DE112020005879T5

DE112020005879T5 - Brennstoffzellenmodul

Info

Publication number: DE112020005879T5
Application number: DE112020005879.4T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Hayasaka; Yuuki Mukoubara; Takashi Ojiro; Yasuhiro Osada
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2019-11-27
Filing date: 2020-10-14
Publication date: 2022-09-15
Also published as: CN114730894A; JP2021086713A; US20220246954A1; US11923572B2; WO2021106407A1; JP7388154B2

Abstract

Ein Brennstoffzellenmodul (1) hat einen Behälter (70) und eine Vielzahl an Zellenelementen (CS), die radial im Inneren des Behälters angeordnet sind. Im Inneren des Behälters ist ein erster Fluidströmungspfad (230), durch den ein erstes Fluid strömt, das Wärme mit einem Innenabschnitt der Vielzahl an Zellenelementen austauscht, ausgebildet, und ist ein zweiter Fluidströmungspfad (240) ausgebildet, durch den ein zweites Fluid strömt, das Wärme mit einem Außenabschnitt der Vielzahl an Zellenelementen austauscht. Ein erster Wärmetauscherabschnitt (72), der den ersten Fluidströmungspfad ausbildet und Wärme mit dem Zellenelement austauscht, hat eine kleinere Wärmeübertragungsfläche mit dem Zellenelement als ein zweiter Wärmetauscherabschnitt (73), der den zweiten Fluidströmungspfad ausbildet und Wärme mit dem Zellenelement austauscht. Das erste Fluid strömt mit einer größeren Temperaturdifferenz mit dem Zellenelement als das durch den zweiten Fluidströmungspfad strömende zweite Fluid in dem ersten Fluidströmungspfad.

Description

Querverweis auf zugehörige Anmeldung
Die vorliegende Erfindung ist auf die am 27. November 2019 angemeldete japanische Patentanmeldung JP 2019-214232 gegründet, auf deren Beschreibung hierbei Bezug genommen wird.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellenmodul.
Hintergrund
In den letzten Jahren ist als eine Energiequelle der nächsten Generation ein Brennstoffzellenmodul vorgeschlagen worden, das dazu in der Lage ist, Elektrizität unter Verwendung eines wasserstoffenthaltenden Brennstoffgases und eines sauerstoffenthaltenden Oxidationsgases zu erlangen (siehe beispielsweise Patentdokument 1).
In Patentdokument 1 ist ein Brennstoffzellenmodul offenbart. In einem derartigen Brennstoffzellenmodul ist ein Rohbrennstoffgaskanal in einem mittleren Abschnitt eines zylindrischen Behältnisses so vorgesehen, dass er sich in einer axialen Richtung erstreckt, wobei ein Zwischenabschnitt des Rohbrennstoffgaskanals in einer zylindrischen Form so erweitert ist, dass ein Reformer ausgebildet ist, und ein Endabschnitt des Rohbrennstoffgaskanals zu einer zylindrischen Form erweitert ist, um eine Sammelleitung auszubilden. In dem Brennstoffzellenmodul sind eine Vielzahl an Zellen radial so angeordnet, dass sie den Rohbrennstoffgaskanal in einem Bereich zwischen dem Reformer und der Sammelleitung umgeben.
In Patentdokument 1 sind die Zellen in einem radialen Muster angeordnet und der Reformer und die Sammelleitung sind an beiden Enden der Zellen angeordnet. So wird erklärt, dass eine Temperaturverteilung des Zellenstapels gleichförmig gestaltet werden kann. Patentdokument 1 scheint die Temperaturverteilung jeder Zelle an beiden Enden des Zellenstapels zu erklären.
Dokumente des Standes der Technik
Patentdokumente
Patentdokument 1: JP 2011-113829 A
Zusammenfassung
Jedoch wird in Patentdokument 1 lediglich eine Homogenisierung der Temperaturverteilung jeder Zelle an beiden Enden des Zellenstapels untersucht, und die Temperaturverteilung zwischen einem Innenabschnitt und einem Außenabschnitt der Zelle wird überhaupt nicht berücksichtigt. Eine Expansion der Temperaturverteilung zwischen dem Innenabschnitt und dem Außenabschnitt der Zelle bewirkt eine Verringerung der Energieerzeugungseffizienz und eine Verringerung bei der Haltbarkeit der Brennstoffzelle. Die Temperaturverteilung zwischen dem Innenabschnitt und dem Außenabschnitt tritt in einem Fall auf, bei dem die in Vielzahl vorgesehenen Zellen radial angeordnet sind, und außerdem in einem Fall, bei dem die in Vielzahl vorgesehenen Zellenstapel radial angeordnet sind.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellenmodul zu schaffen, das die Temperaturverteilung zwischen dem Innenabschnitt und dem Außenabschnitt einer Vielzahl an Zellen, die radial angeordnet sind, verringern kann.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hat ein Brennstoffzellenmodul einen Behälter und eine Vielzahl an Zellenelementen, die radial im Inneren des Behälters angeordnet sind.
Im Inneren des Behälters ist ein erster Fluidströmungspfad, durch den ein erstes Fluid strömt, das Wärme mit einem Innenabschnitt des Zellenelementes austauscht, ausgebildet, während eine Vielzahl an Zellenelementen radial angeordnet ist, und ein zweiter Fluidströmungspfad, durch den ein zweites Fluid strömt, das Wärme mit einem Außenabschnitt des Zellenelementes austauscht, ist ausgebildet, während eine Vielzahl an Zellenelementen radial angeordnet ist.
Ein erster Wärmetauscherabschnitt, der den ersten Fluidströmungspfad ausbildet und Wärme mit dem Zellenelement austauscht, hat eine kleinere Wärmeübertragungsfläche mit dem Zellenelement als ein zweiter Wärmetauscherabschnitt, der den zweiten Fluidströmungspfad ausbildet und Wärme mit dem Zellenelement austauscht.
Das erste Fluid, das eine größere Temperaturdifferenz mit dem Zellenelement als das zweite Fluid hat, das durch den zweiten Fluidströmungspfad strömt, strömt in dem ersten Fluidströmungspfad.
In dieser Weise wird, da das erste Fluid mit einer größeren Temperaturdifferenz von dem Zellenelement als das zweite Fluid in dem ersten Fluidströmungspfad strömt, der eine kleinere Wärmeübertragungsfläche mit dem Zellenelement als der zweite Fluidströmungspfad hat, eine Differenz zwischen der Menge an Wärmeübertragung aufgrund Konvektion im Inneren des Zellenelementes und der Menge an Wärmeübertragung aufgrund Konvektion an der Außenseite des Zellenelementes gering. Folglich kann die Temperaturverteilung zwischen dem Innenabschnitt und dem Außenabschnitt des Zellenelementes reduziert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung hat ein Brennstoffzellenmodul einen Behälter, und eine Vielzahl an Zellenelementen sind radial im Inneren des Behälters angeordnet.
Im Inneren des Behälters ist ein erster Fluidströmungspfad, durch den ein erstes Fluid strömt, das Wärme mit einem Innenabschnitt des Zellenelementes austauscht, ausgebildet, wenn eine Vielzahl an Zellenelementen radial angeordnet sind, und ein zweiter Fluidströmungspfad, durch den ein zweites Fluid strömt, das Wärme mit einem Außenabschnitt des Zellenelementes austauscht, ist ausgebildet, wenn eine Vielzahl an Zellenelementen radial angeordnet sind.
Ein erster Wärmetauscherabschnitt, der den ersten Fluidströmungspfad ausbildet und Wärme mit dem Zellenelement austauscht, hat eine kleinere Wärmeübertragungsfläche mit dem Zellenelement als ein zweiter Wärmetauscherabschnitt, der den zweiten Fluidströmungspfad ausbildet und Wärme mit dem Zellenelement austauscht.
Das erste Fluid mit einer höheren Strömungsgeschwindigkeit als das zweite Fluid, das durch den zweiten Fluidströmungspfad strömt, strömt in dem ersten Fluidströmungspfad.
In dieser Weise ist, da das erste Fluid mit einer größeren Strömungsgeschwindigkeit als das zweite Fluid in dem ersten Fluidströmungspfad strömt, der eine kleinere Wärmeübertragungsfläche mit dem Zellenelement als der zweite Fluidströmungspfad hat, ein Wärmeübertragungskoeffizient des ersten Fluidströmungspfades größer als ein Wärmeübertragungskoeffizient des zweiten Fluidströmungspfades. Gemäß diesem Aufbau wird die Differenz zwischen der Menge an Wärmeübertragung aufgrund von Konvektion in dem Innenabschnitt des Zellenelementes und der Menge an Wärmeübertragung aufgrund von Konvektion in dem Außenabschnitt gering, und es ist möglich, die Temperaturverteilung zwischen dem Innenabschnitt und dem Außenabschnitt des Zellenelementes zu reduzieren.
Die den Komponenten und dergleichen hinzugefügten in Klammer gesetzten Bezugszeichen zeigen ein Beispiel zur Entsprechung zwischen den Komponenten und dergleichen und den spezifischen Komponenten und dergleichen in einem Ausführungsbeispiel, das nachstehend beschrieben ist.
Figurenliste

1 zeigt eine Darstellung eines schematischen Aufbaus eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenmodul gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
2 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung einer elektrochemischen Reaktion im Inneren einer Zelle.
3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Zellenstapels des ersten Ausführungsbeispiels.
4 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Anordnungsform des Zellenstapels im Inneren eines Batteriebehälters.
5 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Anordnungsform des Zellenstapels im Inneren eines Batteriebehälters.
6 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Batteriebehälters, in dem der Zellenstapel gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel untergebracht ist.
7 zeigt eine erläuternde Darstellung zur Erläuterung eines Wärmeübertragungsabschnittes von sowohl einer ersten Batterietemperatursteuereinrichtung als auch einer zweiten Batterietemperatursteuereinrichtung.
8 zeigt eine erläuternde Darstellung zur Erläuterung, wie Luft um den Zellenstapel des Brennstoffzellenmoduls des ersten Ausführungsbeispiels strömt.
9 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Batteriebehälters, in dem ein Zellenstapel eines zweiten Ausführungsbeispiels untergebracht ist.
10 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Batteriebehälters, in dem ein Zellenstapels eines dritten Ausführungsbeispiels untergebracht ist.
11 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Batteriebehälters, in dem ein Zellenstapel eines vierten Ausführungsbeispiels untergebracht ist.
12 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Batteriebehälters, in dem ein Zellenstapel eines fünften Ausführungsbeispiels untergebracht ist.

