KR20180027586A - 연료 전지 모듈 및 연료 전지 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 연료 전지 모듈은 수납 용기와, 셀 스택과, 개질기와, 산소 함유 가스 공급부를 구비한다. 셀 스택은 복수의 기둥 형상의 연료 전지 셀이 미리 정하는 배열방향을 따라 형성되어 있고, 수납 용기 내에 수납되어 있다. 개질기는 수납 용기 내의 셀 스택의 상방에 배치되고 연료 전지 셀에 공급되는 연료 가스를 생성한다. 산소 함유 가스 공급부는 연료 전지 셀의 배열방향을 따라 셀 스택 및 개질기에 대향해서 배치되고, 연료 전지 셀에 공급되는 산소 함유 가스가 상방으로부터 하방을 향해 흐르는 가스 유로를 갖는다. 또한, 산소 함유 가스 공급부는 가스 유로가 제 1 영역과, 상기 제 1 영역보다 산소 함유 가스가 흐르는 방향 및 연료 전지 셀의 배열방향에 수직인 방향의 유로폭이 넓은 제 2 영역을 갖는다.

Description

연료 전지 모듈 및 연료 전지 장치
본 발명은 연료 전지 모듈 및 연료 전지 장치에 관한 것이다.
최근 차세대 에너지로서 셀의 1종인 연료 전지 셀을 복수개 배열해서 이루어지는 셀 스택을 구비하는 셀 스택 장치를 수납 용기 내에 수납해서 이루어지는 연료 전지 모듈이 여러가지 제안되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
상기 수납 용기에 있어서는 연료 전지 셀에 공급하는 연료 가스를 생성하는 개질기, 연료 전지 셀에 산소 함유 가스를 공급하기 위한 유로, 및 연료 전지 셀로부터 배출되는 배기가스를 수납 용기의 외부로 배출하기 위한 유로가 형성되어 있다.
일본특허공개 2007-59377호 공보
본 개시의 연료 전지 모듈은 수납 용기와, 셀 스택과, 개질기와, 산소 함유 가스 공급부를 구비하고 있다. 상기 셀 스택은 복수의 기둥 형상의 연료 전지 셀이 미리 정하는 배열방향을 따라 형성되어 있고, 상기 수납 용기 내에 수납되어 있다. 상기 개질기는 상기 수납 용기 내의 상기 셀 스택의 상방에 배치되고, 상기 연료 전지 셀에 공급되는 연료 가스를 생성한다. 상기 산소 함유 가스 공급부는 상기 연료 전지 셀의 배열방향을 따라 상기 셀 스택 및 상기 개질기에 대향해서 배치되고, 상기 연료 전지 셀에 공급되는 산소 함유 가스가 상방으로부터 하방을 향해 흐르는 가스 유로를 갖는다. 또한, 상기 산소 함유 가스 공급부는 상기 가스 유로가 제 1 영역과, 상기 제 1 영역보다 산소 함유 가스가 흐르는 방향 및 상기 연료 전지 셀의 배열방향에 수직인 방향의 유로폭이 넓은 제 2 영역을 갖는다.
본 개시의 연료 전지 장치는 상기 연료 전지 모듈과, 상기 연료 전지 모듈을 수납하는 외장 케이스를 포함한다.
본 발명의 목적, 특색, 및 이점은 하기의 상세한 설명과 도면으로부터 보다 명확해질 것이다.
도 1은 본 실시형태의 연료 전지 모듈에 수납되는 셀 스택 장치의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 셀 스택 장치를 나타내고, 도 2a는 측면도, 도 2b는 도 2a의 일부를 발췌해서 상방으로부터 본 확대 단면도이다.
도 3은 본 실시형태의 연료 전지 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3에 나타내는 연료 전지 모듈의 단면도이다.
도 5는 다른 실시형태의 연료 전지 모듈을 나타내는 단면도이다.
도 6은 도 5에 나타내는 연료 전지 모듈에 수납된 개질기를 발췌해서 나타내고, 도 6a는 사시도, 도 6b는 평면도이다.
도 7은 본 실시형태의 셀 스택 장치의 상방에 도 6a, 6B에 나타내는 개질기를 구비하는 구성의 일례를 나타내는 측면도이다.
도 8은 다른 실시형태의 연료 전지 모듈을 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 실시형태의 연료 전지 모듈의 배기가스 회수부의 저면을 일부 발췌해서 나타내는 평면도이다.
도 10은 본 실시형태의 연료 전지 장치의 일례를 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
이하, 도면을 참고로 해서 본 실시형태의 연료 전지 모듈 및 연료 전지 장치 에 대해 설명한다. 또한, 다른 도면 중의 공통의 구성 요소에 대해서는 동일 부호를 부여하는 것으로 한다.
도 1은 본 실시형태의 일례의 연료 전지 모듈을 구성하는 셀 스택 장치의 일례를 나타내는 외관 사시도이며, 도 2는 도 1에 나타내는 셀 스택 장치를 나타내고, 도 2a는 측면도, 도 2b는 도 2a의 일부를 발췌해서 상방으로부터 본 확대 단면도이다.
도 1, 도 2a, 도 2b에 나타내는 셀 스택 장치(1)에 있어서는 셀 스택(2)이 2개 병치되어 있다. 셀 스택(2)은 내부를 연료 가스가 일단으로부터 타단으로 유통되는 가스 유로(15)를 갖는 연료 전지 셀(3)을 세워 설치시킨 상태에서 일렬로 배열(도 1에서 나타내는 X 방향)되어 있다. 또한, 인접하는 연료 전지 셀(3) 사이를 도전 부재(6)를 통해 전기적으로 직렬로 접속되어 있다. 또한, 연료 전지 셀(3)의 하단을 절연성 접착재(9)로 매니폴드(4)에 고정해서 이루어지는 셀 스택(2)을 2개 구비하고 있다.
또한, 도 1 및 도 2a, 도 2b에 있어서는 연료 전지 셀(3)로서 내부를 연료 가스가 길이방향으로 유통되는 가스 유로(15)를 복수 갖는 중공 평판형이며, 가스 유로(15)를 갖는 지지체의 표면에 연료극층, 고체 전해질층 및 산소극층을 순서대로 적층해서 이루어지는 고체 산화물형의 연료 전지 셀(3)을 예시하고 있다. 또한, 연료 전지 셀(3) 사이에 산소 함유 가스가 유통된다. 연료 전지 셀(3)의 구성에 대해서는 후술한다. 또한, 본 실시형태의 연료 전지 장치에 있어서는 연료 전지 셀(3)은 예를 들면, 평판형이나 원통형으로 할 수도 있고, 아울러 셀 스택 장치(1)의 형상도 적당히 변경할 수 있다.
또한, 셀 스택(2)의 가장 외측에 위치하는 연료 전지 셀(3)에 도전 부재(6)를 통해 전기적으로 접속된 셀 스택 지지 부재(이하, 「스택 지지 부재」로 약기하는 경우가 있다)(7)가 배치되어 있다. 스택 지지 부재(7)의 외측에는 보호 커버를 설치할 수도 있다. 보호 커버는 셀 스택(2)의 주위에 배치된 단열재와의 접촉이나 외부로부터의 충격에 대해 스택 지지 부재(7) 및 셀 스택(2)을 보호한다. 또한, 스택 지지 부재(7)에는 셀 스택(2)의 외측으로 돌출되는 전류 인출부(8)가 접속되어 있다.
