CN107925102B - 燃料电池模块以及燃料电池装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的燃料电池模块具备：收纳容器、单元堆、改性器和含氧气体供给部。单元堆是多个柱状的燃料电池单元沿着预先规定的排列方向被设置，被收纳于收纳容器内。改性器被配设于收纳容器内的单元堆的上方，生成被供给至燃料电池单元的燃料气体。含氧气体供给部沿着燃料电池单元的排列方向而与单元堆以及改性器对置地配设，具有被供给至燃料电池单元的含氧气体从上方向下方流动的气体流路。再有，含氧气体供给部的气体流路具有：第1区域、和含氧气体流动的方向以及与燃料电池单元的排列方向垂直的方向的流路宽度比该第1区域宽的第2区域。

Description

燃料电池模块以及燃料电池装置
技术领域
本发明涉及燃料电池模块以及燃料电池装置。
背景技术
近年来，作为下一代能源，提出了各种将单元堆装置收纳于收纳容器内而成的燃料电池模块，该单元堆装置具备将作为一种单元的燃料电池单元排列多个而成的单元堆(例如，参照专利文献1)。
在上述的收纳容器中，设有生成向燃料电池单元供给的燃料气体的改性器、用于向燃料电池单元供给含氧气体的流路、以及将从燃料电池单元排出的排出气体向收纳容器的外部排出的流路。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2007-59377号公报
发明内容
本公开的燃料电池模块具备：收纳容器、单元堆、改性器和含氧气体供给部。所述单元堆是多个柱状的燃料电池单元沿着预先规定的排列方向被设置，被收纳于所述收纳容器内。所述改性器被配设于所述收纳容器内的所述单元堆的上方，生成被供给至所述燃料电池单元的燃料气体。所述含氧气体供给部沿着所述燃料电池单元的排列方向而与所述单元堆以及所述改性器对置地配设，具有被供给至所述燃料电池单元的含氧气体从上方向下方流动的气体流路。再有，所述含氧气体供给部的所述气体流路具有：第1区域、和含氧气体流动的方向以及与所述燃料电池单元的排列方向垂直的方向的流路宽度比该第1区域宽的第2区域。
本公开的燃料电池装置包括：上述燃料电池模块、和收纳该燃料电池模块的外装壳体。
附图说明
本发明的目的、特点以及优点通过以下的详细说明和附图将会更为明确。
图1是表示本实施方式的燃料电池模块中收纳的单元堆装置的一例的立体图。
图2A是表示图1所示的单元堆装置的侧视图，图2B是提取图2A的一部分而从上方观察到的放大剖视图。
图3表示本实施方式的燃料电池模块的立体图。
图4是图3所示的燃料电池模块的剖视图。
图5是表示其他的实施方式的燃料电池模块的剖视图。
图6A是将图5所示的燃料电池模块中收纳的改性器提取出进行表示的立体图，图6B是将图5所示的燃料电池模块中收纳的改性器提取出进行表示的俯视图。
图7是表示在本实施方式的单元堆装置的上方具备图6A、6B所示的改性器的构成的一例的侧视图。
图8是表示其他的实施方式的燃料电池模块的剖视图。
图9是将本实施方式的燃料电池模块的排出气体回收部的底面的一部分提取出进行表示的俯视图。
图10是示意地表示本实施方式的燃料电池装置的一例的分解立体图。
具体实施方式
以下，参照附图对本实施方式的燃料电池模块以及燃料电池装置进行说明。另外，对于不同的图中的共同的构成要素，付与同一符号。
图1是表示构成本实施方式的一例的燃料电池模块的单元堆装置的一例的立体图。图2A是表示图1所示的单元堆装置的侧视图，图2B是将图2A的一部分提取出而从上方进行观察的放大剖视图。
在图1、图2A、图2B所示的单元堆装置1中，并排设置2个单元堆2。单元堆2在将具有燃料气体在内部从一端流通至另一端的气体流路15的燃料电池单元3竖立设置的状态下被排列为一列(图1所示的X方向)。此外，相邻的燃料电池单元3之间经由导电部件6而被电串联连接。再有，具备2个将燃料电池单元3的下端通过绝缘性粘接件9而被固定于歧管4而成的单元堆2。
另外，在图1以及图2A、图2B中，作为燃料电池单元3例示了是具有多个在内部燃料气体沿长边方向流通的气体流路15的中空平板型、且在具有气体流路15的支承体的表面按燃料极层、固体电解质层以及氧极层的顺序依次层叠而成的固体氧化物形的燃料电池单元3。另外，在燃料电池单元3之间，流通含氧气体。对于燃料电池单元3的构成在后面叙述。另外，在本实施方式的燃料电池模块中，燃料电池单元3也能够形成为例如平板型或者圆筒型，单元堆装置1的形状也能够一并地适当变更。
此外，配置有经由导电部件6与位于单元堆2的最外侧的位置的燃料电池单元3电连接的单元堆支承部件7(以下，有时简记为“堆支承部件7”)。也能够在堆支承部件7的外侧设置保护罩。保护罩保护堆支承部件7以及单元堆2，防止与配置于单元堆2的周围的隔热部件的接触或者来自外部的冲击。此外，在堆支承部件7连接有向单元堆2的外侧突出的电流引出部8。