Detaillierte Beschreibung
Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den folgenden Ausführungsbeispielen sind die Teile, die die gleichen oder äquivalent zu jenen aus den vorherigen Ausführungsbeispielen sind, anhand gleicher Bezugszeichen gezeigt, und deren Beschreibung kann weggelassen sein. Außerdem können in den folgenden Ausführungsbeispielen, wenn lediglich einige der Bestandteilelemente beschrieben sind, entsprechende Bestandteilelemente eines oder mehrerer zuvor beschriebener Ausführungsbeispiele auf den Rest der Bestandteilelemente angewendet werden. Die hierbei beschriebenen jeweiligen Ausführungsbeispiele können teilweise miteinander kombiniert werden, solange keine spezifischen Probleme verursacht werden, selbst wenn keine dieser Kombinationen explizit erwähnt ist.
Erstes Ausführungsbeispiel
Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist unter Bezugnahme auf die 1 bis 8 beschrieben. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist, wie dies in 1 gezeigt ist, ein Beispiel beschrieben, bei dem ein Brennstoffzellenmodul 1 der vorliegenden Erfindung auf ein Brennstoffzellensystem angewendet ist, das eine Massivoxidbrennstoffzelle (Festoxidbrennstoffzelle) 10 hat.
Das Brennstoffzellenmodul 1 ist ein sogenanntes Heißmodul, das ein Brennstoffverarbeitungssystem und ein Batteriesystem aufweist und beide Systeme bei einer hohen Temperatur hält, indem sie durch ein Wärmeisolationsmaterial bedeckt sind. Das Brennstoffzellenmodul 1 hat eine Massivoxidbrennstoffzelle (Festoxidbrennstoffzelle) 10, eine Luftvorheizeinrichtung 22, einen Wasserverdampfer 42, einen Reformer 33, einen Verbrenner 63 und einen Behälter 70.
Die Festoxidbrennstoffzelle 10 wird im Allgemeinen auch SOFC (Abkürzung für Solid Oxide Fuel Cell) bezeichnet und hat eine Betriebstemperatur einer hohen Temperatur (beispielsweise 500°C bis 1000°C). Die Brennstoffzelle 10 hat eine Vielzahl an Zellen C, die elektrische Energie ausgeben durch eine elektrochemische Reaktion eines Brennstoffgases und eines Oxidationsgases (Sauerstoff in der Luft im vorliegenden Ausführungsbeispiel).
Wie dies in 2 gezeigt ist, hat eine Zelle C ein Elektrolyt EL, eine Luftelektrode (das heißt eine Kathode) CA und eine Brennstoffelektrode (das heißt eine Anode) AN. Die Zelle C verwendet Wasserstoff und Kohlenmonoxid als Brennstoffgas. Dieses Brennstoffgas wird erzeugt durch Reformieren von Stadtgas (das heißt ein Gas, das als Hauptbestandteil Methan enthält), das ein Rohmaterial für das Reformieren ist. Das verwendete Reformierrohmaterial kann ein anderes Gas außer Stadtgas sein, solange es ein Gas auf der Basis von Kohlenwasserstoff ist.
Die Zelle C gibt elektrische Energie zu einer externen Schaltung EC aus durch die elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff, wie dies anhand der folgenden Reaktionsformeln F1 und F2 gezeigt ist. (Brennstoffelektrode) 2H₂ + 2O^2- → 2H₂O + 4e^- (F1) (Luftelektrode) O₂ + 4e^- → 2O^2- (F2)
Des Weiteren gibt die Zelle C elektrische Energie zu einer externen Schaltung EC aus durch die elektrochemische Reaktion von Kohlenmonoxid und Sauerstoff, wie dies anhand der folgenden Reaktionsformeln F3 und F4 gezeigt ist. (Brennstoffelektrode) 2CO + 2O^2- → 2CO₂ + 4e^- (F3) (Luftelektrode) O₂ + 4e^- → 2O^2- (F4)
In der Brennstoffzelle 10 ist ein Zellenstapel aufgebaut durch Stapeln einer vorbestimmten Anzahl an Zellen C, und eine Vielzahl der Zellenstapel CS ist vorgesehen. Wie dies in 3 gezeigt ist, sind in dem Zellenstapel CS Zellen C einer flachen Plattenart in einer vorbestimmten Stapelrichtung DRst gestapelt. Eine vorbestimmte Anzahl an Zellen C, die den Zellenstapel CS bilden, sind elektrisch in Reihe verbunden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel entspricht der Zellenstapel CS einem Zellenelement.
In dem Zellenstapel CS wird ein laminierter Körper, in dem eine vorbestimmte Anzahl an Zellen C in einer Reihe laminiert sind, durch einen Halter HC gehalten. Der Halter HC ist ein Element, das einen laminierten Zustand einer vorbestimmten Anzahl an Zellen C beibehält.
In dem Zellenstapel CS sind an einer laminierten Endfläche EF, die an einem Ende der Stapelrichtung DRst der Zelle C angeordnet ist, ein Einleitanschluss (Einleitöffnung) IPH für Brennstoffgas, ein Einleitanschluss (Einleitöffnung) IPH für Brennstoffgas, ein Brennstoffgasauslass OPH und ein Oxidationsgasauslass OPO ausgebildet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel entsprechen der Einleitanschluss IPH und der Einleitanschluss IPO jeweils einem Brennstoffgaseinlass und einem Oxidationsgaseinlass.
Die vorstehend beschrieben aufgebaute Brennstoffzelle 10 ist im Inneren des Behälters 70, der Wärmeisolationseigenschaften hat, zusammen mit der Luftvorheizeinrichtung 22 (Luftvorerwärmer), dem Reformer 33, dem Wasserverdampfer 42, dem Verbrenner 63 und dergleichen angeordnet. Die Anordnung der Brennstoffzelle 10 im Inneren des Behälters 70 ist nachstehend beschrieben.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 ist die Brennstoffzelle 10 mit einem Luftpfad 20 verbunden, der ein Luftverteilungspfad ist. Der Luftpfad 20 besteht aus Rohren und dergleichen. In dem Luftpfad 20 sind ein Druckzuführgebläse 21, das Luft zu der Brennstoffzelle 10 pumpt, eine Luftvorheizeinrichtung (Luftvorerwärmer) 22, der die zu der Brennstoffzelle 10 gelieferte Luft erwärmt, eine erste Batterietemperatursteuereinrichtung 23 und eine zweite Batterietemperatursteuereinrichtung 24 vorgesehen.
Das Druckzuführgebläse 21 ist eine Oxidationsmittelpumpe, das die Umgebungsluft ansaugt und sie zu der Brennstoffzelle 10 liefert. Das Druckzuführgebläse 21 besteht aus einem elektrischen Gebläse, dessen Betrieb durch ein Steuersignal von einer (nicht gezeigten) Steuervorrichtung gesteuert wird.
Hierbei besteht die Steuervorrichtung des Brennstoffzellensystems aus einem Computer, der einen Prozessor und einen Speicher hat, und peripheren Schaltungen von diesem. Die Steuervorrichtung führt verschiedene Berechnungen und Prozesse auf der Basis eines in dem Speicher gespeicherten Steuerprogramms aus und steuert den Betrieb von verschiedenen Steuervorrichtungen, die mit einer Ausgangsseite verbunden sind.
Die Luftvorheizeinrichtung 22 ist ein Wärmetauscher, der die von dem Druckzuführgebläse 21 gepumpte Luft erwärmt durch Austauschen von Wärme mit einem Verbrennungsgas, das durch den Verbrenner 63 erzeugt wird. Die Luftvorerwärmungsheizeinrichtung 22 reduziert eine Temperaturdifferenz zwischen der zu der Brennstoffzelle 10 gelieferten Luft und dem Brennstoffgas so, dass die Energieerzeugungseffizienz der Brennstoffzelle 10 verbessert wird.
Die erste Batterietemperatursteuereinrichtung 23 ist ein Wärmetauscher, der die Temperatur der Brennstoffzelle 10 einstellt durch Austauschen von Wärme mit der Brennstoffzelle 10 unter Verwendung der Luft, die durch die Luftvorheizeinrichtung 22 erwärmt wird, als ein erstes Fluid. Die erste Batterietemperatursteuereinrichtung 23 fungiert als eine endothermische Vorrichtung, die Wärme von der Brennstoffzelle 10 absorbiert, die durch Selbsterwärmung in Zusammenhang mit der Energieerzeugung erzeugt worden ist. Die erste Batterietemperatursteuereinrichtung 23 fungiert auch als eine Vorheizeinrichtung, die die zu der Brennstoffzelle 10 gelieferte Luft durch die Wärme der Brennstoffzelle 10 erwärmt. Genauer gesagt ist die erste Batterietemperatursteuereinrichtung 23 um die Brennstoffzelle 10 herum angeordnet. Die erste Batterietemperatursteuereinrichtung 23 hat einen ersten Temperatursteuerströmungspfad 230, durch den die Luft als das erste Fluid strömt. Die erste Batterietemperatursteuereinrichtung 23 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist mit einem nachstehend beschriebenen Batteriebehälter 71 einstückig aufgebaut.
Die zweite Batterietemperatursteuereinrichtung 24 ist ein Wärmetauscher, der die Temperatur der Brennstoffzelle 10 einstellt durch Austauschen von Wärme mit der Brennstoffzelle 10 unter Verwendung der Luft, die durch die erste Batterietemperatursteuereinrichtung 23 erwärmt wird, als ein zweites Fluid. Die zweite Batterietemperatursteuereinrichtung 24 fungiert als eine endothermische Vorrichtung, die Wärme von der Brennstoffzelle 10 absorbiert, die durch Selbsterwärmung in Zusammenhang mit der Energieerzeugung erwärmt worden ist. Die zweite Batterietemperatursteuereinrichtung 24 fungiert auch als eine Vorerwärmungseinrichtung, die die zu der Brennstoffzelle 10 gelieferte Luft durch die Wärme der Brennstoffzelle 10 erwärmt. Genauer gesagt ist die zweite Batterietemperatursteuereinrichtung 24 um die Brennstoffzelle 10 herum angeordnet. Die zweite Batterietemperatursteuereinrichtung 24 hat einen zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240, durch den Luft als das zweite Fluid strömt. Die zweite Batterietemperatursteuereinrichtung 24 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist mit dem nachstehend beschriebenen Batteriebehälter 71 einstückig aufgebaut.