또한, 도 1 및 도 2a, 도 2b에 있어서는 셀 스택 장치(1)가 2개의 셀 스택(2)을 구비하고 있는 경우를 나타내고 있지만 적당히 그 개수는 변경할 수 있다. 예를 들면, 셀 스택 장치(1)는 셀 스택(2)을 1개만 구비하고 있어도 좋다. 또한, 셀 스택 장치(1)는 후술하는 개질기를 포함하는 것으로 할 수도 있다.
또한, 매니폴드(4)는 연료 전지 셀(3)에 공급하는 연료 가스를 저류하고, 개구부를 상면에 갖는 가스 케이스와, 내측에 연료 전지 셀(3)을 고정함과 아울러 가스 케이스에 고정되는 프레임체를 구비하고 있다.
연료 전지 셀(3)의 일단부(도 2a의 하단부)는 프레임체로 둘러싸여 있고, 프레임체의 내측에 충전된 절연성 접착재(9)로 연료 전지 셀(3)의 하단부의 외주가 고정되어 있다. 즉, 셀 스택(2)은 프레임체의 내측에 복수의 연료 전지 셀(3)을 나란하게 하여 수용하고, 절연성 접착재(9)로 프레임체에 접착되어 있다. 또한, 절연성 접착재(9)는 유리 등의 재료로 이루어지고, 열팽창계수를 가미해서 소정의 필러를 첨가한 것을 사용할 수 있다.
또한, 매니폴드(4)의 상면에는 후술하는 개질기에 의해 생성된 연료 가스가 유통되는 가스 유로관(5)이 접속되어 있다. 연료 가스는 가스 유로관(5)을 통해 매니폴드(4)에 공급되고, 매니폴드(4)로부터 연료 전지 셀(3)의 내부에 형성된 가스 유로(15)에 공급된다.
여기서, 연료 전지 셀(3)은 도 2b에 나타내는 바와 같이 한 쌍의 대향하는 평탄면을 갖는 기둥 형상의 도전성 지지체(이하, 「지지체」로 약기하는 경우가 있다)(14)의 한쪽의 평탄면 상에 연료측 전극층(10), 고체 전해질층(11) 및 공기측 전극층(12)을 순차 적층해서 이루어지는 기둥 형상(중공 평판상 등)으로 이루어진다. 또한, 연료 전지 셀(3)의 다른 쪽의 평탄면 상에는 인터커넥터(13)가 설치되어 있고, 인터커넥터(13)의 외면(상면)에는 P형 반도체층(16)이 형성되어 있다. P형 반도체층(16)을 통해 도전 부재(6)를 인터커넥터(13)에 접속시킴으로써 양자의 접촉이 옴 접촉이 되고, 전위 강하를 적게 하여 집전 성능의 저하를 유효하게 회피하는 것이 가능해진다. 또한, 도 1에서는 도전 부재(6), 스택 지지 부재(7)의 기재를 생략하고 있다. 또한, 지지체(14)는 연료측 전극층(10)을 겸하는 것으로 하고 그 표면에 고체 전해질층(11) 및 공기측 전극층(12)을 순차 적층해서 셀을 구성할 수도 있다.
연료측 전극층(10)은 일반적으로 공지의 것을 사용할 수 있고, 다공질의 도전성 세라믹스, 예를 들면 희토류 원소 산화물이 고용된 ZrO2(안정화 지르코니아라고 칭하고, 부분 안정화도 포함하는 것으로 한다)와 Ni 및/또는 NiO로 형성할 수 있다.
고체 전해질층(11)은 연료측 전극층(10) 및 공기측 전극층(12) 사이의 전자의 중개를 하는 전해질로서의 기능을 갖고 있음과 동시에 연료 가스와 산소 함유 가스의 리크를 방지하기 위해서 가스 차단성을 갖는 것이 필요로 되고, 3~15몰%의 희토류 원소 산화물이 고용된 ZrO2로 형성된다. 또한, 상기 특성을 갖는 한에 있어서는 다른 재료 등을 이용하여 형성해도 좋다.
공기측 전극층(12)은 일반적으로 사용되는 것이면 특별히 제한은 없고, 예를 들면 소위 ABO3형의 페로브스카이트형 산화물로 이루어지는 도전성 세라믹스로 형성할 수 있다. 공기측 전극층(12)은 가스 투과성을 갖고 있는 것이 필요하며, 개기공률을 20% 이상, 특히 30~50%의 범위로 할 수 있다.
지지체(14)로서는 연료 가스를 연료측 전극층(10)까지 투과시키기 위해서 가스 투과성을 갖고 있고, 또한 인터커넥터(13)를 통해 도전시키기 위해서 도전성을 갖고 있다. 따라서, 지지체(14)로서는 도전성 세라믹스나 서멧 등을 사용할 수 있다. 연료 전지 셀(3)을 제작함에 있어서 연료측 전극층(10) 또는 고체 전해질층(11)의 동시 소성에 의해 지지체(14)를 제작하는 경우에 있어서는 철족 금속 성분과 특정 희토류 산화물로 지지체(14)를 형성해도 좋다. 또한, 도 2b에 나타낸 연료 전지 셀(3)에 있어서 기둥 형상(중공 평판상)의 지지체(14)는 입설방향(도 1에 나타내는 Y 방향)으로 가늘고 길게 연장되는 판상편이며, 평탄한 양면과 반원 형상의 양측면을 갖는다. 또한, 지지체(14)는 가스 투과성을 구비하기 때문에 개기공률이 30% 이상, 특히 35~50%의 범위에 있는 것이 바람직하며, 그리고 또한 그 도전율은 300S/㎝ 이상, 특히 440S/㎝ 이상으로 할 수 있다. 또한, 지지체(14)의 형상은 기둥 형상이면 좋고 원통 형상이어도 좋다.
P형 반도체층(16)으로서는 전이금속 페로브스카이트형 산화물로 이루어지는 층을 예시할 수 있다. 구체적으로는 인터커넥터(13)를 구성하는 재료보다 전자 전도성이 큰 것, 예를 들면, B 사이트에 Mn, Fe, Co 등이 존재하는 LaMnO3계 산화물, LaFeO3계 산화물, LaCoO3계 산화물 등 중 적어도 1종으로 이루어지는 P형 반도체 세라믹스를 사용할 수 있다. 이러한 P형 반도체층(16)의 두께는 일반적으로 30~100㎛의 범위로 할 수 있다.
인터커넥터(13)는 상술한 바와 같이 란탄 크로마이트계의 페로브스카이트형 산화물(LaCrO3계 산화물) 또는 란탄 스트론튬티탄계의 페로브스카이트형 산화물(LaSrTiO3계 산화물)을 사용할 수 있다. 이들의 재료는 도전성을 갖고, 또한 연료 가스(수소 함유 가스) 및 산소 함유 가스(공기 등)와 접촉해도 환원도 산화도 되지 않는다. 또한, 인터커넥터(13)는 지지체(14)에 형성된 가스 유로(15)를 유통하는 연료 가스 및 지지체(14)의 외측을 유통하는 산소 함유 가스의 리크를 방지하기 위해서 치밀질이면 좋고 93% 이상, 특히 95% 이상의 상대 밀도를 가질 수 있다.
그리고, 연료 전지 셀(3)을 전기적으로 접속하기 위해서 개재 장착되는 도전 부재(6) 및 스택 지지 부재(7)는 탄성을 갖는 금속 또는 합금으로 이루어지는 부재 또는 금속 섬유 또는 합금 섬유로 이루어지는 펠트에 소요의 표면 처리를 더한 부재로 구성할 수 있다.
