JP2009158122A - Fuel cell module and fuel cell device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の燃料電池セルを立設して構成される燃料電池セルスタック装置を収納してなる燃料電池モジュールおよびそれを具備する燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell module in which a fuel cell stack device configured by standing a plurality of fuel cells is housed, and a fuel cell device including the fuel cell module.
近年、次世代エネルギーとして、水素含有ガスと空気(酸素含有ガス)とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数並設し電気的に直列に接続してなる燃料電池セルスタックを、燃料電池セルに反応ガスを供給するマニホールドに固定した燃料電池セルスタック装置や、それを収納してなる燃料電池モジュール、さらには燃料電池モジュールを収納してなる燃料電池装置が種々提案されている(例えば、特許文献1参照)。 In recent years, as a next-generation energy, a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that can obtain electric power using hydrogen-containing gas and air (oxygen-containing gas) are arranged in parallel and electrically connected in series, Various fuel cell stack devices fixed to a manifold that supplies reaction gas to the fuel cells, fuel cell modules that house the fuel cell stack devices, and fuel cell devices that contain fuel cell modules have been proposed ( For example, see Patent Document 1).
図8および図9は、従来の燃料電池モジュール50の一例を示したものであり、図8における燃料電池モジュール50は、直方体状の収納容器51の内部に、内部を第1の反応ガスが流通するガス流路を有する燃料電池セル52を立設させた状態で配列し、隣接する燃料電池セル52間に集電部材(図示せず)を介して電気的に直列に接続して燃料電池セルスタック54を構成するとともに、燃料電池セル52の下端をガラスシール材等の絶縁性接合材(図示せず)でマニホールド53に固定してなる燃料電池セルスタック装置57を収納して構成されている。
8 and 9 show an example of a conventional
また、燃料電池セル52の発電に用いる水素含有ガスを得るために、天然ガスや灯油等の燃料を改質して燃料ガス(水素含有ガス)を生成するための改質器55を燃料電池セルスタック54(燃料電池セル52)の上方に配置している。そして、改質器55で生成された燃料ガス(第1の反応ガス)は、ガス流通管56によりマニホールド53に供給され、マニホールド53を介して燃料電池セル52の内部に設けられたガス流路に供給される。
Further, in order to obtain a hydrogen-containing gas used for power generation of the
図9は、燃料電池セルスタック装置57および改質器55を収納容器51に収納してなる燃料電池モジュール50の断面図である。燃料電池モジュール50を構成する収納容器51は、内壁56と外壁57とを有する二重構造で、外壁57により収納容器51の外枠が形成され、内壁56と外壁57との間を、燃料電池セル52に導入する第2の反応ガス(酸素含有ガス等)が流通する反応ガス流路としている。
FIG. 9 is a cross-sectional view of the
そして、反応ガス流路を流れた第2の反応ガスは、続いて反応ガス導入部材59を流れて燃料電池セル52の下端部側に位置する吹出口60より燃料電池セル52に供給され、マニホールド53より供給される第1の反応ガスと反応して発電がおこなわれる。
Then, the second reaction gas that has flowed through the reaction gas flow path is subsequently supplied to the
なお、図8に示した燃料電池モジュール50においては、燃料電池セル52のガス流路より排出される余剰の第1の反応ガスと第2の反応ガスとを燃料電池セル52の上端部側で燃焼させ、その熱により改質器55の温度を上昇させることができる。そして、燃料電池セル52の発電により生じた温度の高い排ガスは、燃料電池セル52の配列方向に沿って形成された側面(内部側面)に対して所定間隔を空けて併設された排ガス用内壁64と内壁56により形成される底面(内部底面)とにより形成される排ガス流路を流通し、収納容器51の底部に設けられた排気孔65より排気される。
ところで、上記特許文献1に記載されたような、燃料電池セルの上端部側で余剰の第1の反応ガスと第2の反応ガスとを燃焼させるタイプの燃料電池セルスタック装置を収納する燃料電池モジュールにおいては、各燃料電池セルの上端部側の温度が高く、下端部側の温度が低いという不均一な温度分布を生じる場合がある。さらに、燃料電池セルの下端部側に位置する反応ガス導入部材の吹出口より燃料電池セルに供給される第2の反応ガスの温度が低い場合においては、反応ガス導入部材より供給される第2の反応ガスにより燃料電池セルの下端部側の温度がさらに低下し、燃料電池セルの上下方向においてさらに不均一な温度分布を生じる場合がある。ここで、燃料電池セルの上下方向における温度分布が不均一となる場合には、燃料電池セルの発電効率が低下するおそれがある。
By the way, the fuel cell which stores the fuel cell stack apparatus of the type which burns the excess 1st reaction gas and 2nd reaction gas by the upper end part side of a fuel cell as described in the said
それゆえ、本発明は、燃料電池セルの上下方向における温度分布を均一に近づけることができ、発電効率が向上した燃料電池モジュールおよびそれを具備する燃料電池装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell module in which the temperature distribution in the vertical direction of the fuel cells can be made closer to the uniformity and power generation efficiency is improved, and a fuel cell device including the fuel cell module.