Desweiteren ist die Brennstoffzelle 10 mit einem Brennstoffpfad 30 verbunden, der ein Verteilungskanal für Reformierrohmaterialien und Brennstoffgas ist. Der Brennstoffpfad 30 besteht aus Rohren und dergleichen. Eine Brennstoffpumpe 31, eine Entschwefelungseinrichtung 32 und der Reformer 33 sind in dem Brennstoffpfad 30 in dieser Reihenfolge von einer stromaufwärtigen Seite vorgesehen.
Die Brennstoffpumpe 31 ist eine Pumpe zum Liefern eines Reformierrohmaterials zu der Seite der Brennstoffzelle 10. Die Brennstoffpumpe 31 besteht aus einer elektrischen Pumpe, deren Betrieb durch ein Steuersignal von einer Steuervorrichtung gesteuert wird.
Die Entschwefelungseinrichtung 32 ist eine Vorrichtung zum Entfernen einer Schwefelkomponente, die in dem Reformierrohmaterial enthalten ist, das von der Brennstoffpumpe 31 geliefert wird. Stadtgas enthält ein Geruchsmittel (insbesondere eine Schwefelkomponente). Da die Schwefelkomponente eine einen Katalysator vergiftende Substanz ist, ist es erforderlich, diese stromaufwärtig von dem Reformer 33 zu entfernen.
Der Reformer 33 reformiert das Reformierrohmaterial, das von der Brennstoffpumpe 31 geliefert wird, unter Verwendung von Dampf zum Erzeugen eines Brennstoffgases. Der Reformer 33 ist so aufgebaut, dass er beispielsweise einen Dampfreformierkatalysator umfasst, der ein Edelmetall wie beispielsweise Rhodium oder Ruthenium enthält.
Genauer gesagt erwärmt der Reformer 33 das gemischte Gas, das ein Gemisch aus dem Reformierrohmaterial und Dampf ist, durch Austauschen von Wärme mit dem Verbrennungsgas. Brennstoffgas (Wasserstoff, Kohlenmonoxid) wird durch die in einer folgenden Reaktionsformel F5 gezeigten Reformierreaktion und in der in einer folgenden Reaktionsformel F6 gezeigten Shift-Reaktion erzeugt. CH₄ + H₂O → CO + H₂ (F5) CO + H₂O → CO₂ + H₂ (F6)
Hierbei ist das Dampfreformieren in dem Reformer 33 eine endothermische Reaktion und hat eine Charakteristik dahingehend, dass die Reformierrate unter hohen Temperaturbedingungen verbessert ist. Daher ist erwünscht, dass der Reformer 33 um die Brennstoffzelle 10 herum so angeordnet ist, dass die zu der Umgebung während der Energieerzeugung der Brennstoffzelle 10 abgegebene Wärme (das heißt abgestrahlte Wärme, Strahlungswärme) absorbiert (aufgenommen) werden kann.
Ein Wasserlieferpfad 40 ist mit dem Brennstoffpfad 30 zwischen der Brennstoffpumpe 31 und dem Reformer 33 verbunden. Der Wasserlieferpfad 40 ist mit einer Wasserpumpe 41 und dem Wasserverdampfer 42 versehen. Die Wasserpumpe 41 ist eine Pumpe, die Wasser zu dem Wasserverdampfer 42 liefert. Die Wasserpumpe 41 besteht aus einer elektrischen Pumpe, deren Betrieb durch ein Steuersignal von einer Steuervorrichtung gesteuert wird. Der Wasserverdampfer 42 hat eine Verdampfungsfunktion zum Umwandeln von Wasser von der Wasserpumpe 41 in Dampf (das heißt ein Gas).
Des Weiteren ist die Brennstoffzelle 10 mit einem Abgaspfad 60 verbunden, durch den das von der Brennstoffzelle 10 abgegebene Abgas strömt. Genauer gesagt ist die Brennstoffzelle 10 mit einem Luftabgabepfad 61, durch den das von der Brennstoffzelle 10 abgegebene Oxidationsabgas strömt, und einem Brennstoffabgabepfad 62 verbunden, durch den das von der Brennstoffzelle 10 abgegebene Brennstoffabgas strömt.
Der Verbrenner 63 ist mit dem Abgaspfad 60 verbunden. Der Verbrenner 63 erzeugt das Verbrennungsgas, das die Temperatur des Reformers 33 und dergleichen erhöht, durch Verbrennen des Brennstoffabgases und dergleichen. Beispielsweise erzeugt, wenn die Brennstoffzelle 10 Energie erzeugt, der Verbrenner 63 das Verbrennungsgas zum Erhöhen der Temperatur jeder Vorrichtung des Brennstoffzellensystems durch Verbrennen eines Mischgases, in dem ein Oxidationsabgas und ein Brennstoffabgas als ein verbrennbares Gas vermischt sind. Obgleich dies nicht gezeigt ist, hat der Verbrenner 63 einen Brenner zum Verbrennen des Brennstoffabgases. In dem Verbrenner 63 startet das Zünden des Brenners die Verbrennung des Brennstoffabgases, um das Verbrennungsgas zu erzeugen.
Ein (nicht gezeigter) Verbrennungsgaspfad für ein Zirkulieren eines unter hoher Temperatur stehenden Verbrennungsgases ist mit dem Verbrenner 63 verbunden. Obgleich dies nicht gezeigt ist, ist der Verbrennungsgaspfad mit dem Reformer 33, der Luftvorerwärmungseinrichtung 22, dem Wasserverdampfer 42 etc. verbunden, um in effektiver Weise die Wärme des im Inneren strömenden Verbrennungsgases zu nutzen. Eine Reihenfolge des Strömens des Verbrennungsgases zu jeder Vorrichtung kann gemäß der durch jede Vorrichtung angeforderte Menge an Wärme geändert werden.
Hierbei ist das Brennstoffzellenmodul 1 mit einem Aufwärmbrenner 65 zum Aufwärmen der Brennstoffzelle 10 zum Zeitpunkt des Startens und dergleichen zusätzlich zu dem Verbrenner 63 versehen. Der Aufwärmbrenner 65 verbrennt ein Gasgemisch (Mischgas) aus einem Teil des Reformierrohmaterials, das durch den Brennstoffpfad 30 strömt, und der Luft, die von einem Startergebläse 66, das separat von dem Druckzuführgebläse 21 vorgesehen ist, geblasen wird, als ein entflammbares Fluid. Das unter hoher Temperatur stehende Aufwärmgas, das durch die Verbrennung des entflammbaren Fluides erzeugt wird, wird zu einem Aufwärmgasströmungspfad 67 geliefert, der im Inneren der Brennstoffzelle 10 vorgesehen ist.
Der Aufwärmgasströmungspfad 67 ist mit einem Gebläseluftströmungspfad 68 für Luft, die von dem Startergebläse 66 geblasen wird, verbunden. Als ein Ergebnis kann der Aufwärmgasströmungspfad 67 nicht nur das entflammbare Gas sondern auch einen Anteil der Luft, die von dem Startergebläse 66 geblasen wird, als eine Luft strömen lassen, deren Temperatur gesteuert wird (temperaturgesteuerte Luft).
Die Brennstoffzelle 10, die Luftvorheizeinrichtung 22, der Reformer 33, der Wasserverdampfer 42 und der Verbrenner 63 sind im Inneren des Wärmeisolationsbehälters 70 angeordnet. Der Behälter 70 bildet einen Außenmantel des Brennstoffzellenmoduls 1. Obwohl dies nicht gezeigt ist, sind die Luftvorheizeinrichtung 22, der Reformer 33 und der Wasserverdampfer 42 um den Verbrenner 63 herum im Inneren des Behälters 70 so angeordnet, dass sie die Wärme des Verbrenners 63 empfangen. Andererseits ist die Brennstoffzelle 10 in einem anderen Raum angeordnet, der von dem Raum isoliert ist, in dem die Luftvorheizeinrichtung 22, der Reformer 33, der Wasserverdampfer 42, der Verbrenner 63 etc. untergebracht sind, um so die Wärme des Verbrenners 63 nicht direkt zu empfangen.
Wie dies in den 4 und 5 gezeigt ist, hat der Behälter 70 einen Batteriebehälter 71 zum Unterbringen der Brennstoffzelle 10. Der Batteriebehälter 71 hat eine Doppelzylinderstruktur (Doppelzylinderaufbau), und ein ringförmiger (Donutform) Batteriespeicherraum (Batterieunterbringraum) BS ist im Inneren ausgebildet. Der Batteriebehälter 71 ist in einer derartigen Stellung angeordnet, dass eine axiale Mitte des Batteriebehälters 71 sich entlang einer Richtung erstreckt, in der die Schwerkraft wirkt (das heißt eine vertikale Richtung).
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Richtung, die sich entlang der Achse CL des Batteriebehälters 71 erstreckt, als eine axiale Richtung DRa definiert, ist eine Richtung, die durch die Achse CL des Batteriebehälters 71 tritt und senkrecht zu der axialen Richtung DRa ist, als eine radiale Richtung DRr definiert, und ist eine Richtung entlang eines Kreises, der auf der Achse CL des Batteriebehälters 71 ausgebildet ist, als eine Umfangsrichtung DRc definiert.
In dem Batteriespeicherraum BS im Inneren des Batteriebehälters 71 sind in Vielzahl vorgesehene Zellenstapel CS radial um die Achse CL des Batteriebehälters 71 herum angeordnet. Anders ausgedrückt sind die in Vielzahl vorgesehenen Zellenstapel CS unter gleichen Intervallen in der Umfangsrichtung DRc in dem Batterieunterbringraum BS im Inneren des Behälters 70 angeordnet. Die Intervalle in der Umfangsrichtung DRc bei der Vielzahl an Zellenstapeln CS müssen nicht gleich sein, und einige von ihnen können sich von anderen unterscheiden.
Unter den in Vielzahl vorgesehenen Zellenstapeln CS sind die Zellenstapel CS, die benachbart zueinander in der Umfangsrichtung DRc sind, in einer derartigen Stellung angeordnet, dass die laminierten Endflächen EF zueinander gewandt sind. Anders ausgedrückt sind die gestapelten Endflächen EF der Zellenstapel CS, die benachbart zueinander in der Umfangsrichtung DRc sind, einander in der Umfangsrichtung DRc mit einem vorbestimmten Intervall zugewandt.
Des Weiteren ist in der Vielzahl an Zellenstapel CS ein Teil der Seitenfläche, die sich entlang der Stapelrichtung DRst erstreckt, der Innenseite des Batteriebehälters 71 als eine Innenseitenfläche IS zugewandt, und ein Teil der Außenseitenfläche ist der Außenseite des Batteriebehälters 71 als eine Außenfläche OS zugewandt.
