CN102113159B - 燃料电池堆以及具备其的燃料电池热电联供系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的燃料电池热电联供系统具备：单电池(10)，被配设成在单电池(10)的厚度方向上进行延伸并使在阳极(2A)上没有被使用的阳极尾气流通的燃料气体排出集流管(122)，被配设成在单电池(10)的厚度方向上进行延伸并使在阴极(2B)上没有被使用的阴极尾气流通的氧化剂气体排出集流管(124)，被配设成在单电池(10)的厚度方向上进行延伸并使从单电池(10)回收了热的废冷却介质流通的冷却介质排出集流管(126)；在冷却介质排出集流管(126)与最接近于冷却介质排出集流管(126)的隔板端部之间，配设有燃料气体排出集流管(122)以及/或者氧化剂气体排出集流管(124)。

Description

燃料电池堆以及具备其的燃料电池热电联供系统
技术领域
本发明涉及燃料电池堆以及具备其的燃料电池热电联供系统(cogeneration system)的结构，特别涉及燃料电池堆的结构。
背景技术
目前，已知有家庭用燃料电池热电联供系统，其具备：利用了燃料电池的发电装置，以及将利用在用该发电装置进行发电的时候所产生的热进行了加热的水(温水)进行储存的热水储槽。在燃料电池热电联供系统中所使用的燃料电池具有层叠了板状的单电池而成的单电池层叠体。通常是在单电池的中央部设置有电极，并在单电池的周缘部设置有燃料气体供给集流管孔等的各个集流管孔。而且，在层叠单电池的时候，各个集流管孔分别连接从而形成燃料气体供给集流管等的各个集流管(manifold)。
如以上所述，在燃料电池中各个集流管被设置于周缘部，所以容易从进行了热回收的冷却介质向大气中放出热。因此，为了减少来自于燃料电池的放热，已知有一种将绝热构件配置于燃料电池堆的外部的燃料电池(例如参照专利文献1以及2)，或者一种将燃料电池堆容纳于密闭容器内部并将电绝缘性液体充满密闭容器的内部空间的燃料电池(例如参照专利文献3)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2000-87344号公报
专利文献2：日本特开2008-130261号公报
专利文献3：日本特开2002-190313号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，即使是在上述专利文献1至3所公开的燃料电池中，仍然还存在着出自于燃料电池堆的放热的对策不够充分且废热回收效率低的问题。另外，在为了提高绝热效率而应用真空绝热构造以及进行绝热材料增量等的情况下，在燃料电池的成本方面以及在小型化方面存在技术问题。如以上所述，现有的燃料电池中的放热对策还不够充分，仍然还有改善的余地。
本发明是鉴于上述问题而做出的，目的在于提供一种提高废热回收效率且能量效率优异的燃料电池堆。
用于解决技术问题的手段
为了解决上述技术问题，本发明所涉及的燃料电池堆具备：单独或者被层叠了的多个单电池，该单电池具有阳极以及阴极，并被形成为板状；燃料气体排出集流管，被配设成沿着所述单电池的厚度方向进行延伸，其中流通在所述阳极上没有被使用的阳极尾气；氧化剂气体排出集流管，被配设成沿着所述单电池的厚度方向进行延伸，其中流通在所述阴极上没有被使用的阴极尾气；以及冷却介质排出集流管，被配设成沿着所述单电池的厚度方向进行延伸，其中流通从所述单电池回收了热的废冷却介质；从所述单电池的厚度方向看，在所述冷却介质排出集流管与最接近于所述冷却介质排出集流管的隔板端部之间，配设有所述阴极气体排出集流管以及/或者所述阳极气体排出集流管。
由此，气体所流通的热容量小的燃料气体排出集流管以及/或者氧化剂气体排出集流管也行使作为液体所流通的热容量大的冷却介质排出集流管的绝热体的功能，从而能够减少从冷却介质排出集流管向大气释放的放热量，能够提高燃料电池堆的热回收效率。
另外，在本发明所涉及的燃料电池堆中，优选从所述单电池的厚度方向看，所述燃料气体排出集流管以及/或者所述氧化剂气体排出集流管被配设成形成凹部，所述冷却介质排出集流管被配设成至少其一部分收纳于所述凹部中。
另外，在本发明所涉及的燃料电池堆中，也可以是，从所述单电池的厚度方向看，所述燃料气体排出集流管以及所述氧化剂气体排出集流管被配设成形成凹部。
另外，在本发明所涉及的燃料电池堆中，也可以是，从所述单电池的厚度方向看，所述氧化剂气体排出集流管被配设成形成凹部。
另外，在本发明所涉及的燃料电池堆中，也可以是，从所述单电池的厚度方向看，所述燃料气体排出集流管被配设成形成凹部。
另外，在本发明所涉及的燃料电池堆中，也可以是，所述冷却介质排出集流管的全部被配设成收纳于所述凹部中。
另外，在本发明所涉及的燃料电池堆中，也可以是，所述凹部向所述单电池的内侧开放。
另外，在本发明所涉及的燃料电池堆中，也可以是，从相对于所述单电池的层叠方向而言的垂直方向看，所述冷却介质排出集流管被配设成与所述燃料气体排出集流管以及/或者所述氧化剂气体排出集流管相重叠。
另外，在本发明所涉及的燃料电池堆中，也可以是，所述阴极气体排出集流管以及/或者所述阳极气体排出集流管的至少一部分被配设于所述冷却介质排出集流管与最接近于所述冷却介质排出集流管的隔板端部之间的区域。
另外，在本发明所涉及的燃料电池堆中，也可以是，所述燃料电池堆被绝热构件所覆盖。
另外，在本发明所涉及的燃料电池堆中，也可以是，所述燃料气体排出集流管、所述氧化剂气体排出集流管以及所述冷却介质排出集流管被设置于所述单独或者被层叠了的多个单电池的内部。
再有，在本发明所涉及的燃料电池堆中，也可以是，所述燃料气体排出集流管、所述氧化剂气体排出集流管以及所述冷却介质排出集流管被设置于所述单独或者被层叠了的多个单电池的外部。
