にブリッジ55に連通する流入口(空気流入口)82が設けられ、内壁81の上部正面側にブリッジ54に連通する流出口(空気流出口)84が設けられており、空気流路80の途中に複数の伝熱フィン86が介在している。これにより、補助予熱器52において、主予熱器50の第1予熱部50aからブリッジ55を経て流入口82から下部背面側へと流入した空気は、空気流路80を上方へと流通し、その途中で伝熱フィン86及び内壁81等と熱交換して昇温された後、流出口84からブリッジ54を経て主予熱器50の第2予熱部50bに導入される。各伝熱フィン86は、高温側(燃料電池スタック14側)となる内壁81に対して溶接部Wによって溶接固定されている(図6参照)。
[0059]
次に、以上のように構成された空気予熱器24での空気の予熱方法を説明する。
[0060]
空気供給ラインLA1から供給された外部の空気(例えば、50℃程度)は、先ず、図7及び図9(B)に示すように主予熱器50のバッファ空間58から孔部56aを通過し、外側の第1予熱部50aに導入される。
[0061]
第1予熱部50aにおいて、上部の孔部56aから流入し空気流路66を流通する空気は、伝熱フィン70、隔壁56及び外壁71等と熱交換し、例えば150℃程度まで昇温される(図7及び図9(B)参照)。第1予熱部50aでは、燃料電池スタック14側の隔壁56及び該隔壁56に溶接固定された伝熱フィン70との接触により、700℃〜800℃で作動する燃料電池スタック14の背面からの輻射熱によって流通する空気を間接的に加熱することができ、十分な熱交換を行うことができる。
[0062]
第1予熱部50aから左右のブリッジ55へと分岐して流出した空気は、左右の補助予熱器52,52の下部の流入口82からそれぞれの空気流路80に流入する。そして、各補助予熱器52の空気流路80を並行して流通する途中で伝熱フィン86及び内壁81等と熱交換し、例えば350℃程度まで昇温される(図6参照)。補助予熱器52は、燃料電池スタック14の側面に対向しているため、燃料電池スタック14の側面からの輻射熱により流通する空気を十分に加熱することができる。昇温された空気は、ブリッジ54を介して主予熱器50の第2予熱部50bへと流出し、ここで再び合流する。
[0063]
第2予熱部50bにおいて、左右上部の流入口74,74から流入し空気流路72を流通する空気は、伝熱フィン76及び外壁78等と熱交換し、例えば650〜700℃程度まで昇温される(図6参照)。第2予熱部50bでは、燃料電池スタック14の背面からの輻射熱を受けて流通する空気を加熱することができ、十分な熱交換を行うことができる。昇温された空気は、下部の各孔部64aからバッファ空間60へと流通し(図8(C)及び図9(B)参照)、空気供給ラインLA2を介して各燃料電池スタック14の空気極14bへと導入され(図1参照)、燃料極14aの改質燃料と反応して発電がなされる。
[0064]
本実施形態の場合、空気予熱器24の空気出口から各燃料電池スタック14までの空気供給ラインLA2のそれぞれの配管の内径及び配管長さが同一に設定されている。これにより、空気予熱器24から各燃料電池スタック14への供給ガスの等配分を図ることができ、各燃料電池スタック14の性能のバランスがとれる。なお、燃料電池スタック14の搭載数がさらに増えた場合にも同様の対応により、安定したシステム効率を得ることができる。また、空気予熱器24とそれぞれの配管との間に断熱材を設置すると、配管の受熱を抑制することができ、各燃料電池スタック14に供給する空気温度が変動することを抑制できる。
[0065]
なお、主予熱器50を構成する第1予熱部50aと第2予熱部50bとの間に接続される補助予熱器52は、当該空気予熱器24を適用する燃料電池モジュール10及び発電装置12の仕様等によっては省略してもよい。すなわち、主予熱器50のみで空気の予熱に要する熱量が十分である場合等では、補助予熱器52を省略し、空気予熱器24の製造コストを低減することも有効である。補助予熱器52を省略する場合には、例えば、主予熱器50の第1予熱部50aの流出口68と第2予熱部50bの流入口74とを所定の配管で連結する等し、第1予熱部50aからの空気が第2予熱部50bに流通する構成とすればよい。
[0066]
以上のように、本実施形態に係る空気予熱器24は、断熱筐体16で囲まれた燃料電池モジュール10に設けられ、燃料電池スタック14に供給する空気を予熱するものである。この空気予熱器24は、断熱筐体16の外部から導入された空気を流通させて予熱する第1予熱部50aと、第1予熱部50aを通過した後の空気が流通する第2予熱部50bとを備える。