Die Innenseitenfläche IS des Zellenstapels CS bildet einen Innenabschnitt des Zellenstapels CS, wenn in Vielzahl vorgesehene Zellenstapel CS radial im Inneren des Behälters 70 angeordnet sind. Des Weiteren bildet die Außenfläche OS des Zellenstapels CS einen Außenabschnitt des Zellenstapels CS, wenn eine Vielzahl der Zellenstapel CS im Inneren des Behälters 70 radial angeordnet sind.
Wie dies in 6 gezeigt ist, hat der Batteriebehälter 71 des vorliegenden Ausführungsbeispiels einen Innenzylinder 72, einen Außenzylinder 73, der an der Außenseite des Innenzylinders 72 angeordnet ist, und eine Basisplatte 74, die einen Boden des Innenzylinders 72 und einen Boden des Außenzylinders 73 miteinander verbindet.
Der Innenzylinder 72 ist im Inneren der Vielzahl an Zellenstapeln CS im Batteriebehälter 71 positioniert. Der Außenzylinder 73 ist an der Außenseite der Vielzahl an Zellenstapeln CS in dem Batteriebehälter 71 positioniert. Ein Batterieunterbringraum BS ist zwischen dem Innenzylinder 72 und dem Außenzylinder 73 ausgebildet. Der Innenzylinder 72 und der Außenzylinder 73 sind in einer zylindrischen Form jeweils ausgebildet. Der Innenzylinder 72 und der Außenzylinder 73 sind so angeordnet, dass deren Mittelachsen koaxial zueinander sind.
Der Innenzylinder 72 ist der Innenseitenfläche IS des Zellenstapels CS bei einem vorbestimmten Intervall (Abstand) so zugewandt, dass die Abstrahlwärme des Zellenstapels CS empfangen wird. In dem Innenzylinder 72 ist ein Maß in der axialen Richtung DRa größer als das Maß in der axialen Richtung DRa des Zellenstapels CS, so dass der Innenzylinder 72 die gesamte Innenseitenfläche IS des Zellenstapels CS bedecken kann.
Des Weiteren hat der Innenzylinder 72 einen Doppelwandaufbau mit einer ersten Innenwand 721 und einer ersten Außenwand 722 in einer derartigen Weise, dass ein Fluid durch diese hindurchtreten kann. Die erste Innenwand 721 und die erste Außenwand 722 bestehen jeweils aus einem zylindrischen Körper.
Die erste Innenwand 721 und die erste Außenwand 722 sind so angeordnet, dass ihre Mittelachsen koaxial zueinander sind. Ein einen Raum definierender Abschnitt wie beispielsweise ein Abstandshalter oder ein Stift ist zwischen der ersten Innenwand 721 und der ersten Außenwand 722 vorgesehen, und ein im Wesentlichen konstanter Zwischenraum ist durch den den Raum definierenden Abschnitt ausgebildet. Luft, die Wärme mit der Innenseitenfläche IS des Zellenstapels CS ausgetauscht hat, wird als das erste Fluid in einen Zwischenraumströmungspfad eingeleitet, der zwischen der ersten Innenwand 721 und der ersten Außenwand 722 ausgebildet ist.
Des Weiteren ist im Inneren der ersten Innenwand 721 der Aufwärmbrenner 65 an einer Seite in der axialen Richtung DRa angeordnet, und ein Aufwärmgasströmungspfad 67 ist an der anderen Seite in der axialen Richtung DRa in Bezug auf den Aufwärmbrenner 65 ausgebildet.
Der Innenzylinder 72 ist mit einem Einleitpfad 723 zum Führen des Aufwärmgasströmungspfades 67 zu dem Batterieunterbringraum BS ausgebildet. Als ein Ergebnis kann das Gas, das durch den Aufwärmgasströmungspfad 67 strömt, in den Batterieunterbringraum BS eingeleitet werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel entspricht der Aufwärmgasströmungspfad 67 einem dritten Fluidströmungspfad, durch den die Luft, deren Temperatur gesteuert wird, als ein drittes Fluid strömt.
Der Außenzylinder 73 ist der Außenfläche OS des Zellenstapels CS bei einem vorbestimmten Intervall so zugewandt, dass er die Strahlungswärme (abgestrahlte Wärme) des Zellenstapels CS empfängt. In dem Außenzylinder 73 ist ein Maß in der axialen Richtung DRa größer als das Maß in der axialen Richtung DRa des Zellenstapels CS, so dass der Innenzylinder 72 die gesamte Außenseitenfläche OS des Zellenstapels CS bedecken kann.
Der Außenzylinder 73 hat einen Doppelwandaufbau mit einer zweiten Innenwand 731 und einer zweiten Außenwand 732 in derartiger Weise, dass ein Fluid durch diese hindurchtreten kann. Die zweite Innenwand 731 und die zweite Außenwand 732 sind jeweils als ein zylindrischer Körper aufgebaut.
Die zweite Innenwand 731 und die zweite Außenwand 732 sind so angeordnet, dass ihre Mittelachsen koaxial zueinander sind. Ein einen Raum definierender Abschnitt wie beispielsweise ein Abstandshalter oder ein Stift ist zwischen der zweiten Innenwand 731 und der zweiten Außenwand 732 vorgesehen, und ein im Wesentlichen konstanter Zwischenraum ist durch den den Raum definierenden Abschnitt ausgebildet. Luft, die Wärme mit der Außenfläche OS des Zellenstapels CS austauscht, wird als ein zweites Fluid in den Zwischenraumströmungspfad eingeleitet, der zwischen der zweiten Innenwand 731 und der zweiten Außenwand 732 ausgebildet ist.
Die Basisplatte 74 verbindet den Boden des Innenzylinders 72 und den Boden des Außenzylinders 73 und hat eine ringartige Form (Donutform). Die Basisplatte 74 stützt eine Vielzahl an Zellenstapeln CS über (nicht gezeigte) Adapter.
Die Basisplatte 74 ist einer unteren Fläche des Zellenstapels CS zugewandt. Die Basisplatte 74 hat eine Größe, die dazu in der Lage ist, die gesamte untere Fläche des Zellenstapels CS zu bedecken.
Die Basisplatte 74 hat einen Doppelwandaufbau mit einer oberen Wand 741 und einer unteren Wand 742 in derartiger Weise, dass ein Fluid durch diese hindurchtreten kann. Ein ein Raum definierender Abschnitt wie beispielsweise ein Abstandshalter oder ein Stift ist zwischen der oberen Wand 741 und der unteren Wand 742 vorgesehen, und ein im Wesentlichen konstanter Zwischenraum ist durch den den Raum definierenden Abschnitt ausgebildet.
In der Basisplatte 74 ist die obere Wand 741 mit der ersten Außenwand 722 des Innenzylinders 72 und der zweiten Innenwand 731 des Außenzylinders 73 verbunden, und die untere Wand 742 ist mit der ersten Innenwand 721 des Innenzylinders 72 und der zweiten Außenwand 732 des Außenzylinders 73 verbunden. Ein Kommunikationskanal 740 ist zwischen der oberen Wand 741 und der unteren Wand 742 ausgebildet, um den Zwischenraumströmungspfad des Innenzylinders 72 und den Zwischenraumströmungspfad des Außenzylinders 73 in Kommunikation zu bringen.
Hierbei hat der Innenzylinder 72 eine größere Krümmung als der Außenzylinder 73, und eine Fläche (Flächeninhalt) des Abschnittes, der dem Zellenstapel CS zugewandt ist, ist klein. Daher ist in dem Innenzylinder 72 eine Wärmeübertragungsfläche S1 mit dem Zellenstapel CS kleiner als eine Wärmeübertragungsfläche S2 mit dem Zellenstapel CS in dem Außenzylinder 73, wie dies in 7 gezeigt ist.
In dem Batteriebehälter 71 ist, wenn die Wärmeübertragungsfläche zwischen der Innenseite und der Außenseite unterschiedlich ist, falls ein Fluid mit der gleichen Temperatur und der gleichen Strömungsgeschwindigkeit durch den in dem Innenzylinder 72 ausgebildeten Zwischenraumströmungspfad und den in dem Außenzylinder 73 ausgebildeten Zwischenraumströmungspfad strömt, die Wärmeübertragungsmenge aufgrund von Konvektion an der Innenseite geringer als an der Außenseite des Zellenstapels CS. Dieser Unterschied in der Wärmeübertragungsmenge bewirkt, dass die Temperaturverteilung zwischen dem Innenabschnitt und dem Außenabschnitt des Zellenstapels CS expandiert ist (zunimmt). Eine derartige Erweiterung der Temperaturverteilung ist nicht bevorzugt, da diese eine Abnahme bei der Energieerzeugungseffizienz und eine Abnahme bei der Haltbarkeit verursacht.
Daher hat der Batteriebehälter 71 einen Aufbau, bei dem ein Fluid mit einer größeren Temperaturdifferenz von dem Zellenstapel CS als das Fluid, das in dem Zwischenraumströmungspfad strömt, der in dem Außenbehälter 73 ausgebildet ist, in dem Zwischenraumströmungspfad strömt, der in dem Innenzylinder 72 ausgebildet ist. Der Batteriebehälter 71 des vorliegenden Ausführungsbeispiels hat einen Aufbau, bei dem ein Fluid mit einer niedrigeren Temperatur als das Fluid, das in den in dem Außenzylinder 73 ausgebildeten Zwischenraumströmungspfad strömt, in Bezug auf den in dem Innenzylinder 72 ausgebildeten Zwischenraumströmungspfad strömt, wenn der Zellenstapel CS gekühlt oder gewärmt werden muss. Wenn es erforderlich ist, den Zellenstapel CS zu kühlen oder warmzuhalten, ist dies hauptsächlich während der Energieerzeugung der Brennstoffzelle 10 der Fall.
Genauer gesagt ist in dem Batteriebehälter 71 der Kommunikationskanal 740 mit einer stromabwärtigen Seite der Luftströmung des in dem Innenzylinder 72 ausgebildeten Zwischenraumströmungspfades und einer stromaufwärtigen Seite der Luftströmung des in dem Außenzylinder 73 ausgebildeten Zwischenraumströmungspfades verbunden. Als ein Ergebnis strömt in dem Batteriebehälter 71 die Luft, die durch die Luftvorheizeinrichtung 22 getreten ist, durch den in dem Innenzylinder 72 ausgebildeten Zwischenraumströmungspfad, und die Luft, die durch den Kommunikationskanal 740 getreten ist, strömt durch den in dem Außenzylinder 73 ausgebildeten Zwischenraumströmungspfad.