本発明の燃料電池モジュールは、内部にガス流路を有する柱状の燃料電池セルを複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの下端を固定するとともに前記燃料電池セルに第1の反応ガスを供給するためのマニホールドとを有し、前記ガス流路より排出される前記第1の反応ガスを前記燃料電池セルの上端部側で燃焼させるように構成してなる燃料電池セルスタック装置を収納容器に収納してなる燃料電池モジュールであって、前記収納容器は、内壁と外壁とを有する二重構造で前記内壁と前記外壁との間を第2の反応ガスが流通する反応ガス流路とし、上部に位置する前記内壁に前記セルスタックの側面側にまで延び、前記燃料電池セルの下端部側に前記第2の反応ガスを供給するための反応ガス導入部材が設けられているとともに、該反応ガス導入部材は、前記反応ガス流路を流れた前記第2の反応ガスを収集するための反応ガス収集部と、該反応ガス収集部により収集した前記第2の反応ガスを前記燃料電池セルへ導くための導入部とを具備することを特徴とする。 The fuel cell module of the present invention includes a cell stack formed by arranging and electrically connecting a plurality of columnar fuel cells having gas flow paths therein, and a lower end of the fuel cell. And a manifold for supplying a first reaction gas to the fuel cell, and burning the first reaction gas discharged from the gas flow path on the upper end side of the fuel cell. A fuel cell module in which a fuel cell stack device configured as described above is housed in a housing container, wherein the housing container has a double structure having an inner wall and an outer wall, and a space between the inner wall and the outer wall. A reaction gas flow path through which a second reaction gas flows, extends to the side surface side of the cell stack on the inner wall located at the top, and supplies the second reaction gas to the lower end side of the fuel cell Reaction of The reaction gas introduction member is collected by the reaction gas collection unit for collecting the second reaction gas flowing through the reaction gas flow path, and the reaction gas collection unit. And an introduction part for guiding the second reaction gas to the fuel battery cell.
このような燃料電池モジュールにおいては、反応ガス流路を流れた第2の反応ガスは、反応ガス収集部に収集された後(反応ガス収集部を流れた後)に導入部を流れて燃料電池セルに供給される。ここで、反応ガス収集部を燃料電池セルの上端に近づけて設けることにより、第2の反応ガスが反応ガス収集部を流れる間に収納容器内の熱と熱交換を行うことができ、第2の反応ガスの温度を上昇させることができる。それにより、温度が高い第2の反応ガスが燃料電池セルの下端部側に供給されることから、燃料電池セルの下端部側の温度が低下することを抑制する、もしくは燃料電池セルの下端部側の温度を上昇させることができ、燃料電池セルの上下方向における温度分布を均一に近づけることができる。 In such a fuel cell module, the second reaction gas that has flowed through the reaction gas flow path is collected in the reaction gas collection unit (after flowing through the reaction gas collection unit), and then flows through the introduction unit to the fuel cell. Supplied to the cell. Here, by providing the reaction gas collection unit close to the upper end of the fuel cell, heat exchange with the heat in the storage container can be performed while the second reaction gas flows through the reaction gas collection unit. The temperature of the reaction gas can be increased. Accordingly, since the second reactive gas having a high temperature is supplied to the lower end portion side of the fuel battery cell, the lowering of the temperature on the lower end portion side of the fuel battery cell is suppressed, or the lower end portion of the fuel battery cell Therefore, the temperature distribution in the vertical direction of the fuel cell can be made closer to uniform.