另外，本发明所涉及的燃料电池热电联供系统具备：所述燃料电池堆；阳极尾气配管，被连接于所述燃料气体排出集流管的下游端，并从该燃料气体排出集流管中排出阳极尾气；阴极尾气配管，被连接于所述氧化剂气体排出集流管的下游端，并从该氧化剂气体排出集流管中排出阴极尾气；废冷却介质配管，被连接于所述冷却介质排出集流管的下游端，并从该冷却介质排出集流管中排出废冷却介质；以及热交换器，在所述阳极尾气或者所述阴极尾气与热介质之间进行热交换。
关于本发明的上述目的、其它目的、特征以及其优点，在参照附图的情况下，根据下述优选的实施方式的详细的说明便可明了。
发明的效果
根据本发明的燃料电池堆以及具备其的燃料电池热电联供系统，热容量小的燃料气体排出集流管以及/或者氧化剂气体排出集流管也行使作为热容量大的冷却介质排出集流管的绝热体的功能，从而能够减少从冷却介质排出集流管向大气释放的放热量，能够提高燃料电池堆甚至于燃料电池热电联供系统的热回收效率。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的燃料电池热电联供系统的概略结构的模式图。
图2是示意性地表示本发明的实施方式1所涉及的燃料电池堆的概略结构的斜视图。
图3是从单电池的厚度方向看图2所表示的燃料电池堆的单电池层叠体的透视图。
图4是沿着由图3所表示的VI-VI线截面图。
图5是从单电池的厚度方向看本发明的实施方式2所涉及的燃料电池堆的单电池层叠体的透视图。
图6是从单电池的厚度方向看本发明的实施方式3所涉及的燃料电池堆的单电池层叠体的透视图。
图7是从单电池的厚度方向看本发明的实施方式4所涉及的燃料电池堆的单电池层叠体的透视图。
图8是示意性地表示本发明的实施方式5所涉及的燃料电池堆的概略结构的斜视图。
图9是从单电池的厚度方向看图8所表示的燃料电池堆的透视图。
具体实施方式
以下参照附图就本发明的优选实施方式加以说明。还有，在所有的图面上，将相同的符号标注于相同或者相当的部分上，省略重复说明。另外，在所有的图面中，只选取为了说明本发明所必需的构成要素来加以图示，关于其它的构成要素，省略了图示。再有，本发明并不限定于以下的实施方式。
(实施方式1)
本发明的实施方式1示例了燃料气体排出集流管和氧化剂气体排出集流管介于冷却介质排出集流管与最接近于冷却介质排出集流管的隔板端部之间的方式。
首先，参照图1就本发明的实施方式1所涉及的燃料电池热电联供系统作如下说明。
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的燃料电池热电联供系统的概略结构的模式图。图2是示意性地表示本发明的实施方式1所涉及的燃料电池堆的概略结构的斜视图。还有，在图2中将燃料电池堆中的上下方向作为图中的上下方向来加以表示，并且省略了一部分。
如图1所示，本发明的实施方式1所涉及的燃料电池热电联供系统100具备燃料电池堆101、阳极尾气配管42、阴极尾气配管44、废冷却介质配管52、作为用于实现热利用的热交换器的第1热交换器103、第3热交换器105。另外，如图2所示，燃料电池堆101具有：板状的单电池10，被配设成沿着该单电池10的厚度方向进行延伸的燃料气体排出集流管122、氧化剂气体排出集流管124以及冷却介质排出集流管126。
即，在本发明的燃料电池热电联供系统100中，燃料电池堆101只要具有单电池10即可，既可以由1个单电池10来加以构成，又可以由层叠了多个单电池10而成的单电池层叠体70来加以构成。另外，燃料电池堆101的类型(型式)只要是被构成为冷却燃料电池堆的形式，则没有特别的限定。例如，作为燃料电池堆101，可以使用固体高分子电解质型燃料电池、固体氧化物型燃料电池、磷酸型燃料电池以及熔融碳酸盐型燃料电池等。
另外，本发明的燃料电池热电联供系统100只要具备用于实现热利用的第1热交换器103以及第3热交换器105即可，不一定必须具备热利用设备。例如，在燃料电池热电联供系统100将用于实现热利用的热介质提供给外部那样的情况下，不需要热利用设备。以下，举出了燃料电池热电联供系统100具备热利用设备的例子。
接着，参照图1就本实施方式1所涉及的燃料电池热电联供系统100的结构作如下详细的说明。
[燃料电池热电联供系统的结构]
如图1所示，本实施方式1所涉及的燃料电池热电联供系统100例如具备燃料电池堆101、氢生成装置102、用于实现热利用的第1～第4热交换器103～106、空气供给器107、热利用设备109以及控制器110，并且被构成为将由燃料电池101所产生的电力和热提供给使用者。
燃料电池堆101具有阳极2A、阴极2B、燃料气体内部流路31、氧化剂气体内部流路32以及冷却介质内部流路33。燃料气体内部流路31被构成为将阳极气体提供给阳极2A，氧化剂气体内部流路32被构成为将阴极气体提供给阴极2B。另外，冷却介质内部流路33被构成为由冷却介质回收在燃料电池堆101内所产生的热。还有，燃料电池堆101的详细结构将在后面加以叙述。
氢生成装置102例如具有重整器、转化器、净化器(都未图示)以及燃烧器102A，由原料气体(例如，含有甲烷等的由碳和氢构成的有机化合物的气体)和水生成含有氢的阳极气体。氢生成装置102经由阳极气体配管41而与燃料电池堆101的燃料气体内部流路31的上游端相连接。燃料气体内部流路31的下游端经由阳极尾气配管42而连接有燃烧器102A。另外，在燃烧器102A上连接有燃烧废气配管45。还有，在阳极尾气配管42的中途设置有第1热交换器103，在燃烧废气配管45的中途设置有第2热交换器104。
由此，由氢生成装置102所生成的阳极气体经由阳极气体配管41而被提供给燃料气体内部流路31。并且，没有被阳极2A所使用的阳极气体(称之为阳极尾气)经由阳极尾气配管42而被提供给燃烧器102A，并在燃烧器102A中被加以燃烧。通过由燃烧器102A燃烧阳极尾气而生成的燃烧废气被构成为排出至燃料电池热电联供系统100之外(大气中)。
还有，在没有必要进一步减少包含于由重整器所生成的含氢气体中的一氧化碳的情况下，也可以制成不设置转化器以及净化器的结构。例如，在燃料电池堆101是相对于一氧化碳为不容易中毒的设备(例如固体氧化物燃料电池)的情况下，可以采用不设置转化器以及净化器的结构。