In dem Batteriebehälter 71 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist der Innenzylinder 72 als eine erste Batterietemperatursteuereinrichtung 23 aufgebaut, und der Außenzylinder 73 ist als eine zweite Batterietemperatursteuereinrichtung 24 aufgebaut. Des Weiteren ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel der im Innenzylinder 72 ausgebildete Zwischenraumströmungspfad als ein erster Temperatursteuerströmungspfad 230 aufgebaut, und der im Außenzylinder 73 ausgebildete Zwischenraumströmungspfad ist als ein zweiter Temperatursteuerströmungspfad 240 aufgebaut.
Hierbei entspricht im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Innenzylinder 72 einem ersten Wärmetauscherabschnitt, der in dem Behälter 70 vorgesehen ist, und der erste Temperatursteuerströmungspfad 230 entspricht einem ersten Fluidströmungspfad, durch den Luft als das erste Fluid strömt. Des Weiteren entspricht im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Außenzylinder 73 einem zweiten Wärmetauscherabschnitt, der in dem Behälter 70 vorgesehen ist, und der zweite Temperatursteuerströmungspfad 240 entspricht dem zweiten Fluidströmungspfad, durch den Luft als das zweite Fluid strömt. Nachstehend ist der in dem Innenzylinder 72 ausgebildete Zwischenraumströmungspfad als ein erster Temperatursteuerströmungspfad 230 bezeichnet, und der in dem Außenzylinder 73 ausgebildete Zwischenraumströmungspfad ist als ein zweiter Temperatursteuerströmungspfad 240 bezeichnet.
Der erste Temperatursteuerströmungspfad 230 erstreckt sich von einer Seite in der axialen Richtung DRa zu der anderen Seite. In dem ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 strömt Luft von der Luftvorheizeinrichtung 22 in einer Richtung von einer Seite in der axialen Richtung DRa zu der anderen Seite. Die in den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 hineinströmende Luft empfängt Wärme von dem Zellenstapel CS, wenn sie durch den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 tritt, und ihre Temperatur erhöht sich.
Des Weiteren erstreckt sich der zweite Temperatursteuerströmungspfad 240 von der anderen Seite in der axialen Richtung DRa zu der einen Seite. In dem zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 strömt Luft von dem Kommunikationskanal 740 in einer Richtung von einer Seite in der axialen Richtung DRa zu der anderen Seite.
Die in den zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 hineinströmende Luft empfängt Wärme von dem Zellenstapel CS, und ihre Temperatur nimmt zu, wenn sie durch den Kommunikationskanal 740 tritt. Daher strömt in dem Batteriebehälter 71 Luft mit einer Temperatur, die höher ist als jene der Luft, die durch den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 strömt, in den zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240. Anders ausgedrückt strömt in dem Batteriebehälter 71 Luft mit einer Temperatur, die niedriger als jene der Luft ist, die durch den zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 strömt, in den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230.
Hierbei sind in dem Innenzylinder 72 und dem Außenzylinder 73 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ein Abstand zwischen der ersten Innenwand 721 und der ersten Außenwand 722 und ein Abstand zwischen der zweiten Innenwand 731 und der zweiten Außenwand 732 im Wesentlichen gleich. Der Innenzylinder 72 hat einen kleineren Krümmungsradius als der Außenzylinder 73. Daher ist die Strömungspfadquerschnittsfläche des ersten Temperatursteuerströmungspfades 230 kleiner als die Strömungspfadquerschnittsfläche des zweiten Temperatursteuerströmungspfades 240.
Gemäß dem Kontinuitätsgesetz sind, wenn ein in einem stetigen Zustand befindliches Fluid durch einen unverzweigten Strömungspfad strömt, die Massenströmungsraten in jedem Querschnitt des Strömungspfades gleich. In dem Batteriebehälter 71 des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind der erste Temperatursteuerströmungspfad 230 und der zweite Temperatursteuerströmungspfad 240 in Reihe verbunden, und die Strömungspfadquerschnittsfläche des ersten Temperatursteuerströmungspfades 230 ist kleiner als die Strömungspfadquerschnittsfläche des Temperatursteuerströmungspfades 240. Daher strömt Luft mit einer höheren Strömungsgeschwindigkeit als die Luft, die durch den zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 strömt, in den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230.
Nachstehend ist ein Basisbetrieb des Brennstoffzellensystems beschrieben. In dem Brennstoffzellensystem wird, wenn ein (nicht gezeigter) Betriebsschalter eingeschaltet wird, ein Energieerzeugungsprozess zum Abgeben von elektrischer Energie von der Brennstoffzelle 10 durch eine Steuervorrichtung ausgeführt.
In diesem Energieerzeugungsprozess werden beispielsweise das Druckzuführgebläse 21, die Brennstoffpumpe 31 und die Wasserpumpe 41 so gesteuert, dass die Brennstoffzelle 10 mit dem Oxidationsgas und dem Brennstoffgas in einer Menge beliefert wird, die für die Energieerzeugung geeignet ist.
Das von der Brennstoffpumpe 31 abgegebene Reformierrohmaterial wird mit Dampf in dem Wasserverdampfer 42 vermischt und strömt dann in den Reformer 33. Wenn in dem Reformer 33 ein gemischtes Gas (Gasgemisch) aus dem Reformierrohmaterial und dem Dampf geliefert wird, wird Brennstoffgas (Wasserstoff, Kohlenmonoxid) durch die in den vorstehend erwähnten Reaktionsformeln F5 und F6 gezeigten Reaktion erzeugt. Dann strömt das Gas, das durch den Reformer 33 erzeugt wird, in die Brennstoffzelle 10.
Das aus dem Druckzuführgebläse 21 herausgeblasene Oxidationsgas strömt in die Luftvorheizeinrichtung 22, und die Temperatur des Oxidationsgases nimmt zu aufgrund eines Wärmeaustauschs mit dem Verbrennungsgas. Dann strömt, wie dies in 8 gezeigt ist, die Luft, die durch die Luftvorheizeinrichtung 22 getreten ist, durch den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230, den Kommunikationskanal 740 und den zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 in dieser Reihenfolge. Die Luft, die durch den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230, den Kommunikationskanal 740 und den zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 getreten ist, absorbiert Wärme von der Brennstoffzelle 10 (nimmt diese auf), und ihre Temperatur nimmt bis nahe der Batterietemperatur der Brennstoffzelle 10 zu, und dann strömt die Luft in die Brennstoffzelle 10.
Zu diesem Zeitpunkt strömt die Luft, die eine niedrige Temperatur und eine hohe Strömungsgeschwindigkeit hat, durch den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230, der eine kleinere Wärmeübertragungsfläche mit dem Zellenstapel CS als der zweite Temperatursteuerströmungspfad 240 hat. Gemäß diesem Aufbau wird die Differenz zwischen der Wärmeübertragungsmenge aufgrund von Konvektion im Inneren des Zellenstapels CS und der Wärmeübertragungsmenge aufgrund von Konvektion außerhalb des Zellenstapels CS gering, und die Temperaturverteilung (Temperaturstreuung) zwischen dem Innenabschnitt und dem Außenabschnitt des Zellenstapels CS wird reduziert.
Wenn das Oxidationsgas und das Brennstoffgas geliefert werden, gibt die Brennstoffzelle 10 elektrische Energie durch die Reaktionen aus, die in den vorstehend erwähnten Reaktionsformeln F1 bis F4 gezeigt sind. Zu diesem Zeitpunkt gibt die Brennstoffzelle 10 das Abgas zu dem Abgaspfad 60 ab.
Das von der Brennstoffzelle 10 abgegebene Abgas wird in dem Verbrenner 63 als das verbrennbare Gas verbrannt. Das Verbrennungsgas, das durch den Verbrenner 63 erzeugt wird, dissipiert Wärme zu dem Reformer 33 der Luftvorheizeinrichtung 22 und dem Wasserverdampfer 42 (Wärmeabbau), wenn es durch einen (nicht gezeigten) Verbrennungsgaspfad strömt.
Das vorstehend beschriebene Brennstoffzellenmodul 1 umfasst einen Batteriebehälter 71 mit dem Innenzylinder 72, der dem Innenabschnitt des Zellenstapels CS zugewandt ist, und dem Außenzylinder 73, der dem Außenabschnitt des Zellenstapels CS zugewandt ist. In dem Batteriebehälter 71 ist der erste Temperatursteuerströmungspfad 230 für ein Strömen von Luft, die mit dem Zellenstapel CS Wärme austauscht, in dem Innenzylinder 72 ausgebildet, und ist der zweite Temperatursteuerströmungspfad 240 für ein Strömen von Luft, die Wärme mit dem Zellenstapel CS austauscht, in dem Außenzylinder 73 ausgebildet. Wenn die Luft durch den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 tritt und zu dem zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 in dem Batteriebehälter 71 strömt, wird die Temperaturdifferenz zwischen der Luft, die durch den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 strömt, und dem Zellenstapel CS größer als die Temperaturdifferenz zwischen der Luft, die durch den zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 strömt, und dem Zellenstapel CS.
Gemäß diesem Aufbau strömt die Luft, die eine höhere Temperaturdifferenz zu dem Zellenstapel CS als die Luft hat, die durch den zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 strömt, zu dem ersten Temperatursteuerströmungspfad 230, der eine geringere Wärmeübertragungsfläche mit dem Zellenstapel CS als der zweite Temperatursteuerströmungspfad 240 hat.
Außerdem ist in dem Batteriebehälter 71 die Strömungspfadquerschnittsfläche des ersten Temperatursteuerströmungspfades 230 kleiner als die Strömungspfadquerschnittsfläche des zweiten Temperatursteuerströmungspfades 240. Gemäß diesem Aufbau strömt die Luft, die eine höhere Strömungsgeschwindigkeit als die Luft in dem zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 hat, zu dem ersten Temperatursteuerströmungspfad 230, der eine geringere Wärmeübertragungsfläche mit dem Zellenstapel CS als der zweite Temperatursteuerströmungspfad 240 hat. Daher wird der Wärmeübertragungskoeffizient des ersten Temperatursteuerströmungspfades 230 größer als der Wärmeübertragungskoeffizient des zweiten Temperatursteuerströmungspfades 240.