本発明の燃料電池モジュールは、内部にガス流路を有する柱状の燃料電池セルを複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの下端を固定するとともに前記燃料電池セルに第1の反応ガスを供給するためのマニホールドとを有し、前記ガス流路より排出される前記第1の反応ガスを前記燃料電池セルの上端部側で燃焼させるように構成してなる燃料電池セルスタック装置を収納容器に収納してなる燃料電池モジュールであって、前記収納容器は、内壁と外壁とを有する二重構造で前記内壁と前記外壁との間を第2の反応ガスが流通する反応ガス流路とし、前記内壁に前記セルスタックの側面側にまで延び、前記燃料電池セルスタックの前記燃料電池セルの下端部側に前記第2の反応ガスを供給するための反応ガス導入部材が設けられているとともに、該反応ガス導入部材は前記反応ガス流路を流れた前記第2の反応ガスを前記燃料電池セルへ導くための導入部を具備するとともに、該導入部に熱交換部材を具備することを特徴とする。 The fuel cell module of the present invention includes a cell stack formed by arranging and electrically connecting a plurality of columnar fuel cells having gas flow paths therein, and a lower end of the fuel cell. And a manifold for supplying a first reaction gas to the fuel cell, and burning the first reaction gas discharged from the gas flow path on the upper end side of the fuel cell. A fuel cell module in which a fuel cell stack device configured as described above is housed in a housing container, wherein the housing container has a double structure having an inner wall and an outer wall, and a space between the inner wall and the outer wall. A reaction gas flow path through which a second reaction gas flows is formed, extends to the side surface side of the cell stack on the inner wall, and supplies the second reaction gas to the lower end side of the fuel cell of the fuel cell stack. You And a reaction gas introduction member for providing the second reaction gas flowing through the reaction gas channel to the fuel cell, and a reaction gas introduction member for introducing the reaction gas introduction member to the fuel cell. The introduction part is provided with a heat exchange member.
このような燃料電池モジュールにおいては、反応ガス導入部材の導入部に熱交換部材を具備することから、第2の反応ガスが導入部を流れる間に、第2の反応ガスの温度を上昇させることができる。それにより、温度が高い第2の反応ガスが燃料電池セルの下端部に供給されることから、燃料電池セルの下端部側の温度が低下することを抑制する、もしくは燃料電池セルの下端部側の温度を上昇させることができ、燃料電池セルの上下方向における温度分布を均一に近づけることができる。 In such a fuel cell module, since the introduction part of the reaction gas introduction member is provided with a heat exchange member, the temperature of the second reaction gas can be increased while the second reaction gas flows through the introduction part. Can do. Accordingly, since the second reactive gas having a high temperature is supplied to the lower end portion of the fuel battery cell, the temperature on the lower end side of the fuel battery cell is prevented from decreasing, or the lower end side of the fuel battery cell Thus, the temperature distribution in the vertical direction of the fuel cell can be made closer to uniform.
本発明の燃料電池モジュールは、内部にガス流路を有する柱状の燃料電池セルを複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの下端を固定するとともに前記燃料電池セルに第1の反応ガスを供給するためのマニホールドとを有し、前記ガス流路より排出される前記第1の反応ガスを前記燃料電池セルの上端部側で燃焼させるように構成してなる燃料電池セルスタック装置を収納容器に収納してなる燃料電池モジュールであって、前記収納容器は、内壁と外壁とを有する二重構造で前記内壁と前記外壁との間を第2の反応ガスが流通する反応ガス流路とし、上部に位置する前記内壁に前記セルスタックの側面側にまで延び、前記燃料電池セルスタックの前記燃料電池セルの下端部側に前記第2の反応ガスを供給するための反応ガス導入部材が設けられているとともに、該反応ガス導入部材は、前記反応ガス流路を流れた前記第2の反応ガスを収集するための反応ガス収集部と、該反応ガス収集部により収集した前記第2の反応ガスを前記燃料電池セルへ導くための導入部とを具備するとともに、該導入部に熱交換部材を具備することを特徴とする。 The fuel cell module of the present invention includes a cell stack formed by arranging and electrically connecting a plurality of columnar fuel cells having gas flow paths therein, and a lower end of the fuel cell. And a manifold for supplying a first reaction gas to the fuel cell, and burning the first reaction gas discharged from the gas flow path on the upper end side of the fuel cell. A fuel cell module in which a fuel cell stack device configured as described above is housed in a housing container, wherein the housing container has a double structure having an inner wall and an outer wall, and a space between the inner wall and the outer wall. A reaction gas flow path through which a second reaction gas flows is formed, extends to the side surface side of the cell stack on the inner wall located at the upper portion, and the second battery cell on the lower end side of the fuel cell of the fuel cell stack. Anti A reaction gas introduction member for supplying a gas, the reaction gas introduction member comprising: a reaction gas collection unit for collecting the second reaction gas flowing through the reaction gas flow path; An introduction part for guiding the second reaction gas collected by the reaction gas collection part to the fuel cell, and a heat exchange member in the introduction part.