另外，空气供给器107例如可以使用鼓风机或者西洛克风扇等的风扇类，它经由阴极气体配管43而被连接于燃料电池堆101的氧化剂气体内部流路32的上游端。另外，在氧化剂气体内部流路32的下游端连接有阴极尾气配管44。还有，在阴极尾气配管44的中途设置有第3热交换器105。
由此，阴极气体从空气供给器107经由阴极气体配管43而被提供给氧化剂气体内部流路32。并且，没有被阴极2B所使用的阴极气体(称之为阴极尾气)经由阴极尾气配管44而被排出至大气中。
另外，燃料电池热电联供系统100具备被构成为储存冷却介质的冷却介质储罐108，冷却介质储罐108经由冷却介质配管51而与燃料电池堆101的冷却介质内部流路33的上游端相连接。另外，冷却介质内部流路33的下游端经由废冷却介质配管52而与冷却介质储罐108相连接。在此，冷却介质既可以是水又可以是防冻液(例如含有乙二醇的液体)等。还有，在废冷却介质配管52的中途设置有第4热交换器106。
由此，由未图示的冷却介质泵，冷却介质从冷却介质储罐108经由冷却介质配管51而被提供给冷却介质内部流路33。被提供给冷却介质内部流路33的冷却介质在流通于冷却介质内部流路33期间回收由燃料电池堆101所产生的热，并被排出至废冷却介质配管52。回收了由燃料电池堆101所产生的热并被排出至废冷却介质配管52的冷却介质(称之为废冷却介质)在废冷却介质配管52中流通并返回到冷却介质储罐108。
还有，关于阳极气体配管41以及阳极尾气配管42的材料，例如可以由SUS等金属来加以形成。另外，阴极气体配管43、阴极尾气配管44、冷却介质配管51以及废冷却介质配管52的材料并没有特别的限定，可以由例如四氟乙烯全氟代烷基乙烯基醚共聚物(PFA)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯硫醚(PPS)、聚甲醛(POM)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚砜(PSF)、聚丙烯(PP)等树脂形成。
另外，燃料电池热电联供系统100具备热利用设备109、包含热利用设备109并且被构成为使热介质(例如水或者防冻液等)进行流通的热介质循环路径53、未图示的热介质泵。在此，作为热利用设备109，例如可以列举热水供给或者地暖。在此情况下，热介质循环路径53例如可以被连接于蓄热器(热水储罐)，另外也可以连接于地暖的路径。
在本实施方式1中，在热介质循环路径53的中途，按该顺序设置有第1热交换器103、第2热交换器104、第3热交换器105以及第4热交换器106。第1热交换器103被构成为在热介质与阳极尾气之间进行热交换，第2热交换器104被构成为在热介质与燃烧废气之间进行热交换。另外，第3热交换器105被构成为在热介质与阴极尾气之间进行热交换，第4热交换器106被构成为在热介质与冷却介质之间进行热交换。由此，热介质在流通于热介质循环路径53期间，与阳极尾气、燃烧废气、阴极尾气以及冷却介质发生热交换而被加热，并被提供给热利用设备109。
还有，在本实施方式1中，在热介质循环路径53的中途，按该顺序设置有第1热交换器103、第2热交换器104、第3热交换器105以及第4热交换器106，但各个热交换器的设置顺序并没有限定。只是从高效率地进行热交换的观点出发，优选以上述顺序进行设置。
控制器110例如由微型电脑等计算机来加以构成，进行有关燃料电池热电联供系统100的各种控制。
[燃料电池堆的构成]
接着，参照图2就燃料电池堆101的构成的一个例子作如下详细的说明。
如图2所示，燃料电池堆101具有：层叠了多个板状的单电池10而成的层叠体70，被配置于该单电池层叠体70两端的端板71A和71B，在单电池的层叠方向上紧固联结单电池层叠体70以及端板71A和71B的联结器具(未图示)。另外，在端板71A与单电池层叠体70之间配置有绝缘板72A以及集电板73A。同样，在端板71B与单电池层叠体70之间配置有绝缘板72B以及集电板73B。再有，在燃料电池堆101的侧面，以覆盖燃料电池堆101的方式配置有绝热构件61(参照图4)。
在单电池层叠体70中，设置有燃料气体供给集流管121、氧化剂气体供给集流管123、冷却介质供给集流管125、燃料气体排出集流管122、氧化剂气体排出集流管124以及冷却介质排出集流管126。另外，在端板71B、绝缘板72B以及集电板73B各自的上部，设置有对应(连通)于燃料气体供给集流管121、氧化剂气体供给集流管123以及冷却介质供给集流管125的贯通孔。另外，在端板71A、绝缘板72A以及集电板73A各自的下部，设置有对应(连通)于燃料气体排出集流管122、氧化剂气体排出集流管124以及冷却介质排出集流管126的贯通孔。
并且，在端板71B的对应于燃料气体供给集流管121的贯通孔、对应于氧化剂气体供给集流管123的贯通孔以及对应于冷却介质供给集流管125的贯通孔上，分别由适当的手段连接有阳极气体配管41、阴极气体配管43以及冷却介质配管51。同样，在端板71A的对应于燃料气体排出集流管122的贯通孔、对应于氧化剂气体排出集流管124的贯通孔以及对应于冷却介质排出集流管126的贯通孔上，分别由适当的手段连接有阳极尾气配管42、阴极尾气配管44以及废冷却介质配管52。
[单电池层叠体的构成]
接着，参照图3以及图4就单电池层叠体70的构成作如下说明。图3是从单电池10的厚度方向看图2所表示的燃料电池堆101的单电池层叠体70的透视图。另外，图4是图3所表示的VI-VI线的截面图。还有，在图3以及图4中，将单电池层叠体70中的上下方向作为图中的上下方向来加以表示，并且省略了其一部分。
如以上所述，单电池层叠体70是在其厚度方向上层叠板状的单电池10来加以形成的。首先，就单电池10的结构作如下说明。