Die Differenz zwischen der Wärmeübertragungsmenge aufgrund von Konvektion im Inneren des Zellenstapels CS und der Wärmeübertragungsmenge aufgrund von Konvektion außerhalb (an der Außenseite) des Zellenstapels CS wird gering, und die Temperaturverteilung zwischen dem Innenabschnitt und dem Außenabschnitt des Zellenstapels CS wird reduziert. Als ein Ergebnis ist es möglich, eine Abnahme der Energieerzeugungseffizienz und eine Abnahme der Haltbarkeit aufgrund der Temperaturverteilung zwischen dem Innenabschnitt und dem Außenabschnitt des Zellenstapels CS zu vermeiden.
Unter den in Vielzahl vorgesehenen Zellenstapeln CS sind die Zellenstapel CS, die benachbart zueinander in der Umfangsrichtung DRc sind, in einer derartigen Stellung angeordnet, dass die laminierten Endflächen EF einander zugewandt sind. Da bei diesem Aufbau die laminierte Endfläche EF von einem der benachbarten Zellenstapel CS die Wärme von dem anderen Zellenstapel CS empfängt, kann die Temperaturverteilung in der Stapelrichtung DRst in dem Zellenstapel CS reduziert werden.
Des Weiteren hat der Batteriebehälter 71 den Aufwärmgasströmungspfad 67, der die temperaturgesteuerte Luft mit einer Temperatur, die sich von derjenigen der Luft unterscheidet, die durch den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 strömt, im Inneren des ersten Temperatursteuerströmungspfades 230 strömen lassen kann. Das heißt der Batteriebehälter 71 hat einen Strömungspfadaufbau, bei dem der Aufwärmgasströmungspfad 67 im Inneren des ersten Temperatursteuerströmungspfades 230 vorgesehen ist. Gemäß diesem Aufbau strömt selbst dann, wenn der kalorische Wert des Zellenstapels CS aufgrund einer Verschlechterung über die Zeit zunimmt, die Luft, die eine niedrigere Temperatur als jene Luft hat, die durch den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 strömt, zu dem Aufwärmgasströmungspfad 67, so dass verhindert werden kann, dass der Zellenstapel CS übermäßig erwärmt wird.
Des Weiteren sind der Einleitanschluss IPH für Brennstoffgas und der Brennstoffgasauslass OPH, und der Einleitanschluss IPO für Oxidationsgas und der Oxidationsgasauslass OPO zwischen benachbarten Zellenstapeln CS unter der Vielzahl an Zellenstapeln CS ausgebildet. Gemäß diesem Aufbau kann das Brennstoffgas oder das Oxidationsgas zugeführt werden, indem effektiv der Raum genutzt wird, der zwischen benachbarten Zellenstapeln CS ausgebildet ist. Gemäß diesem Aufbau kann die Größe des Behälters 70 im Vergleich zu dem Fall reduziert werden, bei dem ein Raum zum Liefern des Brennstoffgases oder des Oxidationsgases separat vorgesehen ist.
Zweites Ausführungsbeispiel
Nachstehend ist ein zweites Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 9 beschrieben. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind hauptsächlich die Unterschiede gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Wie dies in 9 gezeigt ist, hat der in dem Außenzylinder 73 vorgesehene zweite Temperatursteuerströmungspfad 240 einen Innenströmungspfadabschnitt 241, der näher zu dem Zellenstapel CS ist, und einen Außenströmungspfadabschnitt 242, der von dem Zellenstapel CS in Bezug auf den Innenströmungspfadabschnitt 241 beabstandet (weiter entfernt) ist. Der zweite Temperatursteuerströmungspfad 240 hat einen Strömungspfadaufbau, bei dem die Luft, die durch den Außenströmungspfadabschnitt 242 getreten ist, zurückgewendet wird und in den Innenströmungspfadabschnitt 241 hineinströmt.
Genauer gesagt ist im Inneren des Außenzylinders 73 eine Trennplatte 733 vorgesehen, die den zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 in den Innenströmungspfadabschnitt 241 und den Außenströmungspfad 242 trennt. Der Innenströmungspfadabschnitt 241 und der Außenströmungspfadabschnitt 242 erstrecken sich jeweils entlang der axialen Richtung DRa. Eine Seite des Außenströmungspfadabschnittes 242 in der axialen Richtung DRa steht mit dem Innenströmungspfadabschnitt 241 über einen gewendeten Abschnitt 734 in Kommunikation, und die andere Seite in der axialen Richtung DRa steht mit dem Kommunikationskanal 740 in Kommunikation. Eine Seite des Innenströmungspfadabschnittes 241 in der axialen Richtung DRa steht mit dem Außenströmungspfadabschnitt 242 über den zurückgewendeten Abschnitt 734 in Kommunikation, und die andere Seite in der axialen Richtung DRa ist mit dem Zellenstapel CS über ein (nicht gezeigtes) Rohr oder dergleichen verbunden. In dem zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 ist die Strömungspfadquerschnittsfläche des Innenströmungspfadabschnittes 241 größer als die Strömungspfadquerschnittsfläche des ersten Temperatursteuerströmungspfades 230.
Der restliche Aufbau ist ähnlich wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Das Brennstoffzellenmodul 1 des vorliegenden Ausführungsbeispiels kann die gleiche Wirkung und den gleichen Effekt wie beim ersten Ausführungsbeispiel erzielen, die die gleichen oder äquivalent wie beim ersten Ausführungsbeispiel sind.
Hierbei hat der zweite Temperatursteuerströmungspfad 240 eine größere Wärmeübertragungsfläche, die Wärme von dem Zellenstapel CS empfängt, als der erste Temperatursteuerströmungspfad 230. In diesem Fall wird die Temperaturdifferenz zwischen der stromaufwärtigen Seite und der stromabwärtigen Seite des zweiten Temperatursteuerströmungspfades 240 hoch, und es besteht eine Möglichkeit dahingehend, dass die Temperatur des zweiten Temperatursteuerströmungspfades 240 ungleichförmig (ungleichmäßig) wird.
Da andererseits der zweite Temperatursteuerströmungspfad 240 einen Strömungspfadaufbau hat, bei dem die Luft zurückgewendet wird und entsprechend strömt, sind die Luftströmungen in dem Innenströmungspfadabschnitt 241 und dem Außenströmungspfadabschnitt 242 des zweiten Temperatursteuerströmungspfades 240 einander zugewandt. Daher wird die Temperatur des Innenströmungspfadabschnittes nahe zu dem Außenabschnitt des Zellenstapels CS gleichförmig gestaltet. Als ein Ergebnis wird eine Ungleichmäßigkeit in der Temperatur in dem Außenabschnitt des Zellenstapels CS unterdrückt.
Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels
In dem zweiten Ausführungsbeispiel ist in dem zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 die Strömungspfadquerschnittsfläche des Innenströmungspfadabschnittes 241 größer als die Strömungspfadquerschnittsfläche des ersten Temperatursteuerströmungspfades 230. Jedoch ist der zweite Temperatursteuerströmungspfad 240 nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Der zweite Temperatursteuerströmungspfad 240 des zweiten Ausführungsbeispiels hat einen Strömungspfadaufbau, bei dem die Luft strömt, indem sie zurückgewendet wird, und die Strömungsgeschwindigkeit der Luft in dem zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 kann im Vergleich zu dem ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 abnehmen. Wenn der zweite Temperatursteuerströmungspfad 240 so aufgebaut ist, dass Luft mit einer Strömungsgeschwindigkeit strömt, die kleiner als diejenige der Luft ist, die durch den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 strömt, kann die Querschnittsfläche des Strömungspfades kleiner sein als die Strömungspfadquerschnittsfläche des ersten Temperatursteuerströmungspfades 230. Das gleiche gilt auch für die folgenden Ausführungsbeispiele.
Drittes Ausführungsbeispiel
Nachstehend ist ein drittes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 10 beschrieben. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind hauptsächlich die Unterschiede gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Wie dies in 10 gezeigt ist, hat der Batteriebehälter 71 eine Dachplatte 75 zusätzlich zu dem Innenzylinder 72, dem Außenzylinder 73 und der Basisplatte 74. Die Basisplatte 74 hat eine Einzelwandstruktur, die sich von derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels unterscheidet, und ist nicht mit dem im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Kommunikationskanal 740 versehen.
Die Dachplatte 75 ist eine Platte, die einen oberen Abschnitt des Innenzylinders 72 und einen oberen Abschnitt des Außenzylinders 73 verbindet, und sie hat eine Ringform (Donut-Form). Die Dachplatte 75 ist einer oberen Fläche des Zellenstapels Cs bei einem vorbestimmten Intervall (Abstand) zugewandt. Die Dachplatte 75 hat eine Größe, die dazu in der Lage ist, die gesamte obere Fläche des Zellenstapels CS zu bedecken.
Die Dachplatte 75 hat einen Doppelwandaufbau mit einer oberen Wand 751 und einer unteren Wand 752, so dass ein Fluid zwischen diese hindurchtreten kann. Ein einen Raum definierender Abschnitt wie beispielsweise ein Abstandshalter oder ein Stift ist zwischen der oberen Wand 751 und der unteren Wand 752 vorgesehen, und ein im Wesentlichen konstanter Zwischenraum ist durch den einen Raum definierenden Abschnitt ausgebildet.
In der Dachplatte 75 ist die obere Wand 751 mit der zweiten Außenwand 732 des Außenzylinders 73 verbunden, und die untere Wand 752 ist mit der ersten Außenwand 722 des Innenzylinders 22 und der zweiten Innenwand 731 des Außenzylinders 73 verbunden. Ein Kommunikationskanal 750, der mit dem Zwischenraumströmungspfad des Außenzylinders 73 in Kommunikation steht, ist zwischen der oberen Wand 751 und der unteren Wand 752 ausgebildet.
Eine stromaufwärtige Seite der Luftströmung in dem Kommunikationskanal 750 ist mit der Luftvorheizeinrichtung 22 verbunden, und eine stromabwärtige Seite der Luftströmung ist mit dem Zwischenraumströmungspfad verbunden, der in dem Außenzylinder 73 ausgebildet ist. Als ein Ergebnis strömt in dem Batteriebehälter 71 ein Teil der Luft, die durch die Luftvorheizeinrichtung 22 getreten ist, in den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230, der in dem Innenzylinder 72 ausgebildet ist, und der Rest der Luft strömt in den zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240, der in dem Außenzylinder 72 ausgebildet ist, durch den Kommunikationskanal 750.
Die in den zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 einströmende Luft empfängt Wärme von dem Zellenstapel CS, und ihre Temperatur wird erhöht, wenn sie durch den Kommunikationskanal 750 tritt. Daher strömt in dem Batteriebehälter 71 Luft mit einer Temperatur, die niedriger ist als jene der Luft, die durch den zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 strömt, in den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230.