[0067]
従って、このような空気予熱器24では、第1予熱部50a及び第2予熱部50bで空気を加熱することができるため、燃料電池スタック14に導入する前の空気を効率よく予熱することができ、予熱量が大きくなっても十分に対応することができる。また、燃料電池スタック14からの輻射熱を空気予熱器24で受けることができるので、断熱筐体16から外部への放熱を低減することができる。
[0068]
空気予熱器24は、第1予熱部50aよりも第2予熱部50bが燃料電池スタック14側に配置されるため、空気予熱器24の外表面温度を低下させ、その背面側への輻射熱の放熱を低減し、断熱筐体16から外部への放熱を一層低減することができる。
[0069]
空気予熱器24では、第1予熱部50aは、断熱筐体16の外部から導入された空気を、第2予熱部50bとの間を仕切る隔壁56と外壁(第1外壁)71との間に形成した空気流路(第1空気流路)66に流通させて予熱し、第2予熱部50bは、第1予熱部50aから流出した空気を、隔壁56と燃料電池スタック14に対向配置される外壁(第2外壁)78との間に形成した空気流路(第2空気流路)72に流通させてさらに予熱し、燃料電池スタック14に供給する構成となっている。これにより、燃料電池スタック14からの輻射熱を第2予熱部50bで直接的に受けることができ、燃料電池スタックに導入する直前の空気をより高い温度まで大きな熱量で予熱することができる。
[0070]
このように、空気予熱器24及びこれを備えた発電装置12では、隔壁56を介して2層に設けられた第1予熱部50a及び第2予熱部50bを備え、燃料電池スタック14の背面に対向配置される外壁78と隔壁56との間に第2予熱部50bの空気流路72を設けている。これにより、隔壁56で仕切られた2層の第1予熱部50a及び第2予熱部50bで空気を予熱することができるため、燃料電池スタック14に導入する前の空気を効率よく予熱することができる。しかも、後から空気を予熱する第2予熱部50bの空気流路72の一面を燃料電池スタック14の背面に対向配置される外壁78で構成しているため、燃料電池スタック14に導入する直前の空気をより高い温度まで大きな熱量で予熱することができる。また、外部からの空気を先に予熱する第1予熱部50aを、燃料電池スタック14側に配置される第2予熱部50bの背面側に配置している。すなわち、この第1予熱部50aは第2予熱部50bよりも低温となることから、空気予熱器24の外表面温度を低下させ、その背面側への輻射熱の放熱を低減し、断熱筐体16から外部への放熱を低減することができる。
[0071]
本実施形態に係る発電装置12(燃料電池モジュール10)は、このような空気予熱器24と、燃料電池スタック14と、これらを囲む断熱筐体16とを有する燃料電池モジュール10を備える。この発電装置12では、上記のように空気予熱器24によって断熱筐体16から外部への放熱を低減することができるため、モジュール内の熱自立を維持することができる。
[0072]
ここで、本実施形態の場合、燃料電池スタック14として、固体酸化物形燃料電池の平板型スタックを用いているため、高い発電出力を得られる一方、平板型であるがゆえに発電セル面内の温度差により熱応力が発生しやすく、セルが割れるリスクが高いという問題がある。この点、当該発電装置12では、上記のように空気を効率よく所望の温度まで予熱できる空気予熱器24を備えているため、空気極14bに導入される空気の温度を燃料極14aに導入される改質燃料と同等な温度(例えば、650〜700℃程度)まで高めることができ、セル割れの発生を可及的に抑制することができる。また、発電装置12では、空気予熱器24により燃料電池スタック14から発生する熱を効率よく回収することができるため、燃料電池スタック14の温度分布の発生を低減し、熱応力によるセル割れが生じることを回避できる。
[0073]
また、発電装置12(燃料電池モジュール10)は、例えば、特許文献「特開2006−86053号公報」に記載される、発電反応で消費されなかった残余の高温ガスを発電セルの外周部から自由に放出する構造の燃料電池スタックを用いる場合も効果がある。この場合、燃料電池スタック14から排出された高温ガスは、排出側の側面で残余の水素ガスと空気が反応して燃焼する。このため、空気極14bに供給する空気の量は燃料電池反応に必要な量だけではなく燃焼分も必要となり、空気の予熱量も大きなものとなっている。この点についても、当該発電装置12では、上記のように空気を効率よく所望の温度まで予熱できる空気予熱器24を備えているため、大きな予熱量にも十分に対応することが可能となっている。また、空気予熱器24は、燃料電池スタックの排ガスが反応して燃焼する側に第2予熱部50bを対向配置することで、燃料電池スタックからの反応熱を利用し、空気予熱器24での熱交換器効率を一層高めることができる。