このような燃料電池モジュールにおいては、反応ガス流路を流れた第2の反応ガスは、反応ガス収集部に収集される間(反応ガス収集部を流れる間)に収納容器内の熱と熱交換を行うことができ、第2の反応ガスの温度を上昇させることができる。続いて、温度が上昇した第2の反応ガスは、熱交換部材を具備する導入部を流れることから、さらに第2の反応ガスの温度を上昇させることができる。それにより、より温度が高い第2の反応ガスが燃料電池セルの下端部に供給されることから、燃料電池セルの下端部側の温度が低下することをさらに抑制する、もしくは燃料電池セルの下端部側の温度をさらに上昇させることができ、燃料電池セルの上下方向における温度分布をより均一に近づけることができる。 In such a fuel cell module, the second reaction gas that has flowed through the reaction gas flow path exchanges heat with the heat in the storage container while being collected by the reaction gas collection unit (while flowing through the reaction gas collection unit). And the temperature of the second reaction gas can be increased. Subsequently, since the second reaction gas whose temperature has increased flows through the introduction portion including the heat exchange member, the temperature of the second reaction gas can be further increased. Accordingly, the second reaction gas having a higher temperature is supplied to the lower end portion of the fuel battery cell, so that the temperature on the lower end portion side of the fuel battery cell is further suppressed from decreasing, or the lower end of the fuel battery cell. The temperature on the part side can be further increased, and the temperature distribution in the vertical direction of the fuel cell can be made more uniform.
また、本発明の燃料電池モジュールは、前記収納容器は、前記燃料電池セルの配列方向に沿って形成された前記内壁に対して所定間隔を空けて排ガス用内壁が設けられ、前記内壁と前記排ガス用内壁とにより排ガス流路を形成するとともに、前記反応ガス流路のうち前記排ガス流路と隣接している部位および/または前記排ガス流路に第2の前記熱交換部材が設けられていることが好ましい。 Further, in the fuel cell module of the present invention, the storage container is provided with an exhaust gas inner wall at a predetermined interval with respect to the inner wall formed along the arrangement direction of the fuel cells, and the inner wall and the exhaust gas An exhaust gas flow path is formed by the inner wall, and a second heat exchange member is provided in the reaction gas flow path adjacent to the exhaust gas flow path and / or the exhaust gas flow path. Is preferred.
このような燃料電池モジュールにおいては、反応ガス流路のうち排ガス流路と隣接している部位および/または排ガス流路に第2の前記熱交換部材が設けられていることから、反応ガス流路を流れる第2の反応ガスと排ガス用内壁を流れる排ガスとで熱交換することができ、第2の反応ガスの温度を上昇させることができる。そして温度が上昇した第2の反応ガスは、反応ガス導入部材を流通する間にさらに温度が上昇する。それにより、より温度が高い第2の反応ガスが燃料電池セルの下端部に供給されることから、燃料電池セルの下端部側の温度が低下することをさらに抑制する、もしくは燃料電池セルの下端部側の温度をさらに上昇させることができ、燃料電池セルの上下方向における温度分布をより均一に近づけることができる。 In such a fuel cell module, since the second heat exchange member is provided in a portion of the reaction gas flow channel adjacent to the exhaust gas flow channel and / or the exhaust gas flow channel, the reaction gas flow channel is provided. Heat exchange can be performed between the second reaction gas flowing through the exhaust gas and the exhaust gas flowing through the inner wall for exhaust gas, and the temperature of the second reaction gas can be increased. Then, the temperature of the second reaction gas whose temperature has risen further increases while flowing through the reaction gas introduction member. Accordingly, the second reaction gas having a higher temperature is supplied to the lower end portion of the fuel battery cell, so that the temperature on the lower end portion side of the fuel battery cell is further suppressed from decreasing, or the lower end of the fuel battery cell. The temperature on the part side can be further increased, and the temperature distribution in the vertical direction of the fuel cell can be made more uniform.
本発明の燃料電池装置は、上記のうちいずれかに記載の燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなることを特徴とする。 A fuel cell device according to the present invention is characterized in that any one of the above fuel cell modules is housed in an outer case.
このような燃料電池装置においては、燃料電池セルの上下方向における温度分布をより均一化することができる燃料電池モジュールを収納してなることから、発電効率が向上した燃料電池装置とすることができる。 In such a fuel cell device, since the fuel cell module capable of making the temperature distribution in the vertical direction of the fuel cell more uniform can be accommodated, the fuel cell device with improved power generation efficiency can be obtained. .