Des Weiteren strömt anders als beim zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 die Luft, die durch die Luftvorheizeinrichtung 22 getreten ist, in den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230, ohne durch den Kommunikationskanal 750 zu treten. Daher strömt in dem Batteriebehälter 71 des vorliegenden Ausführungsbeispiels die Luft mit einer höheren Strömungsgeschwindigkeit als jene Luft, die durch den zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 strömt, in den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230.
Der restliche Aufbau ist ähnlich wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Das Brennstoffzellenmodul 1 des vorliegenden Ausführungsbeispiels kann die gleiche Wirkung und den gleichen Effekt wie im ersten Ausführungsbeispiel erzielen, die gleich oder äquivalent wie im ersten Ausführungsbeispiel sind.
Wie dies vorstehend beschrieben ist, strömt im Batteriebehälter 71 die Luft, die eine niedrigere Temperatur als jene Luft hat, die durch den zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 strömt und eine höhere Strömungsgeschwindigkeit hat, in den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230. Daher wird die Differenz zwischen dem Betrag der Wärmeübertragung aufgrund von Konvektion im Inneren des Zellenstapels CS und dem Betrag an Wärmeübertragung aufgrund von Konvektion außerhalb des Zellenstapels CS gering, und die Temperaturverteilung zwischen dem Innenabschnitt und dem Außenabschnitt des Zellenstapels CS wird reduziert.
Abwandlung des dritten Ausführungsbeispiels
In dem dritten Ausführungsbeispiel ist der zweite Temperatursteuerströmungspfad 240, der in dem Außenzylinder 73 vorgesehen ist, als ein einzelner Strömungspfad aufgebaut, der sich in der axialen Richtung DRa erstreckt, jedoch ist der zweite Temperatursteuerströmungspfad 240 nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Wie dies im zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, kann der zweite Temperatursteuerströmungspfad 240 einen Strömungspfadaufbau mit dem Außenströmungspfadabschnitt 242 und dem Innenströmungspfadabschnitt 241 haben. Das gleiche gilt auch für die folgenden Ausführungsbeispiele.
Im dritten Ausführungsbeispiel kann die Luft, die durch die Luftvorheizeinrichtung 22 getreten ist, ohne durch den Kommunikationskanal 750 zu treten, in den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 einströmen, so dass die Luft mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit in den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 einströmt. Jedoch ist der Batteriebehälter 71 nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Der Batteriebehälter 71 kann beispielsweise mit einer Düse zum Beschleunigen des Fluides versehen sein, das in den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 einströmt.
Viertes Ausführungsbeispiel
Nachstehend ist ein viertes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die 11 beschrieben. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind hauptsächlich die Unterschiede gegenüber dem dritten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Wie dies in 11 gezeigt ist, ist der Batteriebehälter 71 so aufgebaut, dass das gemischte Gas aus dem Reformierrohmaterial und dem Dampf, bevor es in den Reformer 33 eingeleitet wird, in den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 einströmt, anstatt dass die Luft durch den Luftpfad 20 strömt. Die Temperatur des gemischten Gases aus dem Reformierrohmaterial und dem Dampf ist niedriger als jene der Luft, die durch die Luftvorheizeinrichtung 22 erwärmt wird. Daher strömt in dem Batteriebehälter 71 das gemischte Gas mit einer Temperatur, die niedriger als jene der Luft ist, die durch den zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 strömt, in den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 hinein.
Des Weiteren strömt anders als beim zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240, bei dem die Luft, die durch die Luftvorheizeinrichtung 22 getreten ist, durch den Kommunikationskanal 750 strömt, das gemischte Gas, bevor es in den Reformer 33 eingeleitet wird, in den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230, ohne durch den Kommunikationskanal 750 zu treten. Daher strömt im Batteriebehälter 71 des vorliegenden Ausführungsbeispiels das gemischte Gas mit einer höheren Strömungsgeschwindigkeit als jene der Luft, die durch den zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 strömt, in den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 hinein.
Der restliche Aufbau ist der gleiche wie im dritten Ausführungsbeispiel. Das Brennstoffzellenmodul 1 des vorliegenden Ausführungsbeispiels kann die gleiche Wirkung und den gleichen Effekt wie im dritten Ausführungsbeispiel erlangen, die die gleichen oder äquivalent zu jenen des dritten Ausführungsbeispiels sind.
Abwandlung des vierten Ausführungsbeispiels
Im vierten Ausführungsbeispiel strömt die Luft, die durch die Luftvorheizeinrichtung 22 getreten ist, in den zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 hinein, jedoch ist das durch den zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 strömende Fluid nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Das durch den zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 strömende Fluid kann eine höhere Temperatur als jene des ersten Temperatursteuerströmungspfades 230 haben. Der zweite Temperatursteuerströmungspfad 240 kann so aufgebaut sein, dass beispielsweise das durch den Reformer 33 erzeugte Brennstoffgas in den zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 hineinströmt.
Im vierten Ausführungsbeispiel strömt das gemischte Gas, bevor es in den Reformer 33 eingeleitet wird, in den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230, ohne durch den Kommunikationskanal 750 zu treten, so dass das gemischte Gas mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit zu dem ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 strömt. Jedoch ist der Batteriebehälter 71 nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Der Batteriebehälter 71 kann beispielsweise mit einer Düse zum Beschleunigen des Fluides versehen sein, das in den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 einströmt. Des Weiteren kann der erste Temperatursteuerströmungspfad 230 selbst so aufgebaut sein, dass er als der Reformer 33 fungiert. Ein derartiger Aufbau kann beispielsweise verwirklicht werden, indem ein Dampfreformierkatalysator in dem ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 angeordnet wird und ein gemischtes Gas aus dem Dampf und dem Reformierrohmaterial in dem ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 strömt.
Fünftes Ausführungsbeispiel
Nachstehend ist ein fünftes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 12 beschrieben. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind hauptsächlich die Unterschiede gegenüber dem dritten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Wie dies in 12 gezeigt ist, ist der Batteriebehälter 71 so aufgebaut, dass ein Teil der von dem Startergebläse 66 geblasenen Luft in den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 einströmt, anstatt dass die Luft durch den Luftpfad 20 strömt. Die Temperatur der von dem Startergebläse 66 geblasenen Luft ist niedriger als jene der Luft, die durch die Luftvorheizeinrichtung 22 erwärmt wird. Daher strömt in dem Batteriebehälter 71 die Luft, die eine niedrigere Temperatur als jene der Luft hat, die durch den zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 strömt, in den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 hinein.
Des Weiteren unterscheidet sich der erste Temperatursteuerströmungspfad 230 von dem zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240, in dem die Luft, die durch die Luftvorheizeinrichtung 22 getreten ist, durch den Kommunikationskanal 750 strömt, dahingehend, dass von dem Startergebläse 66 die geblasene Luft hinein strömt, ohne durch den Kommunikationskanal 750 zu laufen. Daher strömt im Batteriebehälter 71 des vorliegenden Ausführungsbeispiels das gemischte Gas mit einer Strömungsgeschwindigkeit, die höher ist als jene der Luft, die durch den zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 strömt, in den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 hinein.
Der restliche Aufbau ist der gleiche wie im dritten Ausführungsbeispiel. Das Brennstoffzellenmodul 1 des vorliegenden Ausführungsbeispiels kann den gleichen Betrieb und die gleichen Effekte wie im dritten Ausführungsbeispiel erzielen, die die gleichen oder äquivalenten wie im dritten Ausführungsbeispiel sind.
Abwandlung des fünften Ausführungsbeispiels
Im fünften Ausführungsbeispiel kann die Luft, die vom Startergebläse 66 geblasen wird, ohne durch den Kommunikationskanal 750 zu treten, in den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 hineinströmen, so dass die Luft mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit in den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 einströmt. Jedoch ist der Batteriebehälter 71 nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Der Batteriebehälter 71 kann beispielsweise mit einer Düse zum Beschleunigen des Fluides, das in den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 einströmt, versehen sein.
Weitere Ausführungsbeispiele
Obgleich repräsentative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung vorstehend beschrieben sind, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, und verschiedene Abwandlungen können beispielsweise wie folgt vorgenommen werden.
Im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel strömt im Batteriebehälter 71 Luft oder ein gemischtes Gas aus dem Reformierrohmaterial und dem Dampf durch den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230, und Luft oder Brennstoffgas strömt durch den zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240. Jedoch ist der Batteriebehälter 71 nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Wenn der Batteriebehälter 71 einen Aufbau hat, bei dem das erste Fluid mit einer größeren Temperaturdifferenz zu dem Zellenstapel CS oder einer größeren Strömungsgeschwindigkeit als das zweite Fluid, das durch den zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 strömt, in den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 hineinströmt, kann als erstes Fluid und zweites Fluid ein anderes Fluid außer Luft, einem gemischten Gas und einem Brennstoffgas aufgegriffen werden.
Im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel strömt im Batteriebehälter 71 die Luft, die eine niedrige Temperatur und hohe Strömungsgeschwindigkeit besitzt, in den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230, der eine kleinere Wärmeübertragungsfläche mit dem Zellenstapel CS hat als bei dem zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240. Jedoch ist der Batteriebehälter 71 nicht auf diesen Aufbau beschränkt.
Im Batteriebehälter 71 kann beispielsweise der Strömungspfadaufbau derart sein, dass ein Fluid mit einer niedrigeren Temperatur als jenes Fluid, das durch den zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 strömt, in den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 einströmt, und ein Fluid mit der gleichen Strömungsgeschwindigkeit in jeweils den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 und den zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 hineinströmt.
Im Gegensatz dazu kann in dem Batteriebehälter 71 beispielsweise der Strömungspfadaufbau derart sein, dass ein Fluid mit der gleichen Temperatur in jeweils den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 und den zweiten Temperatursteuerströmungspfad 240 hineinströmt, und ein Fluid mit einer Strömungsgeschwindigkeit, die größer ist als bei dem Fluid, das durch den Temperatursteuerströmungspfad 240 strömt, strömt in den ersten Temperatursteuerströmungspfad 230 hinein.
Im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel hat der Batteriebehälter 71 einen Doppelzylinderaufbau, bei dem ein ringförmiger Batteriespeicherraum BS im Inneren ausgebildet ist. Jedoch ist der Batteriebehälter 71 nicht auf diesen Aufbau beschränkt und kann einen anderen Aufbau außer dem Doppelzylinderaufbau haben.