도 3은 본 실시형태의 셀 스택 장치를 구비하여 이루어지는 연료 전지 모듈의 일례를 나타내는 외관 사시도이며, 도 4는 도 3에 나타내는 연료 전지 모듈의 단면도이다.
도 3에 나타내는 연료 전지 모듈(17)에 있어서는 수납 용기(19)의 내부에 본 실시형태의 셀 스택 장치(1)가 수납되어 있다. 또한, 셀 스택 장치(1)의 상방에는 연료 전지 셀(3)에 공급하는 연료 가스를 생성하기 위한 개질기(20)가 배치되어 있다.
또한, 도 3에 나타내는 개질기(20)는 원연료 공급관(23)을 통해 공급되는 천연 가스 또는 등유 등의 원연료를 개질해서 연료 가스를 생성한다. 또한, 개질기(20)는 개질 효율이 좋은 개질 반응인 수증기 개질을 행할 수 있다. 개질기(20)는 물을 기화시키기 위한 기화부(21)와, 원연료를 연료 가스로 개질하기 위한 개질 촉매(도시하지 않음)가 배치된 개질부(22)를 구비하고 있다.
또한, 도 3에 있어서는 수납 용기(19)의 일부(전후면)를 떼어내고 내부에 수납되는 셀 스택 장치(1)를 후방으로 인출한 상태를 나타내고 있다. 여기서, 도 3에 나타낸 연료 전지 모듈(17)에 있어서는 셀 스택 장치(1)를 수납 용기(19) 내에 슬라이딩해서 수납하는 것이 가능하다.
또한, 수납 용기(19)의 내부에는 산소 함유 가스 공급 부재(24)가 배치되어 있다. 산소 함유 가스 공급 부재(24)는 매니폴드(4) 상에 병치된 셀 스택(2) 사이에 배치되고, 산소 함유 가스가 연료 전지 셀(3) 사이를 하단부로부터 상단부를 향해 흐른다.
도 4에 나타내는 바와 같이 연료 전지 모듈(17)을 구성하는 수납 용기(19)는 내벽(25)과 외벽(26)을 갖는 이중 구조이며, 외벽(26)에 의해 수납 용기(19)의 외측 프레임이 형성됨과 아울러 내벽(25)에 의해 셀 스택 장치(1)를 수납하는 수납실(27)이 형성되어 있다.
여기서, 수납 용기(19)는 외부로부터 도입되는 산소 함유 가스를 수납실(27)에 도입하기 위한 산소 함유 가스 도입부(28)를 구비하고 있다. 산소 함유 가스 도입부(28)에 도입된 산소 함유 가스는 수납실(27)의 측방에 있어서의 내벽(25)과 외벽(26)에 의해 형성되고, 산소 함유 가스 도입부(28)와 연결되는 산소 함유 가스 유통부(29)을 상방을 향해 흐른다. 산소 함유 가스는 계속해서 수납실(27)의 상방에 있어서의 내벽(25)과 외벽(26)에 의해 형성되고, 산소 함유 가스 유통부(29)와 연결되는 산소 함유 가스 분배부(30)를 흐른다. 그리고, 산소 함유 가스 분배부(30)에는 가스 공급부인 산소 함유 가스 공급 부재(24)가 내벽(25)을 관통해서 삽입되어서 고정되어 있다. 산소 함유 가스 공급 부재(24)는 상단측에 산소 함유 가스가 유입되기 위한 산소 함유 가스 유입구(도시하지 않음)와 플랜지부(31)를 구비하고, 하단부에 연료 전지 셀(3)의 하단부에 산소 함유 가스를 도입하기 위한 산소 함유 가스 유출구(32)가 형성되어 있다. 그것에 의해 산소 함유 가스 분배부(30)와 산소 함유 가스 공급 부재(24)가 연결되어 있다. 또한, 플랜지부(31)와 내벽(25) 사이에는 단열 부재(33)가 배치되어 있다.
여기서, 개질기와 산소 함유 가스 공급 부재의 열 교환에 의해 개질기의 온도가 저하해 버릴 우려가 있다. 이렇게 개질기의 온도가 저하했을 경우, 개질기에 있어서의 개질 효율이 저하할 우려가 있고, 나아가서는 발전 효율이 저하하는 경우가 있다.
그래서, 본 실시형태의 연료 전지 모듈(17)에 있어서는 산소 함유 가스 공급 부재(24)는 가스 유로가 제 1 영역과, 상기 제 1 영역보다 산소 함유 가스가 흐르는 방향 및 연료 전지 셀의 배열방향에 수직인 방향의 유로폭이 넓은 제 2 영역을 갖고 있다. 구체적으로는 산소 함유 가스 공급 부재(24)는 2개의 연료 전지 셀(3) 사이에 배치되고, 가스 유로의 제 1 영역을 구성하는 제 1 공급 부분(24a)과, 개질기(20)와 대향하는 부분 사이에 형성되고, 제 1 공급 부분(24a)에 동일축선 상에서 늘어서 있고, 상단에 상술의 플랜지부(31)가 형성되어서 가스 유로의 제 2 영역을 구성하는 제 2 공급 부분(24b)을 갖는다. 제 1 공급 부분(24a)은 산소 함유 가스가 흐르는 방향 및 연료 전지 셀(3)의 배열방향에 수직인 방향(도 4의 좌우방향)에 유로폭(W4)을 갖는다. 제 2 공급 부분(24b)은 제 1 공급 부분(24a)의 유로폭(W4)보다 넓은 유로폭(W14)을 갖는다. 제 1 공급 부분(24a)의 유로폭(W4)은 예를 들면 1㎜~10㎜이며, 제 2 공급 부분(24b)의 유로폭(W14)은 예를 들면 5㎜~30㎜이다. 제 2 공급 부분(24b)의 하단부에는 산소 함유 가스가 흐르는 방향의 하류측이 됨에 따라 유로폭이 상기의 유로폭(W14)으로부터 제 1 공급 부분(24a)의 유로폭(W4)으로 감소하는 경사부(24b1)가 형성되고, 경사부(24b1)의 하단이 제 1 공급 부분(24a)의 상단에 늘어서 있고, 제 1 공급 부분(24a)과 제 2 공급 부분(24b)에 의해 연속된 가스 유로가 형성된다. 이러한 가스 유로에 있어서 제 1 공급 부분(24a)의 유로폭(W4)에 대한 제 2 공급 부분(24b)의 유로폭(W14)의 비(W14/W4)는 1.5~10으로 설정된다.
상기와 같이 산소 함유 가스 공급 부재(24)는 제 1 공급 부분(24a)의 유로폭(W4)보다 제 2 공급 부분(24b)의 유로폭(W14)이 크게 구성되므로 개질기(20)와의 열 교환에 의해 개질기(20)의 온도 저하가 억제된다. 이것은 제 1 공급 부분(24a)과 제 2 공급 부분(24b)을 흐르는 산소 함유 가스의 유속을 변경함으로써 산소 함유 가스 공급 부재(24)의 외측과의 열 교환량을 변경하는 것에 의한다. 즉, 개질기(20)와 대향하는 제 2 공급 부분(24b)의 유로폭(W14)을 크게 함으로써 산소 함유 가스의 유속을 느리게 할 수 있고, 그것에 의해 열 교환량을 낮출 수 있다. 이것에 의해 개질기(20)에 있어서의 개질 효율의 저하를 방지할 수 있고, 발전 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 후술하지만 연료 전지 셀(3)의 상방에서 발전에 사용되지 않았던 연료 가스를 연소시키는 경우에는 연소부 근방의 온도 저하가 억제되기 때문에 연소성을 향상시킬 수도 있다.