本発明の燃料電池モジュールは、燃料電池セルの下端部側に第2の反応ガスを供給するための反応ガス導入部材が、第2の反応ガスを燃料電池セルへ導くための導入部を有するとともに、反応ガス流路を流れた第2の反応ガスを収集して導入部に供給するための反応ガス収集部および/または導入部に設けられる熱交換部材を具備することにより、燃料電池セルの下端部側に供給する第2の反応ガスの温度を上昇させることができる。それにより、燃料電池セルの下端部側の温度が低下することを抑制できる、もしくは燃料電池セルの下端部側の温度を上昇させることができ、燃料電池セルの上下方向における温度分布をより均一に近づけることができ、発電効率の向上した燃料電池モジュールとすることができる。さらには本発明の燃料電池モジュールを収納することにより、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。 In the fuel cell module of the present invention, the reaction gas introduction member for supplying the second reaction gas to the lower end side of the fuel cell has an introduction portion for guiding the second reaction gas to the fuel cell. A lower end of the fuel cell by providing a reaction gas collecting part for collecting the second reaction gas flowing through the reaction gas flow path and supplying it to the introduction part and / or a heat exchange member provided in the introduction part The temperature of the second reaction gas supplied to the section side can be increased. Thereby, it can suppress that the temperature of the lower end part side of a fuel cell falls, or the temperature of the lower end part side of a fuel cell can be raised, and the temperature distribution in the up-and-down direction of a fuel cell is made more uniform The fuel cell module can be made closer and the power generation efficiency is improved. Furthermore, by storing the fuel cell module of the present invention, a fuel cell device with improved power generation efficiency can be obtained.
図1は本発明の燃料電池モジュール1の一例を示す(以下、モジュールと略す場合がある)の外観斜視図であり、同一の構成については同一の符号を用いるものとする。
FIG. 1 is an external perspective view showing an example of a
モジュール1は、直方体状の収納容器7の内部に、複数の燃料電池セル2を立設させた状態で所定間隔をおいて配列し、隣接する燃料電池セル2間に集電部材(図示せず)を介して電気的に直列に接続してセルスタック4を構成するとともに、燃料電池セル2の下端をガラスシール材等の絶縁性接合材(図示せず)でマニホールド3に固定してなる燃料電池セルスタック装置5を収納容器7に収納して構成されている。
The
なお図1においては、燃料電池セル2として、内部を第1の反応ガスである水素含有ガス(燃料ガス)が長手方向に流通するガス流路を有する中空平板型で、支持体の表面に、燃料側電極層、固体電解質および酸素側電極層を順に設けてなる固体酸化物形燃料電池セル2を例示している。なお以降の説明において、特に断らない限り、第1の反応ガスを水素含有ガス(燃料ガス)、第2の反応ガスを酸素含有ガスとした場合の燃料電池セル2(燃料電池モジュール1)を用いて説明する。
In FIG. 1, the
また図1においては、燃料電池セル2の発電で使用する燃料ガスを得るために、天然ガスや灯油等の燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器6をセルスタック4(燃料電池セル2)の上方に配置している。そして、改質器6で生成された燃料ガスは、ガス流通管によりマニホールド3に供給され、マニホールド3を介して燃料電池セル2の内部に設けられたガス流路に供給される。なお、燃料電池セルスタック装置5を改質器6を含むものとしてもよい。
In FIG. 1, in order to obtain a fuel gas used in power generation of the
なお、図1においては、収納容器7の一部(前後面)を取り外し、内部に収納される燃料電池セルスタック装置5を後方に取り出した状態を示している。ここで、図1に示したモジュール1においては、燃料電池セルスタック装置5を、収納容器7内にスライドして収納することが可能である。
FIG. 1 shows a state in which a part (front and rear surfaces) of the
図2は、図1で示すモジュール1の断面図である。モジュール1を構成する収納容器7は、内壁8と外壁9を有する二重構造で、外壁9により収納容器7の外枠が形成されるとともに、内壁8によりセルスタック4(燃料電池セルスタック装置5)を収納する発電室10が形成されている。さらにモジュール1(収納容器7)においては、内壁8と外壁9との間を、燃料電池セル2に導入する第2の反応ガス(酸素含有ガス)が流通する反応ガス流路としている。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the