[0074]
空気予熱器24では、各空気流路66,72,80にそれぞれ伝熱フィン70,76,86を介在させている。これにより、伝熱フィン70,76,86が各空気流路66,72,80での邪魔板として機能し、各空気流路66,72,80を流通する空気に圧力損失を発生させて空気を幅方向に均等に流通させることができ、さらに流速が向上するため熱交換性能が向上する。
[0075]
また、主予熱器50を構成する第1予熱部50aの伝熱フィン70は、その一端部が高温側となる隔壁56に溶接固定され、第2予熱部50bの伝熱フィン76は、その一端部が高温側となる外壁78に溶接固定されている。これにより、燃料電池スタック14からの輻射熱を伝熱フィン70,76に対し、それぞれ隔壁56、外壁78を介して直接的に伝達することができ、より大きな伝熱量を確保することができる。同様に、各補助予熱器52の伝熱フィン86についても、その一端部を高温側となる内壁81に溶接固定し、十分な伝熱量を確保している。また、空気予熱器24を薄板で形成してコストを低減した場合にも、伝熱フィン70,76,86が適宜溶接固定されているため、構造強度と伝熱性能を高めることができる。同様に、隔壁56は、その上端及び下端に折り曲げ片56a,56cを設け、しかも伝熱フィン70が溶接固定されているため、薄板を平板として使用する場合に比べて構造強度が高くなっている。
[0076]
ところで、空気予熱器24は、その高さ寸法及び幅寸法と比較して、奥行き寸法が短いため、主予熱器50及び補助予熱器52はそれぞれ奥方向への転倒や、接続した機器からの振動による移動やずれをし易い(図3参照)。そこで、本実施形態では、奥方向への転倒や位置ずれを抑制する機能を持った支持台85によって空気予熱器24を支持する構成としている。
[0077]
図10に、空気予熱器24を断熱筐体16内で支持するための支持台85の一構成例を示す。支持台85は、脚部87と、脚部87の上部で空気予熱器24を保持する保持部89とを備える。脚部87は、前側(又は後側)に向かって突出した脚板87aを有し、この脚板87aの先端側に設けられた取付孔87bを用いて断熱筐体16の床面上に固定される(図2〜図3参照)。保持部89は、脚部87の上面である載置面89aと、上下方向に延在した保持面89bとで空気予熱器24を保持するものである。
[0078]
本実施形態の場合、空気予熱器24は、主予熱器50と一対の補助予熱器52とを備える。そこで、図3に示すように、主予熱器50はその左右両端部が、脚板87aが後方に向いた一対の支持台85によって支持される(図10中に2点鎖線で示す主予熱器50も参照)。また、補助予熱器52はその前後両端部が、脚板87aが前後方向にそれぞれ向いた一対の支持台85によって挟まれて支持される(図10中に2点鎖線で示す補助予熱器52も参照)。従って、本実施形態の場合、6個の支持台85を用いて空気予熱器24を支持している。
[0079]
支持台85では、このように前後方向に突出して床面上に着地する脚板87aを有することにより、主予熱器50や補助予熱器52の重量に対抗する回転モーメントが向上し、奥方向への転倒や位置ずれが抑制される。なお、図示はしないが、主予熱器50及び補助予熱器52と支持台85の間に挟むように断熱材を配置することで、空気予熱器24の放熱を抑制できる。
[0080]
図11に示すように、燃料電池モジュール10では、上記した燃料電池スタック14に代えて、円筒形状の発電セル90aを1本又は複数本有した構成からなる燃料電池スタック90を用いてもよい。この場合にも、燃料電池スタック90の3面(背面及び左右側面)を空気予熱器24で覆うように構成するとよい。なお、このような燃料電池スタック90では、燃料を内部改質することができるものもあり、図11に示すように改質器22が設けられないこともある。また、このような円筒形状の発電セルを用いる構成の場合、燃料電池スタック90が平面視矩形ではなく円形である場合もあり、この場合には図11中に2点鎖線で示すように空気予熱器24を扇状(又は円形)の主予熱器50で構成してもよい。
[0081]
なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。
[0082]
例えば、上記実施形態では、燃料電池スタック14を4個1組又は1個1組として用いた構成を例示したが、燃料電池スタック14の搭載個数は適宜変更可能であることは勿論である。