제 1 공급 부분(24a)의 2개의 셀 스택(2)에 대향하는 측면에는 셀 스택(2)측으로 돌출되는 적어도 3개의 돌출부(24a1)가 각각 형성된다. 각 3개의 돌출부(24a1) 중 상하에 배치되는 적어도 2개의 돌출부(24a11)는 단열 부재(33)를 유지하고, 중간에 배치되는 돌출부(24a12)는 단열 부재(33)를 유지하지 않고 개구부(34) 내의 공간으로 돌출되어 있다. 이러한 단열 부재(33)를 유지하지 않는 돌출부(24a12)에 의해 개구부(34) 내에 있어서의 셀 스택(2)의 측방으로부터 누출되는 공기의 셀 스택(2) 사이로의 리턴이나 대류가 개선되고, 또한 셀 스택(2)의 온도 분포를 균일화할 수 있다.
또한, 도 4에 있어서는 산소 함유 가스 공급 부재(24)가 수납 용기(19)의 내부에 병치된 2개의 셀 스택(2) 사이에 위치하도록 배치되어 있지만 셀 스택(2)의 수에 의해 적당히 배치할 수 있다. 예를 들면, 수납 용기(19) 내에 셀 스택(2)을 1개만 수납하는 경우에는 산소 함유 가스 공급 부재(24)를 2개 형성하고, 셀 스택(2)을 양 측방으로부터 끼워넣도록 배치할 수 있다.
또한, 수납실(27) 내에는 연료 전지 모듈(17) 내의 열이 극단적으로 방산되고, 연료 전지 셀(3)(셀 스택(2))의 온도가 저하하여 발전량이 저감하지 않도록 연료 전지 모듈(17) 내의 온도를 고온으로 유지하기 위한 단열 부재(33)가 적당히 형성되어 있다.
단열 부재(33)는 셀 스택(2)의 근방에 배치해도 좋고, 특히는 연료 전지 셀(3)의 배열방향을 따라 셀 스택(2)의 측방에 배치함과 아울러 셀 스택(2)의 측방에 있어서의 연료 전지 셀(3)의 배열방향을 따르는 폭과 동등 또는 그 이상의 폭을 갖는 단열 부재(33)를 배치할 수도 있다. 또한, 단열 부재(33)는 셀 스택(2)의 양 측방에 배치해도 좋다. 그것에 의해 셀 스택(2)의 온도가 저하하는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 산소 함유 가스 공급 부재(24)로부터 도입되는 산소 함유 가스가 셀 스택(2)의 측방으로부터 배출되는 것을 억제할 수 있고, 셀 스택(2)을 구성하는 연료 전지 셀(3) 사이의 산소 함유 가스의 흐름을 촉진할 수 있다. 또한, 셀 스택(2)의 양 측방에 배치된 단열 부재(33)에 있어서는 연료 전지 셀(3)에 공급되는 산소 함유 가스의 흐름을 조정하고, 셀 스택(2)의 길이방향 및 연료 전지 셀(3)의 적층방향에 있어서의 온도 분포의 불균일을 저감하기 위한 개구부(34)가 형성되어 있다.
또한, 연료 전지 셀(3)의 배열방향을 따르는 내벽(25)의 내측에는 배기가스용 내벽(35)이 설치되어 있고, 수납실(27)의 측방에 있어서의 내벽(25)과 배기가스용 내벽(35) 사이가 수납실(27) 내의 배기가스가 상방으로부터 하방을 향해 흐르는 배기가스 유통부(36)로 되어 있다.
또한, 수납실(27)의 하방으로서 산소 함유 가스 도입부(28)의 상방에는 배기가스 유통부(36)와 연결되는 배기가스 수집부(37)가 형성되어 있다. 배기가스 수집부(37)는 수납 용기(19)의 저부에 형성된 배기 구멍(38)과 통해 있다. 또한, 배기가스용 내벽(35)의 셀 스택(2)측에도 단열 부재(33)가 형성되어 있다.
그것에 의해 연료 전지 모듈(17)의 가동(기동 처리 시, 발전 시, 정지 처리 시)에 따라 생기는 배기가스는 배기가스 유통부(36), 배기가스 수집부(37)를 흐른 후, 배기 구멍(38)으로부터 배기되는 구성으로 되어 있다. 또한, 배기 구멍(38)은 수납 용기(19)의 저부의 일부를 노치하도록 해서 형성해도 좋고, 또한 관 형상의 부재를 설치함으로써 형성해도 좋다.
또한, 산소 함유 가스 공급 부재(24)의 내부에는 셀 스택(2) 근방의 온도를 측정하기 위한 열전쌍(39)이 그 측온부(40)가 연료 전지 셀(3)의 길이방향(도 4 상하방향)의 중앙부이고 또한 연료 전지 셀(3)의 배열방향(도 4의 지면에 수직방향)에 있어서의 중앙부에 위치하도록 배치되어 있다.
또한, 상술한 구성의 연료 전지 모듈(17)에 있어서는 연료 전지 셀(3)에 있어서의 가스 유로(15)로부터 배출되는 발전에 사용되지 않았던 연료 가스와 산소 함유 가스를 연료 전지 셀(3)의 상단과 개질기(20) 사이에서 연소시킴으로써 연료 전지 셀(3)의 온도를 상승·유지시킬 수 있다. 아울러, 연료 전지 셀(3)(셀 스택(2))의 상방에 배치된 개질기(20)를 따뜻하게 할 수 있고, 개질기(20)에 의해 효율적으로 개질 반응을 행할 수 있다. 또한, 통상 발전 시에 있어서는 상기 연소나 연료 전지 셀(3)의 발전에 따라 연료 전지 모듈(17) 내의 온도는 500~800℃ 정도가 된다.
여기서, 연료 전지 셀(3)의 발전 효율을 향상시킴에 있어서 산소 함유 가스가 흐르는 각 유로는 산소 함유 가스가 효율적으로 흐르는 구조라고 할 수 있다. 즉, 도 4에 나타내는 연료 전지 모듈(17)에 있어서는 산소 함유 가스 도입부(28)에 도입되고, 수납실(27)의 양 측방을 흘러서 산소 함유 가스 분배부(30)를 통해 산소 함유 가스 공급 부재(24)에 도입되는 산소 함유 가스가 효율적으로 흐르고, 또한 균등하게 분배되는 구조로 해도 좋다.
따라서, 본 실시형태의 연료 전지 모듈(17)에 있어서는 우선 산소 함유 가스 도입부(28)의 유로폭(W1)과, 산소 함유 가스 유통부(29)의 유로폭(W2)을 비교했을 경우에 산소 함유 가스 유통부(29)의 유로폭(W2)이 산소 함유 가스 도입부(28)의 유로폭(W1)보다 좁게 되어 있다. 그것에 의해 산소 함유 가스 도입부(28)에 도입된 산소 함유 가스를 효율적으로 산소 함유 가스 유통부(29)에 흐르게 할 수 있다.
여기서, 산소 함유 가스 유통부(29)의 유로폭(W2)은 수납 용기(19)의 경시 열화에 의해 내벽(25)이나 외벽(26)이 변형되어도 폐색되지 않는 폭으로 할 수 있고, 산소 함유 가스 도입부(28)의 유로폭(W1)과 비교하여 1/3~1/30의 범위로 할 수 있다. 또한, 산소 함유 가스 도입부(28)의 유로폭(W1)에 대해서는 특별히 제한은 없지만 지나치게 크면 연료 전지 모듈(17)이 대형화되는 문제가 있다.