ここで内壁8には、内壁8の上面よりセルスタック4の側面側にまで延び、セルスタック4の配列方向における幅に対応し、内壁8と外壁9とで形成される流路に通じて、セルスタック4に酸素含有ガスを導入するための反応ガス導入部材11が備えられている。なお反応ガス導入部材11の構成によっては、反応ガス導入部材11を内壁8の側面よりセルスタック4の側面側までに延びる構成としてもよい。また、反応ガス導入部材11の下端部側(燃料電池セル2の下端部側)には、燃料電池セル2に酸素含有ガスを供給するための吹出口20が設けられている。なお、反応ガス導入部材11の形状については後に詳述する。
Here, the
また反応ガス導入部材11の内部には、温度センサ14の測温部16が位置するよう、温度センサ14が収納容器7の上面側より挿入されている。なお、温度センサ14としては、例えば熱電対を用いることができる。なお温度センサ14は、測温部16がセルスタック4の最も高い温度となる中央部側(セルスタック4の配列方向の中央部で、かつ燃料電池セル2の長手方向における中央部に位置する部位)を測定できるように配置することが好ましい。それにより、セルスタック4の温度管理を行なうことができる。
Further, the
また発電室10内には、モジュール1内の熱が極端に放散され、燃料電池セル2(セルスタック4)の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール1内の温度を高温に維持するための断熱材17が適宜設けられている。
Further, in the
なお断熱材17は、セルスタック4の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル2の配列方向に沿ってセルスタック4の側面側に並設するとともに、セルスタック4の側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱材17を並設することが好ましい。なお、好ましくは、断熱材17はセルスタック4の両側面側に並設することが好ましい。それにより、セルスタック4の温度が低下することを効果的に抑制できる。さらには、反応ガス導入部材11より供給される酸素含有ガスが、セルスタック4の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック4を構成する燃料電池セル2間の反応ガスの流れを促進することができる。
The
また、内壁8により形成される底面(内部底面)および燃料電池セル2の配列方向に沿って形成された側面(内部側面)に対して所定間隔を空けて併設された排ガス用内壁18により排ガス流路が形成され、さらに収納容器7の底に設けられた排気孔19と排ガス流路が通じている。
Further, the exhaust gas flow is caused by the exhaust gas
それにより、燃料電池装置1の稼動(起動処理時、発電時、停止処理時)に伴って生じる排ガスは、排ガス流路を流れた後、排気孔19より排気される構成となっている。なお、排気孔19は収納容器7の底の一部を切り欠くようにして形成してもよく、また管状の部材を設けることにより形成してもよい。
Thereby, the exhaust gas generated with the operation of the fuel cell device 1 (during start-up processing, power generation, and stop processing) flows through the exhaust gas passage and is then exhausted from the
ところで、上記特許文献1に記載されたような、マニホールド3より供給される第1の反応ガス(燃料ガス)が、燃料電池セル2の内部に設けられたガス流路を下端より上端に向けて流れるとともに、燃料電池セル2の上端部側で余剰の第1の反応ガス(燃料ガス)と第2の反応ガス(酸素含有ガス)とを燃焼させるタイプの燃料電池セルスタック装置5を収納する燃料電池モジュールにおいては、各燃料電池セルの上端部側の温度が高く、下端部側の温度が低いという不均一な温度分布を生じる場合がある。
By the way, as described in
さらに、マニホールド3より供給される第1の反応ガス(燃料ガス)を、内部に設けられたガス流路を下端より上端に向けて流す燃料電池セルにおいては、第1の反応ガスと同様、第2の反応ガス(酸素含有ガス(空気等))も燃料電池セル2の下端部側より上端部側に向けて流すことが好ましい。しかしながら、温度の低い第2の反応ガス(酸素含有ガス)が燃料電池セル2の下端部側に供給される場合には、燃料電池セル2の下端部側の温度が低下し、燃料電池セル2の上下方向においてさらに不均一な温度分布を生じる場合がる。
Furthermore, in the fuel battery cell in which the first reaction gas (fuel gas) supplied from the
ここで、燃料電池セル2の上下方向における温度分布が不均一となった場合に、燃料電池セルの発電効率が低下するおそれがある。
Here, when the temperature distribution in the vertical direction of the
それゆえ、本発明においては、燃料電池セル2に供給される第2の反応ガスの温度を上昇させることにより、燃料電池セル2の下端部側の温度低下を抑制し、もしくは燃料池セル2の下端部側の温度を上昇させ、燃料電池セル2の上下方向における温度分布を均一に近づけることを目的とする。
Therefore, in the present invention, by increasing the temperature of the second reaction gas supplied to the