在本实施方式1中，单电池10由高分子电解质型燃料电池所构成，如图4所示，具有MEA(Membrane-Electrode-Assembly：膜-电极组件)3、一对密封垫圈5，5、阳极隔板4A、阴极隔板4B。另外，MEA3具有高分子电解质膜1、阳极2A、阴极2B。还有，在高分子电解质膜1、一对密封垫圈5、阳极隔板4A以及阴极隔板4B的周缘部设置有燃料气体供给集流管孔21、氧化剂气体供给集流管孔(未图示)、冷却介质供给集流管孔(未图示)、燃料气体排出集流管孔(未图示)、氧化剂气体排出集流管孔24以及冷却介质排出集流管孔(未图示)。
在阳极隔板4A的与阳极2A相接触的主面(以下称之为内面)上，设置有阳极气体进行流通的燃料气体流路6，其上游端和下游端分别被连接于燃料气体供给集流管孔21和燃料气体排出集流管孔；在内面的相反侧的主面(以下称之为外面)上，设置有冷却介质进行流通的冷却介质流路8，其上游端和下游端分别被连接于冷却介质供给集流管孔和冷却介质排出集流管孔。同样，在阴极隔板4B的与阴极2B相接触的主面(以下称之为内面)上，设置有阴极气体进行流通的氧化剂气体流路7，其上游端和下游端分别被连接于氧化剂气体供给集流管孔和氧化剂气体排出集流管孔24；在内面的相反侧的主面(以下称之为外面)上，设置有冷却介质流路8，其上游端和下游端分别被连接于冷却介质供给集流管孔和冷却介质排出集流管孔。
还有，在本实施方式1中各个流路构成为盘蛇(serpentine)状，但是并不限定于此，只要被构成为流体流通于阳极2A以及阴极2B全体即可，例如也可以被形成为漩涡状。另外，在本实施方式1中各个流路由1条沟槽来加以构成，但是并不限定于此，例如也可以由多条沟槽来加以构成。
并且，被设置于单电池10中的燃料气体供给集流管孔21等的各个集流管孔在单电池10被层叠的时候相连接，从而形成燃料气体供给集流管121等的各个集流管。
接着，就单电池层叠体70的各个集流管的形状作如下说明。
如图2以及图3所示，燃料气体排出集流管122、氧化剂气体排出集流管124以及冷却介质排出集流管126被设置于单电池层叠体70的下部，并且沿着单电池10的厚度方向(单电池10的层叠方向)延伸。并且，关于燃料气体排出集流管122以及氧化剂气体排出集流管124，是在冷却介质排出集流管126与最接近于该冷却介质排出集流管126的隔板端部(在图3中为下端面)之间，配设有燃料气体排出集流管122以及氧化剂气体排出集流管124。在此，所谓“最接近于冷却介质排出集流管的隔板端部”，是指与冷却介质排出集流管126的距离在物理意义上为最短而且来自于在冷却介质排出集流管126中流动的冷却介质的放热量为最大的隔板端部。
具体是，燃料气体排出集流管122被配设于单电池层叠体70的一个侧部(以下称之为第1侧部)一侧，从单电池10的厚度方向看，被形成为大致矩形状。同样，氧化剂气体排出集流管124被配设于单电池层叠体70的另一个侧部(以下称之为第2侧部)一侧，从单电池10的厚度方向看，被形成为大致矩形状。另外，冷却介质排出集流管126是在单电池层叠体70的下部并且被配设于大致中央部，从单电池10的厚度方向看，被形成为大致矩形状。并且，从相对于单电池10的层叠方向而言的垂直方向(在这里是上下方向)看，冷却介质排出集流管126被配设成与燃料气体排出集流管122以及氧化剂气体排出集流管124相重叠。换言之，在冷却介质排出集流管126与最接近于该冷却介质排出集流管126的隔板端部之间的区域A，配设有阴极气体排出集流管124以及/或者阳极气体排出集流管122的至少一部分(在本实施方式1中是阴极气体排出集流管124的一部分和阳极气体排出集流管122的一部分)。
还有，在本实施方式1中，从单电池10的厚度方向看，将燃料气体排出集流管122、氧化剂气体排出集流管124以及冷却介质排出集流管126形成为大致矩形状，但是并不限定于此，各个集流管的形状分别可以是任何形状，例如从单电池10的厚度方向看，各个集流管可以被形成为圆弧状。
由此，就能够减少出自于在冷却介质排出集流管126中流动的冷却介质的放热。即，因流动着热容量小的气体而具有较小的热容量的燃料气体排出集流管122以及氧化剂气体排出集流管124，也能够行使作为因流动着热容量大的冷却介质(液体)而具有较大热容量的冷却介质排出集流管126的绝热体的功能。另外，从冷却介质排出集流管126向燃料气体排出集流管122以及/或者氧化剂气体排出集流管124移动的热被第1热交换器103以及/或者第3热交换器105回收。因此，就能够减少从冷却介质排出集流管126向大气释放的放热量，因而能够提高燃料电池堆101甚至于燃料电池热电联供系统100的热回收效率。
同样，燃料气体供给集流管121、氧化剂气体供给集流管123以及冷却介质供给集流管125被设置在单电池层叠体70的上部，并且沿着单电池10的厚度方向(单电池10的层叠方向)进行延伸。并且，从单电池10的厚度方向看，燃料气体供给集流管121以及氧化剂气体供给集流管123被配设于冷却介质供给集流管125与最接近于该冷却介质供给集流管125的隔板端部之间。
具体是，燃料气体供给集流管121被配设于单电池层叠体70的第2侧部一侧，从单电池10的厚度方向看，被形成为大致矩形状。同样，氧化剂气体供给集流管123被配设于单电池层叠体70的第1侧部一侧，从单电池10的厚度方向看被形成为大致矩形状。另外，冷却介质供给集流管125在单电池层叠体70的上部并且被配设于大致中央部，从单电池10的厚度方向看，被形成为大致矩形状。并且，从相对于单电池10层叠方向而言的垂直方向(在这里是上下方向)看，冷却介质供给集流管125被配设成与燃料气体供给集流管121以及氧化剂气体供给集流管123相重叠。
还有，在本实施方式1中，从单电池10的厚度方向看，将燃料气体供给集流管121、氧化剂气体供给集流管123以及冷却介质供给集流管125形成为大致矩形状，但是并不限定于此，各个集流管的形状分别可以为任何形状，例如，从单电池10的厚度方向看，各个集流管可以被形成为圆弧状。