또한, 수납실(27) 각각의 측방에 위치하는 산소 함유 가스 유통부(29)의 유로폭(W2)은 각각을 비교했을 경우에 ±10%의 범위 내로 할 수 있다. 그것에 의해 산소 함유 가스 도입부(28)에 도입된 산소 함유 가스는 수납실(27) 각각의 측방으로 거의 같은 양이 흐른다.
이어서, 도 4, 도 5에 나타내는 바와 같이 산소 함유 가스 분배부(30)의 유로폭(W3)과 산소 함유 가스 공급 부재(24)의 유로폭(내폭)(W4)을 비교했을 경우에 산소 함유 가스 공급 부재(24)의 제 1 공급 부분(24a)에 있어서의 유로폭(W4)이 산소 함유 가스 분배부(30)의 유로폭(W3)보다 좁게 되어 있다. 그것에 의해 산소 함유 가스 분배부(30)에 도입된 산소 함유 가스를 효율적으로 산소 함유 가스 공급 부재(24)에 흐르게 할 수 있다.
여기서, 산소 함유 가스 공급 부재(24)의 유로폭(W4)은 경시 열화에 의해 산소 함유 가스 공급 부재(24)가 변형되어도 폐색되지 않는 폭으로 할 수 있고, 산소 함유 가스 분배부(30)의 유로폭(W3)과 비교하여 1/2~1/30의 범위로 할 수 있다. 또한, 산소 함유 가스 분배부(30)의 유로폭(W3)에 대해서는 특별히 제한은 없지만 지나치게 크면 연료 전지 모듈(17)이 대형화되는 문제가 있다. 또한 상기 유로폭을 결정함에 있어서는 산소 함유 가스 유출구(32)의 압력 손실을 고려하여 결정할 수 있다.
한편, 수납실(27)에 있어서는 발전에 이용되지 않았던 연료 가스나 산소 함유 가스, 그 연료 가스를 연소하여 생기는 연소 가스 등의 배기가스 등이 생긴다. 이 배기가스에 대해서도 효율적으로 수납 용기(19)의 외부로 배출함으로써 결과적으로 연료 전지 셀(3)에 효율적으로 산소 함유 가스가 공급된다.
그 때문에, 본 실시형태의 연료 전지 모듈(17)에 있어서는 수납실(27)의 측방에 형성된 배기가스 유통부(36)의 유로폭(W5)과, 수납실(27)의 하방에 형성된 배기가스 수집부(37)의 유로폭(W6)을 비교했을 경우에 배기가스 유통부(36)의 유로폭(W5)이 배기가스 수집부(37)의 유로폭(W6)보다 좁게 되어 있다. 그것에 의해 수납실(27) 각각의 측방에 있어서의 배기가스 유통부(36)를 흐른 배기가스가 배기가스 수집부(37)에서 효율적으로 혼합되고, 배기 구멍(38)을 통해 외부로 효율적으로 폐기된다.
여기서, 배기가스 유통부(36)의 유로폭(W5)은 경시 열화에 의해 배기가스 유통부(36)가 변형되어도 폐색되지 않는 폭으로 할 수 있고, 배기가스 수집부(37)의 유로폭(W6)과 비교하여 1/3~1/30의 범위로 할 수 있다. 또한, 배기가스 유통부(36)의 유로폭(W6)에 대해서는 특별히 제한은 없지만 지나치게 크면 연료 전지 모듈(17)이 대형화되는 문제가 있다.
또한, 수납실(27) 각각의 측방에 위치하는 배기가스 유통부(36)의 유로폭(W5)은 각각을 비교했을 경우에 ±10%의 범위 내로 할 수 있다. 그것에 의해 수납실(27)에 있어서의 배기가스가 수납실(27) 각각의 측방으로 거의 같은 양이 흐른다.
또한, 상기 연료 전지 모듈(17)의 수납실(27)에 셀로서 수증기와 전압을 가함으로써 수소를 생성할 수 있는 전해 셀을 배열해서 이루어지는 전해 셀 스택 장치를 수납해서 이루어지는 전해 모듈이라고 할 수도 있다. 이 경우, 수증기로부터 수소가 생성될 때의 부산물로서 산소가 전해 셀로부터 배출된다. 그러나, 수납실(27)에 고농도의 산소가 존재하면 어떠한 충격 등에 의해 발화될 우려나, 또한 전해 셀 자신이 산화에 의해 열화될 우려가 있다.
그 때문에, 이 경우에 있어서 제 1 가스로서 공기를 사용하고, 수납실(27) 내를 공기에 의해 퍼징(바꿔 말하면 고농도의 산소로 교체한다)함으로써 발화의 우려나 전해 셀의 열화를 억제할 수 있다. 즉, 이 경우에 있어서는 고농도의 산소를 포함하는 가스가 배기가스가 된다. 이렇게, 전해 셀 스택 장치를 구비하는 전해 모듈에 있어서도 효율(전해 효율)이 좋은 모듈이라고 할 수 있다.
도 5는 본 실시형태의 다른 일례의 연료 전지 모듈을 나타내는 단면도이다. 도 5에 나타내는 연료 전지 모듈(41)은 도 4에 나타내는 연료 전지 모듈(17)과 비교하여 수납실(42) 내에 4개의 셀 스택 장치(43)를 구비하는 점, 각 셀 스택 장치(43) 사이에 배기가스 유통 부재(44)가 형성되어 있는 점, 도 6에 나타내는 바와 같이 4개의 셀 스택의 상방에 1개의 개질기(45)가 설치되어 있는 점에서 다르다. 또한, 도 4에 나타내는 연료 전지 모듈(17)과 같은 구성에 대해서는 동일 부호를 사용하고 설명은 생략한다.
수납실(42) 내에 복수의 셀 스택 장치(43)를 수납해서 이루어지는 경우에는 특히 중앙부측에 위치하는 셀 스택 장치(43)에 있어서의 연료 전지 셀(3)로부터 수납실(42)의 측방에 위치하는 배기가스 유통부(36)까지의 거리가 길어진다. 그 때문에 중앙부측에 위치하는 셀 스택 장치(43)에 있어서의 연료 전지 셀(3)로부터 배출되는 배기가스를 효율적으로 외부로 배출하는 것이 어려운 경우가 있다.
특히 연료 전지 셀(3)의 상단측에서 발전에 사용되지 않았던 연료 가스를 연소시켜서 그 연소열에 의해 연료 전지 셀(3)의 온도를 고온으로 유지하는 구성의 연료 전지 장치에서는 연료 전지 셀(3)의 상단측에 배기가스가 체류함으로써 발전에 사용되지 않았던 연료 가스를 잘 연소시킬 수 없어 실화될 우려가 있다. 특히 실화가 발생했을 경우에는 연료 전지 셀(3)의 온도가 상승하지 않고, 또는 고온으로 유지할 없어 결과적으로 연료 전지 셀(3)(셀 스택 장치(43))의 발전량이 저하해 버릴 우려가 있다.
그 때문에, 도 5에 나타내는 본 실시형태의 연료 전지 모듈(41)에 있어서는 상기 배기가스 유통부(36)에 추가하여, 인접하는 셀 스택 장치(43) 사이에 발전에 사용되지 않았던 배기가스를 배출하기 위한 배기가스 유통 부재(44)가 형성되어 있다.