図3は、図2に示した反応ガス導入部材11を抜粋して示した外観斜視図である。図3に示した反応ガス導入部材11は、反応ガス流路を流れた第2の反応ガス(酸素含有ガス)を収集するための反応ガス収集部12と、反応ガス収集部12により収集した第2の反応ガスを燃料電池セル2へ導くための導入部13とから構成されている。すなわち、反応ガス流路を流れた第2の反応ガスは、反応ガス収集部12に収集された後(反応ガス収集部12を流れた後)に導入部13の内部を流れて、燃料電池セル2の下端側に配置される吹出口15(図2参照)より燃料電池セル2に供給される。
FIG. 3 is an external perspective view showing the extracted reactive
ここで、燃料電池セル2の上端部側で余剰の第1の反応ガス(燃料ガス)と第2の反応ガス(酸素含有ガス)とを燃焼させるタイプの燃料電池セルスタック装置5を収納容器7内に収納する燃料電池モジュールにおいては、発電室10における燃料電池セル2の上端部近傍の温度が高温となる。それゆえ、反応ガス収集部12を燃料電池セル2の上端に近づけて設ける、すなわち反応ガス収集部12の底面を燃料電池セル2の上端に近づけるようにして設けることにより、反応ガス流路を流れて反応ガス収集部12に流れる酸素含有ガス(第2の反応ガス)は、反応ガス収集部12(特には底面側)により収集される間(反応ガス収集部12を流れる間)に発電室10の熱と効率よく熱交換を行うことができ、酸素含有ガスの温度を上昇させることができる。
Here, the fuel
それにより、温度の高い酸素含有ガスが吹出口15より燃料電池セル2の下端部に供給されることとなり、燃料電池セル2の下端部側の温度が低下することを抑制する、もしくは燃料電池セル2の下端部側の温度を上昇させることができ、燃料電池セル2の上下方向における温度分布を均一に近づけることができる。
As a result, a high-temperature oxygen-containing gas is supplied from the
なお、反応ガス収集部12の底面は、改質器6や排ガスの流れに影響を及ぼさない範囲で、燃料電池セル2の上端側に近づけることが好ましく、例えば、改質器6に接触して配置することも可能である。
The bottom surface of the reaction
なお図2においては、反応ガス導入部材11の導入部13が、収納容器7の内部に横並びに並置された2つのセルスタック4(燃料電池セルスタック装置5)間に位置するように配置されているが、セルスタック4(燃料電池セルスタック装置5)の数により、例えば導入部材13をセルスタック4の両側面側から挟み込むように反応ガス導入部材11を配置してもよく、その際、反応ガス収集部12より複数の導入部13が設けられている形状としてもよい。
In FIG. 2, the
また導入部13は、セルスタック4を構成する各燃料電池セル2に効率よく酸素含有ガスを供給するため、セルスタック4の配列方向における幅と同等もしくはそれ以上の長さとするように構成することが好ましい。以降においても同様である。
Further, in order to efficiently supply the oxygen-containing gas to each
なお、反応ガス導入部材11に近接して配置する断熱材17の下端側には、酸素含有ガス(第2の反応ガス)を燃料電池セル2の下端部側に供給するための切り欠き部を有していることが好ましい。
A notch for supplying an oxygen-containing gas (second reaction gas) to the lower end side of the
図4は、図2に示した燃料電池モジュール1における反応ガス導入部材11において、導入部13に熱交換部材20を有する場合の燃料電池モジュール1の断面図(熱交換部材20は省略)を示したものであり、図5は図4における反応ガス導入部材11を抜粋して示した外観斜視図である。なお、図4および図5において示した反応ガス導入部材11は、上述した反応ガス収集部12を有していない場合を示している。
FIG. 4 shows a cross-sectional view of the
図5において、反応ガス導入部材11は導入部13に熱交換部材20を具備する。それにより、反応ガス流路を流れて導入部13に流通する第2の反応ガス(酸素含有ガス)は、導入部13を流れる間に発電室10の熱とで熱交換を行うことができ、吹出口15より供給される酸素含有ガスの温度を上昇させることができる。
In FIG. 5, the reaction
それにより、温度の高い酸素含有ガスが吹出口15より燃料電池セル2の下端部側に供給されることから、燃料電池セル2の下端部側の温度が低下することを抑制する、もしくは燃料電池セル2の下端部側の温度を上昇させることができ、燃料電池セル2の上下方向における温度分布を均一に近づけることができる。
As a result, a high-temperature oxygen-containing gas is supplied from the
なお熱交換部材20は、導入部13を流れる酸素含有ガス(第2の反応ガス)が発電室10の熱とで効率よく熱交換することができればよく、例えば図6(a)に示した山折プレート型熱交換部材20、(b)に示した両面ディンプル型熱交換部材21((b)においては側面図を示す)の他、波型プレート型熱交換部材や、片面ディンプル型熱交換部材、さらには板状の部材の一部を切り欠いた形状等の熱交換部材を適宜使用することができる。
The
図7は、本発明の反応ガス導入部材11の他の態様を示す外観斜視図であり、図7に示した反応ガス導入部材11においては、上述した反応ガス収集部12および熱交換部材20の両方を備えている。
FIG. 7 is an external perspective view showing another embodiment of the reaction
それにより、反応ガス流路を流れた第2の反応ガス(酸素含有ガス)は、反応ガス収集部12に収集される間(反応ガス収集部12を流れる間)に発電室10の熱と効率よく熱交換を行うことで温度が上昇し、その温度が上昇した酸素含有ガスは、続いて導入部13を流れる間に熱交換部材20によりさらに温度が上昇することとなる。