另外，由燃料气体供给集流管121、分别被设置于端板71B、绝缘板72B以及集电板73B上的对应于燃料气体供给集流管121的贯通孔、燃料气体流路6、燃料气体排出集流管122、被设置于端板71A、绝缘板72A以及集电板73A上的对应于燃料气体排出集流管122的贯通孔，构成燃料气体内部流路31(参照图1)。另外，被设置于端板71B上的对应于燃料气体供给集流管121的贯通孔构成燃料气体内部流路31的上游端，而被设置于端板71A上的对应于燃料气体排出集流管122的贯通孔则构成燃料气体内部流路31的下游端。
同样，由氧化剂气体供给集流管123、分别被设置于端板71B、绝缘板72B以及集电板73B上的对应于氧化剂气体供给集流管123的贯通孔、氧化剂气体流路7、氧化剂气体排出集流管124、以及被设置于端板71A、绝缘板72A以及集电板73A上的对应于氧化剂气体排出集流管124的贯通孔，构成氧化剂气体内部流路32(参照图1)。另外，被设置于端板71B上的对应于氧化剂气体供给集流管123的贯通孔构成氧化剂气体内部流路32的上游端，而被设置于端板71A上的对应于氧化剂气体排出集流管124的贯通孔则构成氧化剂气体内部流路32的下游端。
再有，由冷却介质供给集流管125、分别被设置于端板71B、绝缘板72B以及集电板73B上的对应于冷却介质供给集流管125的贯通孔、冷却介质流路8、冷却介质排出集流管126、以及被设置于端板71A、绝缘板72A以及集电板73A上的对应于冷却介质排出集流管126的贯通孔，构成了冷却介质内部流路33(参照图1)。另外，被设置于端板71B上的对应于冷却介质供给集流管125的贯通孔构成冷却介质内部流路33的上游端，而被设置于端板71A上的对应于冷却介质排出集流管126的贯通孔则构成冷却介质内部流路33的下游端。
[燃料电池热电联供系统的工作]
接着，参照图1至图4就本实施方式1所涉及的燃料电池热电联供系统100的工作作如下说明。还有，以下的工作是通过控制器110控制燃料电池热电联供系统100来加以完成的。
首先，从氢生成装置102经由阳极气体配管41将阳极气体提供给燃料气体供给集流管121。另外，从空气供给器107经由阴极气体配管43将阴极气体提供给氧化剂气体供给集流管123。被提供给燃料气体供给集流管121的阳极气体在流通于燃料气体供给集流管121期间，从各个单电池10的燃料气体流路6被提供给阳极2A。另外，被提供给氧化剂气体供给集流管123的阴极气体在流通于氧化剂气体供给集流管123期间，从各个单电池10的氧化剂气体流路7被提供给阴极2B。
并且，被提供给阳极2A的阳极气体和被提供给阴极2B的阴极气体发生电化学反应从而产生电力和热。所产生的电力被适当提供给电力负荷(未图示)。
另外，在阳极2A上没有被使用的阳极气体作为阳极尾气，从燃料气体内部流路31排出至阳极尾气配管42。阳极尾气在流通于阳极尾气配管42期间，由第1热交换器103与热介质进行热交换(加热热介质)，从而被提供给燃烧器102A。在燃烧器102A中，阳极尾气被燃烧并产生燃烧废气。所生成的燃烧废气在流通于燃烧废气配管45期间，由第2热交换器104与热介质进行热交换(加热热介质)，从而被排出至燃料电池热电联供系统100外。
另外，在阴极2B上没有被使用的阴极气体作为阴极尾气，从氧化剂气体内部流路32被排出至阴极尾气配管44。阴极尾气在流通于阴极尾气配管44期间，由第3热交换器105与热介质进行热交换(加热热介质)，从而被排出至燃料电池热电联供系统100外。
另一方面，在燃料电池堆101(单电池10)中所产生的热由冷却介质加以回收。具体是，从冷却介质储罐108经由冷却介质配管51以及冷却介质供给集流管125被提供给冷却介质流路8的冷却介质，在流通于冷却介质流路8期间，回收由燃料电池堆101所产生的热。
回收了热的冷却介质作为废冷却介质，从冷却介质流路8的下游端被排出至冷却介质排出集流管126。被排出至冷却介质排出集流管126的废冷却介质在流通于冷却介质排出集流管126期间，由于图2以及图3所表示的各个集流管的构造，废冷却介质所拥有的热的一部分经由燃料气体排出集流管122以及氧化剂气体排出集流管124而向阳极尾气以及阴极尾气中移动。流通于冷却介质排出集流管126中的废冷却介质被排出至废冷却介质配管52，并且在流通于废冷却介质配管52期间，由第4热交换器106与热介质进行热交换(加热热介质)，从而被提供给冷却介质储罐108。
于是，如以上所述，移动至阳极尾气以及阴极尾气中的废冷却介质所拥有的热，由第1热交换器103以及第3热交换器105被热介质回收(加热热介质)。被加热的热介质被提供给热利用设备109。
如以上所述，在本实施方式1所涉及的燃料电池堆101中，热容量小的燃料气体排出集流管122以及氧化剂气体排出集流管124可以还作为热容量大的冷却介质排出集流管126的绝热体发挥作用，能够较配置了现有的绝热构件的燃料电池堆更进一步减少由冷却介质排出集流管126向大气释放的热。
另外，能够将以往在流通于冷却介质排出集流管126期间向大气中释放的废冷却介质所拥有的热的一部分由阳极尾气以及阴极尾气回收，并且利用第1热交换器103以及第3热交换器105来使热介质回收这个热，从而能够提供给热利用设备109。因此，本实施方式1所涉及的燃料电池热电联供系统100能够减少从冷却介质排出集流管126向大气释放的放热量，因而能够提高燃料电池热电联供系统100的热回收效率。
(实施方式2)
本发明的实施方式2示例了冷却介质排出集流管被配设成收纳于由氧化剂气体排出集流管所形成的凹部的方式。
图5是从单电池的厚度方向看本发明的实施方式2所涉及的燃料电池堆的单电池层叠体的透视图。还有，在图5中，将单电池层叠体中的上下方向作为图中的上下方向来加以表示，并且省略了其一部分。
如图5所示，本发明的实施方式2所涉及的燃料电池堆101其基本结构与实施方式1所涉及的燃料电池堆101相同，但是燃料气体供给集流管121、氧化剂气体供给集流管123、燃料气体排出集流管122以及氧化剂气体排出集流管124的结构有所不同。以下将作详细的说明。