이 배기가스 유통 부재(44)는 통 형상의 용기로 이루어지고, 상단부에 수납실(42)과 연통되는 배기가스 유입구(46)를 양 측방에 구비함과 아울러 하단인 배출구(47)가 수납실(42)의 하방에 형성된 배기가스 수집부(37)와 연통되어 있다. 또한, 도 5에 있어서는 외관이 직육면체 형상이며 또한 통 형상, 즉 사각통 체를 이루는 용기에 배기가스 유통 부재(44)를 형성한 예를 나타내고 있지만 원통 형상의 용기를 복수 배열한 구성으로 해도 좋다.
즉, 각각의 셀 스택 장치(43)의 측방에는 배기가스 유통부(36) 또는 배기가스 유통 부재(44) 중 어느하나가 배치되어 있고, 발전에서 사용되지 않았던 배기가스는 각각의 셀 스택 장치(43)를 구성하는 셀 스택(2)에 가까운 측의 배기가스 유통부(36), 또는 배기가스 유통 부재(44)로 효율적으로 흐른다.
그것에 의해, 연료 전지 셀(3)의 상단측에 배기가스가 체류하는 것을 억제할 수 있고, 배기가스를 효율적으로 배기할 수 있음과 아울러 연료 전지 셀(3)의 상방에서 연소시키는 구성의 셀 스택 장치(43)에 있어서는 실화를 억제할 수 있는 점에서 발전량이 향상된 연료 전지 모듈(41)이라고 할 수 있다.
또한, 배기가스 유통 부재(44)의 유로폭(W7)과, 수납실(42)의 하방에 형성된 배기가스 수집부(37)의 유로폭(W6)을 비교했을 경우에 배기가스 유통 부재(44)의 유로폭(W7)이 배기가스 수집부(37)의 유로폭(W6)보다 좁게 되어 있다. 그것에 의해 배기가스 유통 부재(44)를 흐른 배기가스가 배기가스 수집부(37)에서 효율적으로 혼합되고, 배기 구멍(38)을 통해 외부로 배출된다.
구체적으로는 배기가스 유통 부재(44)의 유로폭(W7)은 배기가스 수집부(37)의 유로폭(W6)과 비교하여 1/3~1/30의 범위로 할 수 있다. 또한, 배기가스 수집부(37)의 유로폭(W6)에 대해서는 특별히 제한은 없지만 지나치게 크면 연료 전지 모듈(41)이 대형화되는 문제가 있다.
또한, 각각의 배기가스 유통 부재(44)의 유로폭(W7)은 각각을 비교했을 경우에 ±10%의 범위 내로 할 수 있다. 그것에 의해 각각의 배기가스 유통 부재(44)에 거의 같은 양의 배기가스가 흐른다.
도 6a, 도 6b는 도 5에 나타내는 연료 전지 모듈에 수납된 개질기를 확대해서 나타내는 사시도 및 평면도이며, 도 7은 본 실시형태의 셀 스택 장치의 상방에 도 6a, 도 6b에 나타내는 개질기를 구비하는 구성의 일례를 나타내는 측면도이다.
도 5의 연료 전지 모듈(41)에 있어서는 4개의 셀 스택(2)의 상방에 도 6a, 도 6b에 나타내는 W자 형상(미앤더 형상)의 개질기(45)를 구비하고 있다. 개질기(45)는 도 6a, 도 6b에 나타내는 바와 같이 물을 기화시켜 수증기를 생성하는 기화부(45a)와 상기 기화부(45a)에서 발생한 수증기를 사용하여 원연료를 수증기 개질하는 개질부(45b)를 구비하고 있다.
기화부(45a)는 수증기가 일단측으로부터 타단측으로 흐르는 기화부 왕로(45a1)와, 수증기가 타단측으로부터 일단측으로 흐르는 기화부 복로(45a2)를 구비하고 있다. 또한 기화부 왕로(45a1)에는 내부에 일단부로부터 기화부 왕로(45a1)를 따라 돌출되는 통 형상부(48a)와, 일단부에 접속되고 통 형상부(48a)에 물을 공급하는 물 공급부(48b)를 구비하고 있다. 또한, 통 형상부(48a)는 기화부(45a)를 구성하는 관체로부터 내측으로 돌출되도록 설치하여 이 통 형상부(48a)에 물 공급부(48b)인 물 공급관(48)을 동축에 접속한 별체 구조 외, 물 공급부(48b)인 물 공급관(48)을 외부로부터 내부에 삽입해서 물 공급관(48)의 일부가 통 형상부(48a)가 되는 일체 구조이어도 좋다. 이하의 설명에 있어서는 물 공급관(48)이 외부로부터 내부에 삽입된 구성을 사용하여 설명한다.
또한, 개질부(45b)는 원연료 공급부인 원연료 공급관(23)으로부터 공급된 원연료를 개질해서 생성된 개질 가스가 일단측으로부터 타단측으로 흐르는 개질부 왕로(45b1)와, 개질 가스가 타단측으로부터 일단측으로 흐르는 개질부 복로(45b2)를 구비하고 있다. 개질부 복로(45b2)에는 개질 가스를 도출하기 위한 개질 가스 도출 관(49)이 접속되어 있다. 도 6에 나타내는 개질기(45)에 있어서 물 공급관(48), 원연료 공급관(23) 및 개질 가스 도출관(49)은 개질기(45)의 일방측에 접속되어 있다.
또한, 개질기(45)에 있어서는 기화부 왕로(45a1)의 타단측과 기화부 복로(45a2)의 타단측이 연결로(이하, 기화부 연결로라고 한다)(45c1)로 연결되고, 기화부 복로(45a2)의 일단측과 개질부 왕로(45b1)의 일단측이 연결로(이하, 기화 개질부 연결로라고 한다)(45c2)에 의해 연결되고, 개질부 왕로(45b1)의 타단측과 개질부 복로(45b2)의 타단측이 연결로(이하, 개질부 연결로라고 한다)(45c3)에 의해 연결되어 있고, 기화부 왕로(45a1)와, 기화부 복로(45a2)와, 개질부 왕로(45b1)와, 개질부 복로(45b2)가 측방이 대향하도록 병치되어 있다.
개질기(45)에서는 기화부 왕로(45a1)에 공급된 물이 수증기가 되고, 기화부 연결로(45c1), 기화부 복로(45a2), 기화 개질부 연결로(45c2), 개질부 왕로(45b1)를 순서로 흐른다. 또한 기화 개질부 연결로(45c2)에서는 원연료 공급부(23b)인 원연료 공급관(23)으로부터 원연료가 공급되고, 기화 개질부 연결로(45c2)에서 수증기와 혼합되고, 개질부 왕로(45b1), 개질부 연결로(45c3), 개질부 복로(45b2)를 흐르는 사이에 개질되고, 수소를 포함하는 개질 가스(연료 가스)가 생성되고, 개질 가스 도출관(49)으로부터 도출된다.
기화부 왕로(45a1), 기화부 복로(45a2), 개질부 왕로(45b1), 개질부 복로(45b2), 기화부 연결로(45c1), 기화 개질부 연결로(45c2), 개질부 연결로(45c3)는 축선에 수직인 횡단면이 직사각형 형상인 관체로 구성되어 있다.
또한, 기화부 왕로(45a1) 및 기화부 복로(45a2) 내에 칸막이판(45a11, 45a21)이 각각 설치되고, 이들의 칸막이판(45a11, 45a21) 사이가 기화실로 되어 있고, 물 공급관(48)의 선단부(통 형상부)는 칸막이판(45a11)의 상류측에 위치하고, 기화실 바로 앞의 위치에 물을 공급하고 있다. 기화실 내에는 기화를 촉진하기 위해서 예를 들면, 평균 입경이 1㎜ 이상 10㎜ 이하인 세라믹 볼이 수납되어 있고, 칸막이판(45a11, 45a21)은 수증기는 통과하지만 세라믹 볼은 통과하지 않도록 다공성 판상체에 의해 형성되어 있다. 또한, 이들 칸막이판(45a11, 45a21)은 개질기의 구조나, 후술하는 셀 스택의 구조 등에 따라 적당히 배치를 변경할 수 있다.