另外，图1以及图2A、图2B中，示出了单元堆装置1具备2个单元堆2的情况，但是其个数能够适当变更。例如，单元堆装置1也可以仅具备1个单元堆2。此外，单元堆装置1也能够包含后述的改性器。
此外，歧管4具备：气体壳体，贮存向燃料电池单元3供给的燃料气体，且在上面具有开口部；和框体，在内侧固定燃料电池单元3，并且被固定于气体壳体。
燃料电池单元3的一端部(图2A的下端部)被框体包围，通过框体的内侧所充填的绝缘性粘接件9来固定燃料电池单元3的下端部的外周。也就是说，单元堆2在框体的内侧并排收容多个燃料电池单元3，通过绝缘性粘接件9而粘接于框体。另外，绝缘性粘接件9由玻璃等的材料构成，能够使用考虑热膨胀系数而添加了给定的填料的材料。
此外，在歧管4的上面，连接有由后述的改性器所生成的燃料气体流通的气体流通管5。燃料气体经由气体流通管5而被供给至歧管4，由歧管4向设置于燃料电池单元3的内部的气体流路15进行供给。
在此，如图2B所示，燃料电池单元3由在具有一对相对置的平坦面的柱状的导电性支承体(以下，有时简记“支承体”)的一个平坦面上依次层叠燃料侧电极层10、固体电解质层11以及空气侧电极层12而成的柱状(中空平板状等)构成。此外，在燃料电池单元3的另一个平坦面上设有内部连接器13，在内部连接器13的外表面(上表面)设有P型半导体层16。经由P型半导体层16而使导电部件6连接于内部连接器13，由此两者的接触成为欧姆接触，能够减少电位降低有效地避免集电性能的降低。另外，图1中，省略了导电部件6、堆支承部件7的记载。此外，支承体14也能够兼具燃料侧电极层10，在其表面依次层叠固体电解质层11以及空气侧电极层12而构成单元。
燃料侧电极层10能够使用一般公知的材料，能够由多孔质的导电性陶瓷、例如固溶有稀土类元素氧化物的ZrO2(成为稳定化氧化锆，也包含部分稳定化的情况)、Ni以及/或者NiO形成。
固体电解质层11具有作为进行燃料侧电极层10以及空气侧电极层12间的电子的桥接的电解质的功能，同时为了防止燃料气体与含氧气体的泄漏而需要具有气体隔断性，例如由固溶有3～15摩尔％的稀土类元素氧化物的ZrO2形成。另外，只要具有上述特性，也可以使用其他材料等来形成。
空气侧电极层12是一般所使用的材料即可没有特别限制，例如能够利用由所谓的ABO3型的钙钛矿型氧化物构成的导电性陶瓷来形成。空气侧电极层12需要具有透气性，开气孔率能设为20％以上，特别地可设为30～50％的范围。
作为支承体14，为了使燃料气体透过至燃料侧电极层10而具有透气性，进而为了经由内部连接器13进行导电而具有导电性。因此，作为支承体14，能够使用导电性陶瓷、金属陶瓷等。在制作燃料电池单元3时，在通过与燃料侧电极层10或者固体电解质层11的同时烧成来制作支承体14的情况下，可以由铁族金属成分和特定稀土类氧化物来形成支承体14。此外，在图2B所示的燃料电池单元3中，柱状(中空平板状)的支承体14是在立设方向(图1所示的Y方向)细长地延伸的板状片，具有平坦的两面和半圆形状的两侧面。此外，支承体14为了具备透气性，开气孔率为30％以上较为合适，特别是处于35～50％的范围，并且其导电率能够设为300S/cm以上，特别地能够设为440S/cm以上。此外，支承体14的形状是柱状即可，也可以是圆筒状。
作为P型半导体层16，能够例示由过渡金属钙钛矿型氧化物构成的层。具体而言，能够使用电子传导性比构成内部连接器13的材料高的材料、例如由在B位置存在Mn、Fe、Co等的LaMnO3系氧化物、LaFeO3系氧化物、LaCoO3系氧化物等的至少一种构成的P型半导体陶瓷。这种P型半导体层16的厚度一般能够设为30～100μm的范围。
内部连接器13如上述那样能够使用镧铬铁矿系的钙钛矿型氧化物(LaCrO3系氧化物)、或者镧钛锶系的钙钛矿型氧化物(LaSrTiO3系氧化物)。这些材料具有导电性，并且即便与燃料气体(氢含有气体)以及含氧气体(空气等)接触也不会被还原或者氧化。此外，内部连接器13为了防止形成于支承体14的气体流路15中流通的燃料气体、以及支承体14的外侧所流通的含氧气体的泄漏而是致密材质即可，能够具有93％以上的相对密度，特别地能够设为95％以上的相对密度。
并且，为了将燃料电池单元3电连接而插入安装的导电部件6以及堆支承部件7通过由具有弹性的金属或者合金组成的部件或者对由金属纤维或者合金纤维组成的毡物实施了必要的表面处理之后的部件来构成。
图3是表示具备本实施方式的单元堆装置的燃料电池模块的一例的外观立体图，图4是图3所示的燃料电池模块的剖视图。