Thereby, the second reaction gas (oxygen-containing gas) that has flowed through the reaction gas flow path is collected by the reaction gas collection unit 12 (while flowing through the reaction gas collection unit 12), and the heat and efficiency of the
それにより、燃料電池セル2の下端部側に温度の高い酸素含有ガスが供給されることから、燃料電池セル2の下端部側の温度が低下することをさらに抑制する、もしくは燃料電池セル2の下端部側の温度をさらに上昇させることができ、燃料電池セル2の上下方向における温度分布をさらに均一に近づけることができる。
As a result, the oxygen-containing gas having a high temperature is supplied to the lower end portion side of the
また、吹出口15より燃料電池セル2の下端部側に供給される酸素含有ガスの温度を上昇させるにあたり、図2もしくは図4に示した収納容器7においては、反応ガス流路のうち排ガス流路と隣接している部位および/または内壁8に対して所定間隔を空けて排ガス用内壁18により形成される排ガス流路内に、第2の熱交換部材を設けることもできる。ここで、第2の熱交換部材を設けるにあたっては、熱交換部材を反応ガス流路のうち排ガス流路と隣接している部位にのみ設けてもよく、また排ガス流路にのみ設けてもよいが、より効率よく反応ガス流路を流れる酸素含有ガス(第2の反応ガス)の温度を上昇させるにあたっては、両者に熱交換部材を設けることが好ましい。
Further, in raising the temperature of the oxygen-containing gas supplied from the
それにより、第2の反応ガス(酸素含有ガス)は、反応ガス流路を流れる間に温度が上昇し、その温度が上昇した酸素含有ガスは、反応ガス収集部12や導入部13を流れる間にさらに温度が上昇することとなる。それにより、燃料電池セル2の下端部側の温度が低下することをさらに抑制する、もしくは燃料電池セル2の下端部側の温度をさらに上昇させることができ、燃料電池セル2の上下方向における温度分布をさらに均一に近づけることができる。なお、第2の熱交換部材としては、反応ガス流路を流れる第2の反応ガスと排ガス流路を流れる排ガスとで熱交換を行うことができれば特に制限はなく、例えば、反応ガス導入部材11の導入部13内に設けることができる熱交換部材(図6に示した熱交換部材)とすることもできる。
Thereby, the temperature of the second reaction gas (oxygen-containing gas) rises while flowing through the reaction gas flow path, and the oxygen-containing gas whose temperature has risen flows through the reaction
そして、上述したような燃料電池モジュール1を外装ケース内に収納することにより、本発明の燃料電池装置が構成される。それにより、燃料電池セル2の上下方向における温度分布をより均一化することができる燃料電池モジュール1を収納してなることから、発電効率が向上した燃料電池装置とすることができる。
And the fuel cell apparatus of this invention is comprised by accommodating the
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。 Although the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and improvements can be made without departing from the scope of the present invention.
例えば、上述の説明においては、燃料電池セル2の内部にマニホールド3を介して供給する第1の反応ガスとして燃料ガスを用い、燃料電池セル2の下端部側より供給する第2の反応ガスとして酸素含有ガスを用いる例を示して説明したが、第1の反応ガスを酸素含有ガスとし、第2の反応ガスを燃料ガスとすることもできる。この場合においても、燃料電池セル2の上端側で余剰の燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させることで、燃料電池セル2の下端部側の温度が低く上端部側の温度が高くなるほか、温度の低い酸素含有ガスが燃料電池セル2の内部に設けられたガス流路を下端側より上端側に向けて流れることから、燃料電池セル2の上下方向における温度分布が不均一となるおそれがある。それゆえ、第1の反応ガスを酸素含有ガスとし、第2の反応ガスを燃料ガスとする場合においても、燃料電池セル2の下端部側の温度を上昇することができ、燃料電池セル2の上下方向における温度分布を均一に近づけることができ、発電効率が向上した燃料電池モジュールもしくは燃料電池装置とすることができる。
For example, in the above description, the fuel gas is used as the first reaction gas supplied to the inside of the
1:燃料電池モジュール
2:燃料電池セル
3:マニホールド
7:収納容器
11:反応ガス導入部材
12:反応ガス収集部
13:導入部
15:吹出口
20、21:熱交換部材
1: Fuel cell module 2: Fuel cell 3: Manifold 7: Storage container 11: Reaction gas introduction member 12: Reaction gas collection part 13: Introduction part 15:
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