또한, 개질부 왕로(45b1) 및 개질부 복로(45b2) 내에도 각각 칸막이판(45b11, 45b21)이 배치되고, 칸막이판(45b11, 45b21) 사이에 위치하는 개질부 왕로(45b1), 개질부 연결로(1c3), 개질부 복로(45b2)가 개질실로 되어 있다. 이 개질실에는 예를 들면 평균 입경이 1㎜ 이상 10㎜ 이하인 개질 촉매가 수납되어 있다. 칸막이판(45b11, 45b21)은 수증기, 원연료, 개질 가스 등의 가스는 통과할 수 있지만 개질 촉매는 통과할 수 없도록 다공성 판상체로 구성되어 있다. 또한, 이들 칸막이판(45b11, 45b21)은 개질기의 구조나, 후술하는 셀 스택의 구조 등에 따라 적당히 배치를 변경할 수 있다.
이러한 개질기(45)에 있어서는 기화부(45a)와 개질부(45b) 사이인 기화 개질부 연결로(45c2)에 원연료를 공급하는 원연료 공급부(23b)인 원연료 공급관(23)이 접속되어 있다. 이러한 개질기(45)에 있어서는 원연료 공급관(23)이 물 공급관(48)이 접속된 기화부 왕로(45a1)보다 하류측의 기화 개질부 연결로(45c2)에 접속되어 있기 때문에 물이 공급되는 지점과 원연료가 공급되는 지점이 기화부 왕로(45a1)를 구성하는 관체와 기화부 복로(45a2)를 구성하는 관체 사이의 공간을 통해 위치되어 있고, 또한 수증기의 흐름방향에서 보면 흐름방향의 길이가 길다. 따라서, 원연료가 저온이었다고 해도 원연료가 추가 혼합될 때에는 공급된 물은 거의 기화되어 있고, 개질기(45)의 일부(기화부 왕로(45a1))에 있어서의 저온화를 억제할 수 있다. 그것에 의해 개질 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고, 도 7에 나타내는 바와 같이 개질기(45)에서 생성된 개질 가스(연료 가스)는 개질 가스 도출관(49)에 의해 2개의 매니폴드(4)에 공급되고, 매니폴드(4)를 통해 연료 전지 셀(3)의 내부에 형성된 가스 유로(15)에 공급된다.
또한, 개질기(45)에서 생성된 개질 가스는 도 7에 나타내는 바와 같이 개질 가스 도출관(49)에 의해 분배기(50)를 통해 2개의 매니폴드(4)에 공급된다. 즉, 개질 가스 도출관(49)은 개질기(45)로부터 분배기(50)까지의 U자 형상의 제 1 개질 가스 도출관(49a)과, 분배기(50)로부터 하방의 2개의 매니폴드(4)로 각각 연장되는 제 2 개질 가스 도출관(49b)을 구비하고 있다. 제 1 개질 가스 도출관(49a), 제 2 개질 가스 도출관(49b)의 길이는 개질 가스를 매니폴드(4)에 균등하게 공급하기 위해 압력 손실을 고려하여 같은 길이로 되어 있다.
또한, 개질기(45)에 있어서 기화부 왕로(45a1), 기화부 복로(45a2), 개질부 왕로(45b1), 개질부 복로(45b2) 각각은 1개의 셀 스택(2)과 대응하여 셀 스택(2)의 상방에 배치되어 있다. 그것에 의해 기화부 왕로(45a1), 기화부 복로(45a2), 개질부 왕로(45b1), 개질부 복로(45b2) 각각을 효율적으로 가열할 수 있다.
또한, 다른 구성(예를 들면, 물 공급관(48), 칸막이판(45a11, 45a21, 45b11, 45b21의 장소 등)은 적당히 변경가능하며, 이들의 예에 한정되는 것은 아니다.
도 8은 본 실시형태의 또 다른 연료 전지 모듈의 일례를 나타내는 단면도이다. 도 8에 나타내는 연료 전지 모듈(150)은 도 5에 나타내는 연료 전지 모듈(41)과 비교하여 각 셀 스택 장치(43) 사이에 배치된 배기가스 유통 부재(44)를 형성하지 않고 수납실(42)의 상방에 연료 전지 셀(3)로부터 배출되는 배기가스를 회수하는 배기가스 회수부(51)를 구비하고 있으며, 배기가스 회수부(51)와 배기가스 유통부(36)가 연결되어 있는 점에서 다르다.
도 5에 나타내는 연료 전지 모듈(41)에 있어서는 연료 전지 셀(3)로부터 배출되는 배기가스를 효율적으로 외부로 배출할 수 있는 메리트는 있지만 배기가스 유통 부재(44)를 흐르는 배기가스는 외부로부터 공급되는 산소 함유 가스와 열 교환되지 않는 점에서 외부로부터 공급되는 산소 함유 가스와, 연료 전지 셀(3)로부터 배출되는 배기가스의 열 교환의 점에서 개선의 여지가 있다.
그래서, 도 8에 나타내는 연료 전지 모듈(150)에 있어서는 수납실(42)의 상방에 연료 전지 셀(3)로부터 배출되는 배기가스를 회수하는 배기가스 회수부(51)를 형성하고, 상기 배기가스 회수부(51)와 배기가스 유통부(36)가 연결되어 있는 것에 의해 연료 전지 셀(3)로부터 배출되는 배기가스의 전체량이 외부로부터 공급되는 산소 함유 가스와 열 교환할 수 있다. 그것에 의해 온도가 상승한 산소 함유 가스를 연료 전지 셀(3)에 공급할 수 있고, 결과적으로 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
여기서, 배기가스 회수부(51)에 회수된 배기가스는 효율적으로 배기가스 유통부(36)로 흐르는 구성으로 해도 좋다. 그 때문에 본 실시형태의 연료 전지 모듈(150)에 있어서는 수납실(42)의 측방에 형성된 배기가스 유통부(36)의 유로폭(W5)과, 배기가스 회수부(51)의 유로폭(W8)을 비교했을 경우에 배기가스 유통부(36)의 유로폭(W5)이 배기가스 회수부(51)의 유로폭(W8)보다 좁게 되어 있다. 그것에 의해 배기가스 회수부(51)에 회수된 배기가스가 수납실(42) 각각의 측방에 있어서의 배기가스 유통부(36)에 효율적으로 흐른다. 그것에 의해 산소 함유 가스와의 열 교환이 향상되고 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
여기서, 배기가스 유통부(36)의 유로폭(W5)은 배기가스 회수부(51)의 유로폭(W8)과 비교하여 1/3~1/30의 범위로 할 수 있다. 또한, 배기가스 회수부(51)의 유로폭(W8)에 대해서는 특별히 제한은 없지만 지나치게 크면 연료 전지 모듈(150)이 대형화되는 문제가 있다.
또한, 이 배기가스 회수부(51)의 저면에는 수납실(42)과 연결되는 회수 구멍(52)이 형성되어 있다. 그것에 의해 수납실(42)로 배출된 배기가스는 회수 구멍( 52)을 통해 배기가스 회수부(51)로 흐른다.