在图3所示的燃料电池模块17中，在收纳容器19的内部收纳了本实施方式的单元堆装置1。另外，在单元堆装置1的上方，配置有用于生成向燃料电池单元3供给的燃料气体的改性器20。
此外，图3所示的改性器20对经由原燃料供给管23所供给的天然气或者灯油等的原燃料进行改性而生成燃料气体。另外，改性器20能够进行改性效率良好的改性反应即水蒸气改性。改性器20具备用于使水汽化的汽化部21、和配置有用于将原燃料改性为燃料气体的改性催化剂(未图示)的改性部22。
此外，图3中表示将收纳容器19的一部分(前后面)拆除、将被收纳于内部的单元堆装置1在后方取出的状态。在此，在图3所示的燃料电池模块17中，能够将单元堆装置1在收纳容器19内滑动地收纳。
另外，在收纳容器19的内部，配置有含氧气体供给部件24。含氧气体供给部件24被配置于在歧管4上并排设置的单元堆2之间，含氧气体从下端部向上端部流过燃料电池单元3间。
如图4所示，构成燃料电池模块17的收纳容器19是具有内壁25和外壁26的双重构造，由外壁26形成收纳容器19的外框，并且由内壁25形成收纳单元堆装置1的收纳室27。
在此，收纳容器19具备将从外部导入的含氧气体导入至收纳室27的含氧气体导入部28。被导入至含氧气体导入部28的含氧气体在由收纳室27的侧方的内壁25和外壁26所设置并与含氧气体导入部28相连的含氧气体流通部29中向上方流动。接下来，含氧气体在由收纳室27的上方的内壁25和外壁26所形成并与含氧气体流通部29相连的含氧气体分配部30中流动。并且，在含氧气体分配部30，作为气体供给部的含氧气体供给部件24贯通内壁25而被插入固定。含氧气体供给部件24具备用于在上端侧流入含氧气体的含氧气体流入口(未图示)和凸缘部31，在下端部设有用于向燃料电池单元3的下端部导入含氧气体的含氧气体流出口32。由此，含氧气体分配部30与含氧气体供给部件24相连。另外，在凸缘部31与内壁25之间配置有隔热部件33。
在此，由于改性器与含氧气体供给部件之间的热交换，有可能改性器的温度下降。这样，在改性器的温度下降的情况下，有可能改性器中的改性效率降低，进而存在发电效率降低的情况。
为此，在本实施方式的燃料电池模块17中，含氧气体供给部件24的气体流路具有：第1区域、以及含氧气体流动的方向以及与燃料电池单元的排列方向垂直的方向的流路宽度比该第1区域宽的第2区域。具体而言，含氧气体供给部件24具有：第1供给部分24a，被配置在2个燃料电池单元3间，构成气体流路的第1区域；第2供给部分24b，被设置于与改性器20对置的部分之间，在同一轴线上与第1供给部分24a相连，在上端形成上述的凸缘部31，构成气体流路的第2区域。第1供给部分24a在含氧气体流动的方向以及与燃料电池单元3的排列方向垂直的方向(图4的左右方向)上具有流路宽度W4。第2供给部分24b具有比第1供给部分24a的流路宽度W4宽的流路宽度W14。第1供给部分24a的流路宽度W4是例如1mm～10mm，第2供给部分24b的流路宽度W14是例如5mm～30mm。在第2供给部分24b的下端部，具有倾斜部24b1，该倾斜部24b1随着成为含氧气体流动的方向的下流侧而流路宽度从上述的流路宽度W14减少至第1供给部分24a的流路宽度W4，倾斜部24b1的下端与第1供给部分24a的上端相连，由第1供给部分24a和第2供给部分24b形成连续的气体流路。在这种的气体流路中，第2供给部分24b的流路宽度W14相对于第1供给部分24a的流路宽度W4的比(W14/W4)被设定为1.5～10。
如上述那样，由于含氧气体供给部件24被构成为第2供给部分24b的流路宽度W14大于第1供给部分24a的流路宽度W4，因此通过与改性器20的热交换而使得改性器20的温度下降得以抑制。这要是因为：通过改变第1供给部分24a与第2供给部分24b中流动的含氧气体的流速，从而改变含氧气体供给部件24与外侧的热交换量。也就是说，通过增大与改性器20对置的第2供给部分24b的流路宽度W14，从而能够使得含氧气体的流速变慢，由此能够降低热交换量。由此，能够防止改性器20中的改性效率的下降，能够提高发电效率。此外，在后面会进行叙述，在燃料电池单元3的上方使发电中未被使用的燃料气体进行燃烧的情况下，由于燃烧部近旁的温度下降被抑制，因此也能够提高燃烧性。
在第1供给部分24a的与2个单元堆2对置的侧面，分别设置向单元堆2侧突出的至少3个突出部24a1。各3个突出部24a1之中的配置于上下的至少2个突出部24a11保持隔热部件33，配置于中间的突出部24a12不保持隔热部件33而向开口部34内的空间突出。通过这种的不保持隔热部件33的突出部24a12，改善从开口部34内的单元堆2的侧方漏出的空气向单元堆2间的返回、对流，能够进一步使得单元堆2的温度分布平均化。