燃料气体排出集流管122以及氧化剂气体排出集流管124被配设成形成凹部120，冷却介质排出集流管126被配设成至少其一部分收纳于凹部120中。在此，所谓“冷却介质排出集流管126至少其一部分被收纳于凹部120中”，是指只要冷却介质排出集流管126的至少其一部分被形成为凹部120即可，换言之，是指冷却介质排出集流管126也可以被形成为从凹部120中突出。即，是指被配设成：从单电池10的厚度方向看，冷却介质排出集流管126的至少一部分被燃料气体排出集流管122以及/或者氧化剂气体排出集流管124所包围。
具体是，燃料气体排出集流管122被配设于单电池层叠体70的一个侧部(以下称之为第1侧部)一侧，从单电池10的厚度方向看，由大致矩形状的主体部122a和大致矩形状的延伸部122b构成，该延伸部122b被形成为从该主体部122a向单电池层叠体70的另一个侧部(以下称之为第2侧部)进行延伸。即，从单电池10的厚度方向看，燃料气体排出集流管122被形成为大致L字状。另外，氧化剂气体排出集流管124由大致矩形状的主体部124a和大致矩形状的延伸部124b构成，该延伸部124b被形成为从该主体部124a向单电池层叠体70的第1侧部进行延伸。即，从单电池10的厚度方向看，氧化剂气体排出集流管124被形成为大致L字状。并且，以燃料气体排出集流管122的延伸部122b和氧化剂气体排出集流管124的延伸部124b作为底面，并将燃料气体排出集流管122上的主体部122a与延伸部122b的台阶面以及氧化剂气体排出集流管124上的主体部124a与延伸部124b的台阶面作为侧面，而形成凹部120。
换言之，从单电池10的厚度方向看，燃料气体排出集流管122被形成为大致矩形状，而且是第2侧部(且上部)一侧的角部被切除的形状。同样，从单电池10的厚度方向看，氧化剂气体排出集流管124被形成为大致矩形状，且是第1侧部(且上部)一侧的角部被切除的形状。于是，这些被切除的部分形成凹部120。
在凹部120中，从单电池10的厚度方向看，大致矩形状的冷却介质排出集流管126整体被配设成收纳于凹部120中。在此，所谓“冷却介质排出集流管126整体被配设成收纳于凹部120中”，是指从单电池10的厚度方向看，燃料气体排出集流管122以及氧化剂气体排出集流管124被配设成将冷却介质排出集流管126整体包围。所谓“整体包围”，是指在取得本发明的作用效果的范围内，也可以有燃料气体排出集流管122以及氧化剂气体排出集流管124不包围冷却介质排出集流管126的部分。另外，从垂直于单电池10的厚度方向的方向看，优选燃料气体排出集流管122以及氧化剂气体排出集流管124包围冷却介质排出集流管126的接近于大气的部分。换言之，优选凹部120向单电池10的内侧(在这里是上方)开放。
还有，在本实施方式2中，从单电池10的厚度方向看，将燃料气体排出集流管122、氧化剂气体排出集流管124以及冷却介质排出集流管126形成为大致矩形状，但是并不限定于此，只要燃料气体排出集流管122以及氧化剂气体排出集流管124形成凹部120，并且冷却介质排出集流管126被配设成至少其一部分收纳于凹部120中，那么各个集流管的形状可以为任何形状，例如，从单电池10的厚度方向看，各个集流管可以形成为圆弧状。
同样，燃料气体供给集流管121、氧化剂气体供给集流管123以及冷却介质供给集流管125被设置于单电池层叠体70的上部，并且沿着单电池10的厚度方向(单电池10的层叠方向)进行延伸。于是，从单电池10的厚度方向看，燃料气体供给集流管121以及氧化剂气体供给集流管123被配设成形成凹部，该凹部向单电池10的内侧(在这里是下方)开放。并且，冷却介质供给集流管125被配设成收纳于凹部中。还有，在本实施方式2中，将燃料气体供给集流管121以及氧化剂气体供给集流管123配设成形成凹部，并且将冷却介质供给集流管125配设成收纳于该凹部中，但是并不限定于此，燃料气体供给集流管121、氧化剂气体供给集流管123以及冷却介质供给集流管125只要被设置于单电池层叠体70的上部(例如，从单电池层叠体70的上端到上端和下端之间的长度的1/2为止的部分)，那么其形态不受限定。
如此构成的实施方式2所涉及的燃料电池堆101也能够取得与实施方式1所涉及的燃料电池堆101相同的作用效果。另外，具备实施方式2所涉及的燃料电池堆101的燃料电池热电联供系统100也能够取得与实施方式1所涉及的燃料电池热电联供系统100相同的作用效果。
(实施方式3)
本发明的实施方式3示例了冷却介质排出集流管被配设成收纳于由氧化剂气体排出集流管所形成的凹部的方式。
图6是从单电池的厚度方向看到本发明的实施方式3所涉及的燃料电池堆的单电池层叠体的透视图。还有，在图6中，将单电池层叠体中的上下方向作为图中的上下方向来加以表示，并且省略了其一部分。
如图6所示，本发明的实施方式3所涉及的燃料电池热电联供系统100其基本结构与实施方式2所涉及的燃料电池热电联供系统100相同，但是从单电池10的厚度方向看，被配设成冷却介质排出集流管126全部收纳于由氧化剂气体排出集流管124形成的凹部120中，在这一点上有所不同。具体是，从单电池10的厚度方向看，燃料气体排出集流管122被形成为大致矩形。另外，从单电池10的厚度方向看，氧化剂气体排出集流管124以形成凹部120的方式并且以向单电池10的内侧(在这里是上方)进行开放的方式，被形成为U字状。于是，从单电池10的厚度方向看，冷却介质排出集流管126与实施方式2的冷却介质排出集流管126同样，被形成为大致矩形状，并且被配设成其整体收纳于凹部120中。
以如此方式构成的实施方式3所涉及的燃料电池堆101也能够取得与实施方式2所涉及的燃料电池堆101相同的作用效果。另外，在本实施方式3所涉及的燃料电池堆101中，冷却介质排出集流管126的整体被配设成收纳于由气体流量较大并且保持热量大的阴极尾气所流通的氧化剂气体排出集流管124形成的凹部120中，所以冷却介质排出集流管126的绝热效果变大。再有，具备实施方式3所涉及的燃料电池堆101的燃料电池热电联供系统100也能够取得与实施方式2所涉及的燃料电池热电联供系统100相同的作用效果。