도 9는 배기가스 회수부의 저면의 일부를 확대해서 나타내는 평면도이며, 개질기(45)와의 위치 관계를 알 수 있도록 개질기(45)를 파선으로 나타내고 있다. 도 9에 나타내는 바와 같이 배기가스 회수부(51)의 저면에 형성된 복수의 회수 구멍(52)은 개질기(45)와 대향해서 형성해도 좋다. 상술한 바와 같이 연료 전지 셀(3)로부터 배출되는 배기가스를 연소시켜서 생기는 연소열로 개질기(45)를 가열함으로써 개질 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서, 연료 전지 셀(3)로부터 배출되는 배기가스(연소 배기가스)는 개질기(45)의 주위를 흐른 후에 배기가스 회수부(51)로 흘러도 좋다.
그래서 본 실시형태의 연료 전지 모듈(150)에 있어서는 회수 구멍(52)을 개질기(45)와 대향해서 형성하고 있다. 그것에 의해 연료 전지 셀(3)로부터 배출되는 배기가스(연소 배기가스)가 효율적으로 개질기(45)의 주위를 흐른 후에 배기가스 회수부(51)로 흐른다. 그것에 의해 개질기(45)의 온도를 효율적으로 향상시킬 수 있고, 개질 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 9에 있어서는 개질기(45)에 있어서의 기화부 왕로(45a1), 기화부 복로(45a2), 개질부 왕로(45b1), 개질부 복로(45b2) 각각에 대향해서 같은 수(본 실시형태에서는 6)의 회수 구멍(52)을 형성한 예를 나타내고 있지만 회수 구멍(52)의 수는 이것에 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 개질기(45)에 있어서 기화부 왕로(45a1)는 물의 기화를 따르는 흡열 반응에 의해 온도가 저하하고, 나아가서는 그 하방에 위치하는 셀 스택(2)의 온도도 저하할 우려가 있는 점에서 기화부 왕로(45a1)의 온도를 상승시키기 위해 기화부 왕로(45a1)에 대향하는 회수 구멍(52)의 수를 많게 해도 좋다. 또한, 회수 구멍(52)의 수나 배치는 적당히 설정할 수 있다.
도 10은 외장 케이스 내에 연료 전지 모듈(17, 41, 150) 중 어느 하나와, 각 연료 전지 모듈(17, 41, 150)을 동작시키기 위한 보기를 수납해서 이루어지는 연료 전지 장치(53)를 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다. 또한, 도 10에 있어서는 일부 구성을 생략해서 나타내고 있다.
도 10에 나타내는 연료 전지 장치(53)는 복수(본 실시형태에서는 4개)의 지주(54)와 외장판(55)을 포함해서 구성되는 외장 케이스 내를 칸막이판(56)에 의해 상하로 구획하고, 그 상방측을 상술한 각 연료 전지 모듈(17, 41, 150)을 수납하는 모듈 수납실(57)로 하고, 하방측을 각 연료 전지 모듈(17, 41, 150)을 동작시키기 위한 보기류를 수납하는 보기 수납실(58)로서 구성되어 있다. 또한, 보기 수납실(58)에 수납하는 보기는 생략해서 나타내고 있다.
또한, 칸막이판(56)에는 보기 수납실(58)의 공기를 모듈 수납실(57)측으로 흐르게 하기 위한 공기 유통구(59)가 칸막이판(56)을 두께방향으로 관통해서 설치되어 있고, 모듈 수납실(57)을 외위하는 외장판(55)의 일부(즉, 평면으로 볼 때 한 변을 이루는 부분)에는 그 상부 근처에 모듈 수납실(57) 내의 공기를 배기하기 위한 배기구(60)가 상기 외장판(55)의 일부를 두께방향으로 관통해서 형성되어 있다.
이러한 연료 전지 장치(53)에서는 상술한 바와 같은 각 연료 전지 모듈(17, 41, 150) 중 어느 하나를 외장 케이스 내에 수납함으로써 발전 효율이 향상된 연료 전지 장치(53)를 실현할 수 있다.
이상, 본 발명에 대해 상세히 설명했지만 본 발명은 상술한 실시형태에 한정되는 것은 아니고 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 다양한 변경, 개량 등이 가능하다. 예를 들면, 상술한 실시형태의 연료 전지 모듈(41, 150)에서는 4개의 셀 스택(2)의 상방에 1개의 개질기(45)를 배치한 셀 스택 장치를 구비하는 형태에 대해 설명했지만 예를 들면, 2개 또는 3개의 셀 스택(2)의 상방에 1개의 개질기(45)를 배치한 셀 스택 장치이어도 좋고, 또한 5개 이상의 셀 스택(2)의 상방에 1개의 개질기(45)를 배치한 셀 스택 장치이어도 좋다. 이 경우, 개질기(45)의 형상은 적당히 변경하면 좋다.
또한, 상술한 실시형태에서는 1개의 매니폴드(4)에 2개의 셀 스택(2)을 배치한 형태에 대해서 설명했지만 1개의 매니폴드(4)에 1개의 셀 스택(2)을 배치해도 좋고, 또한 1개의 매니폴드(4)에 3개 이상의 셀 스택(2)을 배치해도 좋다.
또한, 상술의 실시형태에서는 소위 세로 줄무늬형이라고 불리는 연료 전지 셀(3)을 사용하여 설명했지만 일반적으로 가로 줄무늬형이라고 불리는 복수의 발전 소자부를 지지체 상에 형성해서 이루어지는 가로 줄무늬형의 연료 전지 셀을 사용할 수도 있다.
2 셀 스택 3, 45 연료 전지 셀
17, 41, 150 연료 전지 모듈 19 수납 용기
20 개질기 24 산소 함유 가스 공급부
53 연료 전지 장치

Claims (5)

  1. 수납 용기와,
    상기 수납 용기 내에 수납되고, 복수의 기둥 형상의 연료 전지 셀이 미리 정하는 배열방향을 따라 형성되어서 이루어지는 셀 스택과,
    상기 수납 용기 내의 상기 셀 스택의 상방에 배치되고, 상기 연료 전지 셀에 공급되는 연료 가스를 생성하는 개질기와,
    상기 연료 전지 셀의 배열방향을 따라 상기 셀 스택 및 상기 개질기에 대향해서 배치되고, 상기 연료 전지 셀에 공급되는 산소 함유 가스가 상방으로부터 하방을 향해 흐르는 가스 유로를 갖는 산소 함유 가스 공급부를 구비하고,
    상기 산소 함유 가스 공급부는 상기 가스 유로가 제 1 영역과, 상기 제 1 영역보다 산소 함유 가스가 흐르는 방향 및 상기 연료 전지 셀의 배열방향에 수직인 방향의 유로폭이 넓은 제 2 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 유로의 상기 제 2 영역은 상기 개질기에 대향한 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 모듈.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 영역의 유로폭에 대한 상기 제 2 영역의 유로폭의 비가 1.5~10인 것을 특징으로 하는 연료 전지 모듈.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 영역의 상기 셀 스택에 대향하는 면에 상기 셀 스택을 향해 돌출되는 돌출부가 적어도 3개 이상 형성되어 있고, 적어도 2개 이상의 상기 돌출부가 상기 셀 스택과 상기 산소 함유 가스 공급부 사이에 배치된 단열 부재를 유지함과 아울러 상기 단열 부재를 유지하는 상기 돌출부 사이에 위치하는 적어도 1개의 상기 돌출부가 상기 단열 부재를 유지하고 있지 않는 것을 특징으로 하는 연료 전지 모듈.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 연료 전지 모듈과,
    상기 연료 전지 모듈을 수납하는 외장 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
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