另外，在图4中，含氧气体供给部件24被配置为位于在收纳容器19的内部并排设置的2个单元堆2间，但能够根据单元堆2的数量而适当配置。例如，在收纳容器19内仅收纳1个单元堆2的情况下，能够设置2个含氧气体供给部件24，配置为从两侧方夹着单元堆2。
此外，在收纳室27内，适当地设有用于将燃料电池模块17内的温度维持在高温的隔热部件33，以使得不会燃料电池模块17内的热量被极端地放出、燃料电池单元3(单元堆2)的温度下降从而发电量降低。
隔热部件33也可以配置在单元堆2的近旁，特别地还可以配置沿着燃料电池单元3的排列方向而配置在单元堆2的侧方、并且具有与单元堆2的侧方的燃料电池单元3的沿着排列方向的宽度相同或者其宽度以上的宽度的隔热部件33。另外，隔热部件33也可以配置于单元堆2的两侧方。由此，能够有效地抑制单元堆2的温度下降。进而，能够抑制由含氧气体供给部件24导入的含氧气体从单元堆2的侧方被排出，能够促进构成单元堆2的燃料电池单元3间的含氧气体的流动。另外，在配置于单元堆2的两侧方的隔热部件33设有开口部34，该开口部34用于调整被供给至燃料电池单元3的含氧气体的流动、降低单元堆2的长边方向以及燃料电池单元3的层叠方向上的温度分布的偏差。
此外，在沿着燃料电池单元3的排列方向的内壁25的内侧，设有排出气体用内壁35，收纳室27的侧方的内壁25与排出气体用内壁35之间被作为收纳室27内的排出气体从上方向下方流动的排出气体流通部36。
此外，在收纳室27的下方、且含氧气体导入部28的上方，设有与排出气体流通部36相连的排出气体收集部37。排出气体收集部37与设置于收纳容器19的底部的排气孔38相通。此外，在排出气体用内壁35的单元堆2侧也设有隔热部件33。
由此，成为随着燃料电池模块17的工作(启动处理时、发电时、停止处理时)所产生的排出气体流过排出气体流通部36、排出气体收集部37之后由排气孔38进行排气的结构。另外，排气孔38可以将收纳容器19的底部的一部分切除而形成，此外也可以通过设置管状的部件而形成。
此外，在含氧气体供给部件24的内部，用于测定单元堆2近旁的温度的热电偶39被配置为：其测温部40位于燃料电池单元3的长边方向(图4的上下方向)的中央部且位于燃料电池单元3的排列方向(图4的与纸面垂直的方向)的中央部。
此外，在上述构成的燃料电池模块17中，使由燃料电池单元3中的气体流路15排出的发电中未被使用的燃料气体和含氧气体在燃料电池单元3的上端与改性器20之间进行燃烧，由此能够使得燃料电池单元3的温度上升/维持。能够一并对配置于燃料电池单元3(单元堆2)的上方的改性器20进行保温，能够在改性器20有效地进行改性反应。另外，在通常发电时，伴随着上述燃烧、燃料电池单元3的发电，燃料电池模块17内的温度成为500～800℃左右。
在此，在提高燃料电池单元3的发电效率时，含氧气体流过的各流路能够形成为含氧气体有效地流动的构造。也就是说，在图4所示的燃料电池模块17中，可以形成为被导入至含氧气体导入部28、在收纳室27的两侧方流动之后经由含氧气体分配部30而被导入至含氧气体供给部件24的含氧气体有效地流动并且均等地分配的构造。
因此，在本实施方式的燃料电池模块17中，首先在比较含氧气体导入部28的流路宽度W1与含氧气体流通部29的流路宽度W2的情况下，含氧气体流通部29的流路宽度W2比含氧气体导入部28的流路宽度W1窄。由此，能够将导入至含氧气体导入部28的含氧气体有效地流动至含氧气体流通部29。
在此，含氧气体流通部29的流路宽度W2能够设为即便由于收纳容器19的随着时间老化而内壁25、外壁26发生了变形也不会被闭塞的宽度，与含氧气体导入部28的流路宽度W1相比，能够设为1/3～1/30的范围。另外，对于含氧气体导入部28的流路宽度W1没有特别限制，但如果过大则存在燃料电池模块17大型化的问题。
另外，在分别对位于收纳室27的各个侧方的含氧气体流通部29的流路宽度W2进行比较的情况下，能够设为±10％的范围内。由此，被导入至含氧气体导入部28的含氧气体在收纳室27的各个侧方流过大致相同的量。
接下来，如图4、图5所示，在比较含氧气体分配部30的流路宽度W3与含氧气体供给部件24的流路宽度(内宽度)W4的情况下，含氧气体供给部件24的第1供给部分24a的流路宽度W4比含氧气体分配部30的流路宽度W3窄。由此，能够使得被导入至含氧气体分配部30的含氧气体有效地向含氧气体供给部件24流动。
在此，含氧气体供给部件24的流路宽度W4能够设为即便随着时间老化而含氧气体供给部件24发生变形也不会被闭塞的宽度，与含氧气体分配部30的流路宽度W3相比，能够设为1/2～1/30的范围。另外，对于含氧气体分配部30的流路宽度W3没有特别限制，但是如果过大则存在燃料电池模块17大型化的问题。另外，在决定上述流路宽度时，能够考虑含氧气体流出口32的压力损耗来决定。