Reference Signs List

[0083]
10 燃料電池モジュール
12 発電装置
14,90 燃料電池スタック
14a 燃料極
14b 空気極
16 断熱筐体
22 改質器
24 空気予熱器
26 気化器
40 棚装置
40a 上棚
40b 下棚
50 主予熱器
50a 第1予熱部
50b 第2予熱部
52 補助予熱器
54,55 ブリッジ
56 隔壁
66,72,80 空気流路
70,76,86 伝熱フィン
71,78 外壁
81 内壁
85 支持台
87 脚部
89 保持部
LA1,LA2 空気供給ライン
LF1,LF2 燃料供給ライン
W 溶接部

Claims

[1]
断熱筐体で囲まれた燃料電池モジュールに設けられ、燃料電池スタックに供給する空気を予熱する空気予熱器であって、
前記断熱筐体の外部から導入された空気を流通させて予熱する第1予熱部と、前記第1予熱部を通過した後の空気が流通する第2予熱部と、 を有する主予熱器と、
前記主予熱器と別体に設けられ、前記第1予熱部から流出される空気をさらに予熱して前記第2予熱部へ流入させる補助予熱器と、
を備え、
前記第1予熱部及び前記第2予熱部は、前記燃料電池スタックからの輻射熱を利用して前記燃料電池スタックに供給する空気を予熱するものであり、
前記第1予熱部は、前記断熱筐体の外部から導入された空気を、前記第2予熱部との間を仕切る隔壁と第1外壁との間に形成した第1空気流路に流通させて予熱し、
前記第2予熱部は、前記第1予熱部から流出した空気を、前記隔壁と前記燃料電池スタックに対向配置される第2外壁との間に形成した第2空気流路に流通させてさらに予熱し、前記燃料電池スタックに供給するものであり、
前記補助予熱器は複数設けられ、
複数の前記補助予熱器にそれぞれ対応するように、前記第1予熱部には複数の空気流出口が設けられ、前記第2予熱部には複数の空気流入口が設けられることを特徴とする空気予熱器。
[2]
請求項1記載の空気予熱器において、
前記第1予熱部よりも前記第2予熱部が燃料電池スタック側に配置されることを特徴とする空気予熱器。
[3]
請求項 記載の空気予熱器において、
前記第1空気流路及び前記第2空気流路に伝熱フィンを設けたことを特徴とする空気予熱器。
[4]
請求項 記載の空気予熱器において、
前記第1空気流路の伝熱フィンは、その一端部が前記隔壁に固定され、
前記第2空気流路の伝熱フィンは、その一端部が前記第2外壁の内面に固定されていることを特徴とする空気予熱器。
[5]
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに供給する空気を予熱する空気予熱器と、
前記燃料電池スタック及び前記空気予熱器を囲む断熱筐体と、
を有する燃料電池モジュールを備えた発電装置であって、
前記空気予熱器は、燃料電池スタックからの輻射熱を利用して前記燃料電池スタックに供給する空気を予熱するものであり、
前記空気予熱器は、前記断熱筐体の外部から導入された空気を、隔壁と第1外壁との間に形成した第1空気流路に流通させて予熱する第1予熱部と、前記第1予熱部から流出した空気を、前記第1予熱部との間を仕切る前記隔壁と前記燃料電池スタックに対向配置される第2外壁との間に形成した第2空気流路に流通させてさらに予熱し、前記燃料電池スタックに供給する第2予熱部と、を有する主予熱器と、
前記主予熱器と別体に設けられ、前記第1予熱部から流出される空気をさらに予熱して前記第2予熱部へ流入させる複数の補助予熱器と を備え、
複数の前記補助予熱器にそれぞれ対応するように、前記第1予熱部には複数の空気流出口が設けられ、前記第2予熱部には複数の空気流入口が設けられることを特徴とする発電装置。
[6]
請求項 記載の発電装置において、
前記補助予熱器は2個設けられ、
前記空気流出口は前記第1予熱部の両側面にそれぞれ設けられ、
前記空気流入口は前記第2予熱部の両側面にそれぞれ設けられ、
前記2個の補助予熱器は、それぞれ前記燃料電池スタックの対向する面に設置されることを特徴とする発電装置。
[7]
請求項 5又は6に記載の発電装置において、
前記燃料電池スタックは、固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする発電装置。
[8]
請求項 記載の発電装置において、
前記固体酸化物形燃料電池は、矩形平板を積層した直方体形状であることを特徴とする発電装置。
[9]
請求項 又は 記載の発電装置において、
前記固体酸化物形燃料電池は、上下に複数段配置されると共に、各段に複数の固体酸化物形燃料電池を設置した構造であることを特徴とする発電装置。
[10]
請求項 のいずれか1項に記載の発電装置において、
前記燃料電池モジュールは、さらに、前記断熱筐体の内部に、前記燃料電池スタックに導入される燃料を改質する改質器と、該改質器に導入される水蒸気を生成する気化器とを有し、
前記燃料電池スタックを挟み、前記主予熱器と対向する側に前記改質器が設置され、
前記燃料電池スタックの上方に前記気化器が設置されていることを特徴とする発電装置。

Drawings

[ Fig. 1]

[ Fig. 2]

[ Fig. 3]

[ Fig. 4]

[ Fig. 5]

[ Fig. 6]

[ Fig. 7]

[ Fig. 8]

[ Fig. 9]

[ Fig. 10]

[ Fig. 11]