(实施方式4)
本发明的实施方式4示例了冷却介质排出集流管被配设成收纳于由燃料气体排出集流管所形成的凹部中的方式。
图7是从单电池的厚度方向看本发明的实施方式4所涉及的燃料电池堆的单电池层叠体的透视图。还有，在图7中，将单电池层叠体中的上下方向作为图中的上下方向来加以表示的，并且省略了其一部分。
如图7所示，本发明的实施方式4所涉及的燃料电池热电联供系统100其基本结构与实施方式1所涉及的燃料电池热电联供系统100相同，但是在以下方面不同：从单电池10的厚度方向看，冷却介质排出集流管126的至少一部分被配设成收纳于由燃料气体排出集流管122所形成的凹部120中。具体是，从单电池10的厚度方向看，燃料气体排出集流管122被形成为大致矩形状。另外，从单电池10的厚度方向看，燃料气体排出集流管122以形成凹部120的方式并且以向单电池10的内侧(在这里是上方)进行开放的方式，被形成为U字状。于是，从单电池10的厚度方向看，冷却介质排出集流管126与实施方式1的冷却介质排出集流管126同样被形成为大致矩形状，并且被配设成其至少一部分收纳于凹部120中。
以如此方式构成的本实施方式4所涉及的燃料电池堆101也能够取得与实施方式2所涉及的燃料电池堆101相同的作用效果。另外，具备本实施方式2所涉及的燃料电池堆101的燃料电池热电联供系统100也能够取得与实施方式2所涉及的燃料电池热电联供系统100相同的作用效果。
(实施方式5)
本发明的实施方式5示例了燃料电池堆由所谓外部集流管型燃料电池堆构成的方式。
图8是示意性地表示本发明的实施方式5所涉及的燃料电池热电联供系统中的燃料电池堆的概略结构的斜视图。另外，图9是从单电池的厚度方向看图8所表示的燃料电池堆的透视图。还有，在图9中，将燃料电池堆101中的上下方向作为图中的上下方向来加以表示，并且省略了其一部分。
如图8以及图9所示，本发明的燃料电池热电联供系统100其基本结构与实施方式1所涉及的燃料电池热电联供系统100相同，但是在以下方面不同：燃料电池堆101由在单电池10的外部设置有箱状的各个集流管的所谓外部集流管型燃料电池堆构成。具体是，在燃料电池堆101的上部，设置有：形成了燃料气体供给集流管121的第1框体131、形成了氧化剂气体供给集流管123的第3框体133以及形成了冷却介质供给集流管125的第5框体135。另外，在燃料电池堆101的下部，设置有：形成了燃料气体排出集流管122的第2框体132、形成了氧化剂气体排出集流管124的第4框体134以及形成了冷却介质排出集流管126的第6框体136。
第2框体132被形成为沿着单电池10的厚度方向进行延伸，并且从单电池10的厚度方向看被形成为大致L字状。另外，在第2框体132中形成有沿着单电池10的厚度方向进行延伸的内部空间122，从单电池10的厚度方向看，该内部空间122由大致矩形状的主体部122a和被形成为从该主体部122a朝着燃料电池堆101的第2侧部进行延伸的大致矩形状的延伸部122b所构成，即其截面被形成为大致L字状。并且，该内部空间122构成燃料气体排出集流管122。再有，在第2框体132的上表面设置有开口132a，其与燃料气体流路6的下游端相连通。
同样，第4框体134被形成为沿着单电池10的厚度方向进行延伸，并且从单电池10的厚度方向看被形成为大致L字状。另外，在第4框体134中形成有在单电池10的厚度方向进行延伸的内部空间124，从单电池10的厚度方向看，该内部空间124由大致矩形状的主体部124a和被形成为从该主体部124a朝着燃料电池堆101的第1侧部进行延伸的大致矩形状的延伸部124b所构成，即其截面被形成为大致L字状。并且，该内部空间124构成氧化剂气体排出集流管124。再有，在第4框体134的上表面设置有开口134a，其与氧化剂气体流路7的下游端相连通。
并且，从单电池10的厚度方向看，由第2框体132和第4框体134形成凹部120，并以嵌合于该凹部120中的方式配设第6框体136。第6框体136被形成为沿着单电池10的厚度方向进行延伸，从单电池10的厚度方向看被形成为大致矩形状。另外，在第6框体136中形成有内部空间126，从单电池10的厚度方向看，其被形成为大致矩形状并沿着单电池10的厚度方向进行延伸。该内部空间126构成冷却介质排出集流管126。即，从单电池10的厚度方向看，冷却介质排出集流管126被配设成其全部收纳于凹部120中。再有，在第6框体136的上表面设置有开口136a，其与冷却介质流路8的下游端相连通。
还有，第1框体131、第3框体133以及第5框体135分别与第2框体132、第4框体134以及第6框体136同样地构成，因此省略其详细的说明。
以如此方式构成的本实施方式5所涉及的燃料电池堆101也能够取得与实施方式2所涉及的燃料电池堆101相同的作用效果。另外，具备本实施方式5所涉及的燃料电池堆101的燃料电池热电联供系统100也能够取得与实施方式2所涉及的燃料电池热电联供系统100相同的作用效果。
还有，在本实施方式5中，由形成了燃料气体排出集流管122的第2框体132和形成了氧化剂气体排出集流管124的第4框体134形成了凹部120，但是并不限定于此，凹部120也可以只由形成了氧化剂气体排出集流管124的第4框体134来加以形成，也可以只由形成了燃料气体排出集流管122的第2框体132来加以形成。
另外，虽然将燃料气体排出集流管122以及氧化剂气体排出集流管124的从单电池10的厚度方向看到的形状制成大致L字状，另外，将冷却介质排出集流管126的从单电池10的厚度方向看到的形状制成大致矩形状，但是并不限定于此，与实施方式1同样，只要燃料气体排出集流管122以及/或者氧化剂气体排出集流管124形成凹部120且冷却介质排出集流管126被配设成至少其一部分收纳于凹部120中，那么燃料气体排出集流管122、氧化剂气体排出集流管124以及冷却介质排出集流管126的形状分别可以为任何形状，例如，从单电池10的厚度方向看，各个集流管可以被形成为圆弧状。