另一方面，在收纳室27中，会产生发电中未被利用的燃料气体、含氧气体、使该燃料气体燃烧而生成的燃烧气体等的排出气体等。对于该排出气体，通过有效地向收纳容器19的外部排出，其结果可向燃料电池单元3有效地供给含氧气体。
因此，在本实施方式的燃料电池模块17中，在比较设置于收纳室27的侧方的排出气体流通部36的流路宽度W5与设置于收纳室27的下方的排出气体收集部37的流路宽度W6的情况下，排出气体流通部36的流路宽度W5比排出气体收集部37的流路宽度W6窄。由此，在收纳室27的各个侧方的排出气体流通部36中流动的排出气体通过排出气体收集部37而被有效地混合，经由排气孔38而向外部有效地废弃。
在此，排出气体流通部36的流路宽度W5能够设为即便由于随着时间老化而排出气体流通部36发生变形也不会被闭塞的宽度，与排出气体收集部37的流路宽度W6相比，能够设为1/3～1/30的范围。另外，对于排出气体流通部36的流路宽度W6没有特别的限制，但是如果过大则存在燃料电池模块17大型化的问题。
另外，在分别对位于收纳室27的各个侧方的排出气体流通部36的流路宽度W5进行比较的情况下，能够设为±10％的范围内。由此，收纳室27中的排出气体在收纳室27的各个侧方流过相同的量。
此外，也能够形成为在上述燃料电池模块17的收纳室27收纳电解单元堆装置而成的电解模块，该电解单元堆装置是作为单元而排列能够与水蒸气施加电压而生成氢的电解单元而成的。该情况下，作为由水蒸气产生氢时的副产物，氧由电解单元排出。但是，若在收纳室27中存在高浓度的氧，则由于某些的冲击等而有可能发生着火，此外电解单元自身由于氧化而有可能劣化。
因此，在该情况下，作为第1气体而使用空气，利用空气来清除收纳室27内(换言之，与高浓度的氧替换)，从而能够抑制着火的担忧、电解单元的劣化。也就是说，该情况下，包含高浓度的氧的气体成为排出气体。这样，即便在具备电解单元堆装置的电解模块中，也能够形成为效率(电解效率)优异的模块。
图5是表示本实施方式的其他的一例的剖视图。图5所示的燃料电池模块41相比于图4所示的燃料电池模块17，不同的三点如下：在收纳室42内收纳有4个单元堆装置43；在各单元堆装置43之间设有排出气体流通部件44；如图6A、图6B所示，在4个单元堆的上方设有1个改性器45。另外，对于与图4所示的燃料电池模块17相同的构成，利用相同的符号，并省略说明。
在收纳室42内收纳有多个单元堆装置43的情况下，特别地从位于中央部侧的位置的单元堆装置43中的燃料电池单元3到位于收纳室42的侧方的位置的排出气体流通部36为止的距离变长。该情况下，从位于中央部侧的单元堆装置43中的燃料电池单元3排出的排出气体有时难以有效地排出至外部。
特别地，在燃料电池单元3的上端侧使发电中未被使用的燃料气体燃烧，通过该燃烧热量将燃料电池单元3的温度维持在高温的构成的燃料电池装置中，在燃料电池单元3的上端侧排出气体滞留，无法使发电中未被使用的燃料气体顺利地燃烧，有可能产生灭火。特别在发生了灭火的情况下，燃料电池单元3的温度不上升，或者无法维持在高温，作为其结果存在燃料电池单元3(单元堆装置43)的发电量下降的风险。
因此，在图5所示的本实施方式的燃料电池模块41中，除了上述排出气体流通部36以外，在相邻的单元堆装置43之间，还设有用于将发电中未被使用的排出气体排出的排出气体流通部件44。
该排出气体流通部件44由筒状的容器构成，在上端部将与收纳室42连通的排出气体流入口46配置于两侧方，并且作为下端的排出口47与设置于收纳室42的下方的排出气体收集部37连通。另外，在图5中，表示了由外观为长方体状并且形成筒状即四角筒体的容器来形成排出气体流通部件44的例子，但是也可以形成为将圆筒状的容器排列多个的构成。
也就是说，在各个单元堆装置43的侧方，配置排出气体流通部36或者排出气体流通部件44的任意，发电中未被使用的排出气体向对于构成各个单元堆装置43的单元堆2而言较近一侧的排出气体流通部36或者排出气体流通部件44有效地流动。
由此，在能够抑制排出气体滞留在燃料电池单元3的上端侧、能够将排出气体有效地排气、并且在燃料电池单元3的上方使其燃烧的构成的单元堆装置43中，能够抑制灭火，因此能够形成为提高了发电量的燃料电池模块41。
另外，在比较排出气体流通部件44的流路宽度W7与设置于收纳室42的下方的排出气体收集部37的流路宽度W6的情况下，排出气体流通部件44的流路宽度W7比排出气体收集部37的流路宽度W6窄。由此，排出气体流通部件44中流动的排出气体由排出气体收集部37被有效地混合，经由排气孔38而被排除至外部。
具体而言，排出气体流通部件44的流路宽度W7与排出气体收集部37的流路宽度W6相比，能够设为1/3～1/30的范围。另外，对于排出气体收集部37的流路宽度W6没有特别限制，但是如果过大则存在燃料电池模块41大型化的问题。
另外，在分别比较各个排出气体流通部件44的流路宽度W7的情况下，能够设为±10％的范围内。由此，在各个排出气体流通部件44中流动大致相同的量的排出气体。
图6A、图6B是放大表示图5所示的燃料电池模块中收纳的改性器的立体图以及俯视图，图7是表示在本实施方式的单元堆装置的上方具备图6A、图6B所示的改性器的构成的一例的侧视图。
在图5的燃料电池模块41中，在4个单元堆2的上方，具备图6A、图6B所示的W字状(弯折形状)的改性器45。如图6A、图6B所示那样，改性器45具备：使水汽化而生成水蒸气的汽化部45a、利用该汽化部45a中所产生的水蒸气来对原燃料进行水蒸气改性的改性部45b。
汽化部45a具备：水蒸气由一端侧流向另一端侧流动的汽化部去路45a1、和水蒸气由另一端侧向一端侧流动的汽化部回路45a2。此外，在汽化部去路45a1具备：在内部从一端部沿着汽化部去路45a1突出的筒状部48a、以及与一端部连接而向筒状部48a供给水的水供给部48b。另外，筒状部48a除了设置为比构成汽化部45a的管体向内侧突出、从而在该筒状部48a同轴地连接作为水供给部48b的水供给管48的分体构造以外，也可以是将作为水供给部48b的水供给管48由外部插入内部、水供给管48的一部分成为筒状部48a的一体构造。在以下的说明中，利用水供给管48由外部插入内部的构成来进行说明。
此外，改性部45b具备：对由原燃料供给部即原燃料供给管23所供给的原燃料进行改性而生成的改性气体从一端侧向另一端侧流动的改性部去路45b1、和改性气体从另一端侧向一端侧流动的改性部回路45b2。在改性部回路4562连接有用于导出改性气体的改性气体导出管49。在图6A、图6B所示的改性器45中，水供给管48、原燃料供给管23以及改性气体导出管49连接在改性器45的一侧。
进而，在改性器45中，汽化部去路45a1的另一端侧与汽化部回路45a2的另一端侧通过连结路(以下，称为汽化部连结路。)45c1而连结，汽化部回路45a2的一端侧与改性部去路45b1的一端侧通过连结路(以下，称为汽化改性部连结路。)45c2而连结，改性部去路45b1的另一端侧与改性部回路45b2的另一端侧通过连结路(以下，称为改性部连结路。)45c3而连结，汽化部去路45a1、汽化部回路45a2、改性部去路45b1以及改性部回路45b2被排列设置为侧方相对置。
在改性器45中，向汽化部去路45a1供给的水成为水蒸气，按汽化部连结路45c1、汽化部回路45a2、汽化改性部连结路45c2、改性部去路45b1的顺序流过。此外，在汽化改性部连结路45c2中，从作为原燃料供给部23b的原燃料供给管23供给原燃料，在汽化改性部连结路45c2与水蒸气混合，在改性部去路45b1、改性部连结路45c3以及改性部回路45b2中流动的期间被改性，生成含有氢的改性气体(燃料气体)，从改性气体导出管49被导出。
汽化部去路45a1、汽化部回路45a2、改性部去路45b1、改性部回路45b2、汽化部连结路45c1、汽化改性部连结路45c2、改性部连结路45c3由于轴线垂直的横截面为矩形状的管体构成。
此外，在汽化部去路45a1以及汽化部回路45a2内中，分别设置间隔板45a11、45a21，这些间隔板45a11、45a21间被作为汽化室，水供给管48的前端部(筒状部)位于间隔板45a11的上流侧，向汽化室跟前的位置供给水。在汽化室内，为了存进汽化，收纳有例如平均粒径为1mm以上且10mm以下的陶瓷球，间隔板45a11、45a21由多孔性板状体形成，使得水蒸气通过但是陶瓷球不通过。另外，这些间隔板45a11、45a21能够根据改性器的构造、后述的单元堆的构造等而适当地变更配置。
进而，在改性部去路45b1以及改性部回路45b2内，也分别配置间隔板45b11、45b21，位于间隔板45b11、45b21间的改性部去路45b1、改性部连结路1c3、改性部回路45b2被作为改性室。在该改性室中收纳有例如平均粒径为1mm以上且10mm以下的改性催化剂。间隔板45b11、45b21由多孔性板状体构成，使得水蒸气、原燃料、改性气体等气体能够通过但是改性催化剂不能通过。另外，这些间隔板45b11、45b21能够根据改性器的构造、后述的单元堆的构造等而适当地变更配置。