根据上述说明，对于本领域技术人员来说，本发明的诸多改良或者其它实施方式是显而易见的。因此，上述说明应当仅仅被作为示例解释，是以向本领域技术人员教导实施本发明的最佳方式的目的而提供的。可以不脱离本发明的精神而实质性地变更其构造以及/或者功能的细节。另外，通过对上述实施方式所公开的多个构成要素作适当的组合，能够形成各种发明。
产业上的利用可能性
本发明的燃料电池堆以及具备其的燃料电池热电联供系统能够减少从冷却介质排出集流管向大气释放的放热量，并且能够提高燃料电池堆甚至于燃料电池热电联供系统的热回收效率，所以在燃料电池领域中是有用的。
符号说明
1 高分子电解质膜
2A 阳极
2B 阴极
3 电极组件
4A 阳极隔板
4B 阴极隔板
5 密封垫圈
6 燃料气体流路
7 氧化剂气体流路
8 冷却介质流路
10 单电池
21 燃料气体供给集流管孔
24 氧化剂气体排出集流管孔
31 燃料气体内部流路
32 氧化剂气体内部流路
33 冷却介质内部流路
41 阳极气体配管
42 阳极尾气配管
43 阴极气体配管
44 阴极尾气配管
45 燃烧废气配管
51 冷却介质配管
52 废冷却介质配管
53 热介质循环路径
61 绝热构件
70 单电池层叠体
71A 端板
71B 端板
72A 绝缘板
72B 绝缘板
73A 集电板
73B 集电板
100 燃料电池热电联供系统
101 燃料电池堆
102 氢生成装置
102A 燃烧器
103 第1热交换器
104 第2热交换器
105 第3热交换器
106 第4热交换器
107 空气供给器
108 冷却介质储罐
109 热利用设备
110 控制器
120 凹部
121 燃料气体供给集流管
122 燃料气体排出集流管
122a 主体部
122b 延伸部
123 氧化剂气体供给集流管
124 氧化剂气体排出集流管
124a 主体部
124b 延伸部
125 冷却介质供给集流管
126 冷却介质排出集流管
131 第1框体
132 第2框体
132a 开口
133 第3框体
134 第4框体
134a 开口
135 第5框体
136 第6框体
136a 开口

Claims (9)

1.燃料电池堆，其特征在于：
具备：
单独或者被层叠了的多个单电池，该单电池具有阳极以及阴极，并被形成为板状，
由贯通孔构成的燃料气体排出集流管，被配设成沿着所述单电池的厚度方向进行延伸，其中流通在所述阳极上没有被使用的阳极尾气，
由贯通孔构成的氧化剂气体排出集流管，被配设成沿着所述单电池的厚度方向进行延伸，其中流通在所述阴极上没有被使用的阴极尾气，以及
由贯通孔构成的冷却介质排出集流管，被配设成沿着所述单电池的厚度方向进行延伸，其中流通从所述单电池回收了热的废冷却介质；
从所述单电池的厚度方向看，在所述冷却介质排出集流管与最接近于所述冷却介质排出集流管的隔板端部之间，配设有所述氧化剂气体排出集流管以及所述燃料气体排出集流管，
从所述单电池的厚度方向看，在所述冷却介质排出集流管与最接近于所述冷却介质排出集流管的隔板端部之间，所述燃料气体排出集流管以及所述氧化剂气体排出集流管被配设成形成凹部，
所述冷却介质排出集流管被配设成，从上下方向看，与所述燃料气体排出集流管以及/或者所述氧化剂气体排出集流管相重叠，并且，至少其一部分收纳于所述凹部中。
2.如权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于：
所述冷却介质排出集流管的全部被配设成收纳于所述凹部中。
3.如权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于：
所述凹部向所述单电池的内侧开放。
4.如权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于：
从相对于所述单电池的层叠方向而言的垂直方向看，所述冷却介质排出集流管被配设成与所述燃料气体排出集流管以及/或者所述氧化剂气体排出集流管相重叠。
5.如权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于：
所述氧化剂气体排出集流管以及/或者所述燃料气体排出集流管的至少一部分被配设于所述冷却介质排出集流管与最接近于所述冷却介质排出集流管的隔板端部之间的区域。
6.如权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于：
所述燃料电池堆被绝热构件覆盖。
7.如权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于：
所述燃料气体排出集流管、所述氧化剂气体排出集流管以及所述冷却介质排出集流管被设置于所述单独或者被层叠了的多个单电池的内部。
8.如权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于：
所述燃料气体排出集流管、所述氧化剂气体排出集流管以及所述冷却介质排出集流管被设置于所述单独或者被层叠了的多个单电池的外部。
9.一种燃料电池热电联供系统，其特征在于：
具备：
权利要求1所述的燃料电池堆，
阳极尾气配管，连接于所述燃料气体排出集流管的下游端，并从该燃料气体排出集流管中排出阳极尾气，
阴极尾气配管，连接于所述氧化剂气体排出集流管的下游端，并从该氧化剂气体排出集流管中排出阴极尾气，
废冷却介质配管，连接于所述冷却介质排出集流管的下游端，并从该冷却介质排出集流管中排出废冷却介质，以及
热交换器，在所述阳极尾气或者所述阴极尾气与热介质之间进行热交换。
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