在这种的改性器45中，在汽化部45a与改性部45b之间的汽化改性部连结路45c2，连接供给原燃料的原燃料供给部23b即原燃料供给管23。在这种的改性器45中，由于原燃料供给管23连接于比水供给管48所连接的汽化部去路45a1靠下流侧的汽化改性部连结路45c2，因此供给水的地点与供给原燃料的地点介于构成汽化部去路45a1的管体与构成汽化部回路45a2的管体之间的空间位置，此外，如果在水蒸气的流动方向观察，则流动方向的长度较长。因此，即便原燃料是低温，在原燃料被追加混合时，已被供给的水几乎处于汽化，能够抑制改性器45的一部分(汽化部去路45a1)中的低温化。由此，能够提高改性效率。
并且，如图7所示，改性器45中所生成的改性气体(燃料气体)由改性气体导出管49供给至2个歧管4，经由歧管4而被供给至燃料电池单元3的内部所设置的气体流路15。
另外，改性器45中所生成的改性气体如图7所示那样由改性气体导出管49经由分配器50而供给至2个歧管4。也就是说，改性气体导出管49具备：从改性器45至分配器50的U字状的第1改性气体导出管49a、从分配器50向下方的2个歧管4分别延伸的第2改性气体导出管49b。为了将改性气体均等地供给至歧管4，第1改性气体导出管49a、第2改性气体导出管49b的长度考虑压力损耗而被设为相同的长度。
另外，在改性器45中，汽化部去路45a1、汽化部回路45a2、改性部去路45b1、改性部回路45b2分别与1个单元堆2对应地配置在单元堆2的上方。由此，能够对汽化部去路45a1、汽化部回路45a2、改性部去路45b1、改性部回路45b2分别有效地进行加热。
此外，其他的构成(例如水供给管48、间隔板45a11、45a21，45b11、45b21的位置等)能够适当变更，并不限于这些例子。
图8是表示本实施方式的另一个的燃料电池模块的一例的剖视图。图8所示的燃料电池模块150与图5所示的燃料电池模块41相比，不同之处在于：未设置配置于各单元堆装置43之间的排出气体流通部件44，在收纳室42的上方具备对由燃料电池单元3排出的排出气体进行回收的排出气体回收部51，排出气体回收部51与排出气体流通部36相连。
在图5所示的燃料电池模块41中，具有能够将由燃料电池单元3排出的排出气体有效地排出至外部的优点，但是排出气体流通部件44中流动的排出气体没有与由外部供给的含氧气体进行热交换，因此对于由外部供给的含氧气体与由燃料电池单元3排出的排出气体之间的热交换这一点还有改善的余地。
为此，在图8所示的燃料电池模块150中，在收纳室42的上方设置对由燃料电池单元3排出的排出气体进行回收的排出气体回收部51，该排出气体回收部51与排出气体流通部36相连，从而由燃料电池单元3排出的排出气体的全部能够与由外部供给的含氧气体进行热交换。由此，能够将温度上升的含氧气体供给至燃料电池单元3，其结果能够提高发电效率。
在此，也可以形成为被排出气体回收部51回收的排出气体有效地向排出气体流通部36流动的构成。因此，在本实施方式的燃料电池模块150中，在比较设置于收纳室42的侧方的排出气体流通部36的流路宽度W5与排出气体回收部51的流路宽度W8的情况下，排出气体流通部36的流路宽度W5比排出气体回收部51的流路宽度W8窄。由此，被排出气体回收部51回收的排出气向收纳室42的各个侧方处的排出气体流通部36有效地流动。由此，能够提高与含氧气体的热交换，能够使得发电效率提高。
在此，排出气体流通部36的流路宽度W5与排出气体回收部51的流路宽度W8相比，能够设为1/3～1/30的范围。另外，对于排出气体回收部51的流路宽度W8没有特别限制，但是如果过大则存在燃料电池模块150大型化的问题。
此外，在该排出气体回收部51的底面设有与收纳室42相连的回收孔52。由此，被排出至收纳室42的排出气体经由回收孔52而向排出气体回收部51流动。
图9是将排出气体回收部的底面的一部分放大表示的俯视图，如与改性器45的位置关系可知那样，以虚线表示改性器45。如图9所示，设置于排出气体回收部51的底面的多个回收孔52可以与改性器45对置地设置。如上述那样，利用使由燃料电池单元3排出的排出气体燃烧而生成的燃烧热量对改性器45进行加热，从而能够提高改性效率。因此，由燃料电池单元3排出的排出气体(燃烧排出气体)也可以在改性器45的周围流动之后，向排出气体回收部51流动。
为此，在本实施方式的燃料电池模块150中，将回收孔52与改性器45对置地设置。由此，由燃料电池单元3排出的排出气体(燃烧排出气体)有效地在改性器45的周围流动之后，向排出气体回收部51流动。由此，能够有效地提高改性器45的温度，能够提高改性效率。
另外，图9中，表示了与改性器45中的汽化部去路45a1、汽化部回路45a2、改性部去路45b1、改性部回路45b2分别对置地设置相同数量(本实施方式中为6)的回收孔52的例子，但是回收孔52的数量并不限于此。
例如，在改性器45中，汽化部去路45a1通过伴着水的汽化的吸热反应而温度下降，进而位于其下方的单元堆2的温度也有可能下降，因此为了使汽化部去路45a1的温度上升，也可以增多与汽化部去路45a1对置的回收孔52的数量。另外，回收孔52的数量、配置能够适当地设定。
图10是示意地表示在外装壳体内收纳有燃料电池模块17、41、150的任意、用于使各燃料电池模块17、41、150动作的辅助设备的燃料电池装置53的分解立体图。另外，图10中省略了一部分构成来表示。
图10所示的燃料电池装置53中，由间隔板56对包含多个(本实施方式中为4个)的支柱54和外装板55而构成的外装壳体内在上下进行划分，将其上方侧构成为收纳上述的各燃料电池模块17、41、150的模块收纳室57，将下方侧构成为收纳用于使各燃料电池模块17、41、150动作的辅助设备类的辅助设备收纳室58。另外，辅助设备收纳室58中收纳的辅助设备类省略表示。
此外，在间隔板56，用于使辅助设备收纳室58的空气向模块收纳室57侧流动的空气流通口59将间隔板56在厚度方向贯通而设置，在包围模块收纳室57的外装板55的一部分(即，在俯视下形成一边的部分)，靠其上部将该外装板55的一部分在厚度方向贯通而设置用于对模块收纳室57内的空气进行排气的排气口60。
在这种的燃料电池装置53中，通过将上述这种的各燃料电池模块17、41、150的任意收纳于外装壳体内，由此能够实现发电效率得以提高的燃料电池装置53。
以上，对本发明进行了详细说明，本发明并不限于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够进行各种的变更、改良等。例如，在上述的实施方式的燃料电池模块41、150中，对具备在4个单元堆2的上方配置1个改性器45的单元堆装置的方式进行了说明，但例如也可以是在2个或者3个单元堆2的上方配置1个改性器45的单元堆装置，还可以是在5个以上的单元堆2的上方配置1个改性器45的单元堆装置。该情况下，改性器45的形状适当变更即可。
进而，在上述的实施方式中，对在1个歧管4配置有2个单元堆2的方式进行了说明，但是也可以在1个歧管4配置1个单元堆2，此外还可以在1个歧管4配置3个以上的单元堆2。
再有，上述实施方式中，利用被称为所谓的“竖条型”的燃料电池单元3进行了说明，但也能够使用将一般被称为“横条型”的多个发电元件部设置于支承体上而成的横条型的燃料电池单元。
-符号说明-
2 单元堆
3、45 燃料电池单元
17、41、150 燃料电池模块
19 收纳容器
20 改性器
24 含氧气体供给部
53 燃料电池装置

Claims (6)

1.一种燃料电池模块，其特征在于，具备：
收纳容器；
单元堆，被收纳于该收纳容器内，多个柱状的燃料电池单元沿着预先规定的排列方向被设置；
改性器，被配设于所述收纳容器内的所述单元堆的上方，生成被供给至所述燃料电池单元的燃料气体；和
含氧气体供给部，沿着所述燃料电池单元的排列方向而与所述单元堆以及所述改性器对置地配设，具有被供给至所述燃料电池单元的含氧气体从上方向下方流动的气体流路，
该含氧气体供给部的所述气体流路具有：被配置于所述燃料电池单元间的第1区域、和被配置于与所述改性器对置的部分之间的、含氧气体流动的方向以及与所述燃料电池单元的排列方向垂直的方向的流路宽度比所述第1区域宽的第2区域，
被配置于所述燃料电池单元间的所述第1区域整体的流路宽度比所述第2区域的流路宽度窄。
2.根据权利要求1所述的燃料电池模块，其特征在于，
所述气体流路的所述第2区域被设置于与所述改性器对置的位置。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池模块，其特征在于，
所述第2区域的流路宽度相对于所述第1区域的流路宽度的比为1.5～10。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池模块，其特征在于，
在所述第1区域的与所述单元堆对置的面，设有至少3个向所述单元堆突出的突出部，至少2个该突出部对在所述单元堆与所述含氧气体供给部之间配设的隔热部件进行保持，并且位于保持所述隔热部件的所述突出部之间的至少1个所述突出部未保持所述隔热部件。
5.根据权利要求3所述的燃料电池模块，其特征在于，
在所述第1区域的与所述单元堆对置的面，设有至少3个向所述单元堆突出的突出部，至少2个该突出部对在所述单元堆与所述含氧气体供给部之间配设的隔热部件进行保持，并且位于保持所述隔热部件的所述突出部之间的至少1个所述突出部未保持所述隔热部件。
6.一种燃料电池装置，其特征在于，包括：
权利要求1至5中的任意一项所述的燃料电池模块；和
收纳所述燃料电池模块的外装壳体。
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