Im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Batteriebehälter 71 in einer Stellung angeordnet, die sich entlang der vertikalen Richtung erstreckt, jedoch ist die Anordnungsstellung des Batteriebehälters 71 nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Der Batteriebehälter 71 kann beispielsweise in einer Stellung geneigt sein, bei der er in Bezug auf die vertikale Richtung geneigt ist.
Im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffzelle 10 in einem anderen Raum angeordnet, der von dem Raum isoliert ist, in dem die Luftvorheizeinrichtung 22, der Reformer 33, der Wasserverdampfer 42, der Verbrenner 63 und dergleichen untergebracht sind. Die Anordnung der Brennstoffzelle 10 ist nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Beispielsweise kann die Brennstoffzelle 10 in dem gleichen Raum wie jener Raum angeordnet sein, in dem die Luftvorheizeinrichtung 22, der Reformer 33, der Wasserverdampfer 42, der Verbrenner 63 und dergleichen untergebracht sind.
Im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die gestapelten Endflächen EF der benachbarten Zellenstapel CS in einer Stellung angeordnet, bei der sie einander zugewandt sind, jedoch ist die Anordnungsstellung der Zellenstapel CS nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Beispielsweise kann der Zellenstapel CS so angeordnet sein, dass die Seitenfläche, die sich entlang der Stapelrichtung DRst erstreckt, dem benachbarten Zellenstapel CS zugewandt ist.
Im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind in Vielzahl vorgesehene Zellenstapel CSs radial im Inneren des Batteriebehälters 71 angeordnet, jedoch ist das Brennstoffzellenmodul 1 nicht auf diesen Aufbau beschränkt. In dem Brennstoffzellenmodul 1 können in Vielzahl vorgesehene Zellen C radial im Inneren des Batteriebehälters 71 angeordnet sein. In diesem Fall entspricht die Zelle C dem Zellenelement.
Im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Aufwärmgasströmungspfad 67 im Inneren des ersten Temperatursteuerströmungspfades 230 im Batteriebehälter 71 ausgebildet, jedoch ist die Anordnung des Aufwärmgasströmungspfades 67 nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Der Aufwärmgasströmungspfad 67 kann anderweitig als im Inneren des ersten Temperatursteuerströmungspfades 230 angeordnet sein.
Im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Brennstoffgas- und Oxidationsgaseinlass zwischen benachbarten Zellenstapeln CS vorgesehen, jedoch ist die Anordnung des Einlasses nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Der Brennstoffgas- und Oxidationsgaseinlass kann anders als zwischen benachbarten Zellenstapeln CS vorgesehen sein.
Im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Brennstoffzellenmodul 1 der vorliegenden Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem angewendet, das die Massivoxidbrennstoffzelle (Festoxidbrennstoffzelle) 10 aufweist, jedoch ist das Anwendungsziel des Brennstoffzellenmoduls 1 nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Das Brennstoffzellenmodul 1 kann breit auf ein System angewendet werden, das eine andere Brennstoffzelle aufweist, wie beispielsweise eine Brennstoffzelle (das heißt eine PEFC) mit einer Festelektrolytmembran.
Es muss nicht gesagt werden, dass in den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen diese Elemente, die die Ausführungsbeispiele bilden, nicht zwangsweise notwendig sind mit Ausnahme des Falles, bei dem diese Elemente eindeutig als essentiell aufgezeigt sind, insbesondere in dem Fall, bei dem diese Elemente als offensichtlich im Prinzip notwendig erachtet werden und dergleichen.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die vorliegende Erfindung nicht auf die spezifische Anzahl von Komponenten der Ausführungsbeispiele außer in jenem Fall beschränkt, bei dem auf numerische Werte wie beispielsweise die Anzahl, numerische Größen, Mengen, Bereiche und dergleichen Bezug genommen wird, insbesondere wenn diese als ausdrücklich unabdingbar erachtet werden, und wenn es sich offensichtlich um eine spezifische Anzahl im Prinzip und dergleichen handelt.
Wenn in den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen auf eine Form, Positionsbeziehung und dergleichen einer Komponente und dergleichen Bezug genommen wird, ist diese nicht auf die Form, Positionsbeziehung und dergleichen mit Ausnahme des Falles beschränkt, bei dem diese spezifisch angegeben ist, dem Fall, bei dem grundsätzlich eine Beschränkung auf eine spezifische Form, Positionsbeziehung und dergleichen geboten scheint, und dergleichen.
Überblick
Gemäß einem in einem Teil oder sämtlichen der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele gezeigten ersten Aspekt hat das Brennstoffzellenmodul einen Behälter und eine Vielzahl an Zellenelementen, die radial im Inneren des Behälters angeordnet sind. Im Inneren des Behälters ist ein erster Fluidströmungspfad ausgebildet, durch den ein erstes Fluid strömt, das Wärme mit einem Innenabschnitt des Zellenelementes austauscht, und ist ein zweiter Fluidströmungspfad ausgebildet, durch den ein zweites Fluid strömt, das Wärme mit einem Außenabschnitt des Zellenelementes austauscht. Ein erster Wärmetauscherabschnitt, der den ersten Fluidströmungspfad ausbildet, hat eine kleinere Wärmeübertragungsfläche mit dem Zellenelement als ein zweiter Wärmetauscherabschnitt, der den zweiten Fluidströmungspfad ausbildet. Dann strömt das erste Fluid mit einer höheren Temperaturdifferenz mit dem Zellenelement als das zweite Fluid, das durch den zweiten Fluidströmungspfad strömt, in dem ersten Fluidströmungspfad.
Gemäß einem zweiten Aspekt strömt das erste Fluid mit einer Temperatur, die niedriger als jene des zweiten Fluides ist, das durch den zweiten Fluidströmungspfad strömt, in dem ersten Fluidströmungspfad, wenn das Zellenelement gekühlt wird oder warmgehalten wird.
Wenn das erste Fluid mit einer Temperatur, die niedriger als jene des zweiten Fluides ist, in dem ersten Fluidströmungspfad strömt, wird, wenn das Zellenelement gekühlt wird oder warmgehalten wird, eine Differenz zwischen einer Wärmeübertragungsmenge aufgrund von Konvektion in einem Innenabschnitt des Zellenelementes und einer Wärmeübertragungsmenge aufgrund von Konvektion in einem Außenabschnitt des Zellenelementes gering. Daher kann die Temperaturverteilung zwischen dem Innenabschnitt und dem Außenabschnitt des Zellenelementes, wenn das Zellenelement gekühlt wird oder warmgehalten wird, reduziert werden.
Gemäß einem dritten Aspekt strömt das erste Fluid in dem ersten Fluidströmungspfad mit einer höheren Strömungsgeschwindigkeit als das durch den zweiten Fluidströmungspfad strömende zweite Fluid. In dieser Weise ist, da das erste Fluid mit einer größeren Strömungsgeschwindigkeit als das zweite Fluid in dem ersten Fluidströmungspfad strömt, das eine kleinere Wärmeübertragungsfläche mit dem Zellenelement als der zweite Fluidströmungspfad hat, ein Wärmeübertragungskoeffizient des ersten Fluidströmungspfades größer als ein Wärmeübertragungskoeffizient des zweiten Fluidströmungspfades. Gemäß diesem Aufbau wird die Differenz zwischen der Wärmeübertragungsmenge aufgrund von Konvektion in dem Innenabschnitt des Zellenelementes und der Wärmeübertragungsmenge aufgrund von Konvektion in dem Außenabschnitt gering, und die Temperaturverteilung zwischen dem Innenabschnitt und dem Außenabschnitt des Zellenelementes kann reduziert werden.
Gemäß einem vierten Aspekt hat das Brennstoffzellenmodul einen Behälter und eine Vielzahl an Zellenelementen, die radial im Inneren des Behälters angeordnet sind. Im Inneren des Behälters ist ein erster Fluidströmungspfad ausgebildet, durch den ein erstes Fluid strömt, das Wärme mit einem Innenabschnitt des Zellenelementes austauscht, und ist ein zweiter Fluidströmungspfad ausgebildet, durch den ein zweites Fluid strömt, das Wärme mit einem Außenabschnitt des Zellenelementes austauscht. Ein erster Wärmetauscherabschnitt, der den ersten Fluidströmungspfad ausbildet, hat eine kleinere Wärmeübertragungsfläche mit dem Zellenelement als ein zweiter Wärmetauscherabschnitt, der den zweiten Fluidströmungspfad ausbildet. Das erste Fluid strömt in dem ersten Fluidströmungspfad und hat eine höhere Strömungsgeschwindigkeit als das zweite Fluid, das durch den zweiten Fluidströmungspfad strömt.
Gemäß einem fünften Aspekt hat der zweite Fluidströmungspfad einen Innenströmungspfadabschnitt, der näher zu dem Zellenelement liegt, und einen Außenströmungspfadabschnitt, der sich von dem Zellenelement weiter weg befindet als der Innenströmungspfadabschnitt, und hat einen Strömungspfadaufbau, bei dem das zweite Fluid, das durch den Außenströmungspfadabschnitt tritt, zurückgewendet wird und in den Innenströmungspfadabschnitt einströmt.
Wenn die Wärmeübertragungsfläche des zweiten Fluidströmungspfades größer als die Wärmeübertragungsfläche des ersten Fluidströmungspfades ist, wird die Temperaturdifferenz zwischen der stromaufwärtigen Seite und der stromabwärtigen Seite des zweiten Fluidströmungspfades hoch, und es besteht ein Risiko dahingehend, dass die Temperatur des zweiten Fluidströmungspfades ungleichmäßig (ungleichförmig) wird.
Wenn andererseits der zweite Fluidströmungspfad einen Strömungspfadaufbau hat, bei dem das zweite Fluid zurückgewendet wird und strömt, sind die Strömungen des zweiten Fluidströmungspfades einander im Innenströmungspfadabschnitt und dem Außenströmungspfadabschnitt des zweiten Fluidströmungspfades zugewandt. Daher wird die Temperatur des Innenströmungspfadabschnittes in der Nähe des Außenabschnittes des Zellenelementes gleichförmig gestaltet. Als ein Ergebnis wird eine Ungleichmäßigkeit der Temperatur in dem Außenabschnitt des Zellenelementes unterdrückt.
Gemäß einem sechsten Aspekt ist jedes der Vielzahl an Zellenelementen als ein Zellenstapel aufgebaut, in dem eine Vielzahl an Zellen gestapelt sind. In den benachbarten Zellenstapeln unter der Vielzahl an Zellenstapeln sind die gestapelten Endflächen, die sich an den Enden der Vielzahl an Zellen in der Stapelrichtung befinden, so angeordnet, dass sie einander zugewandt sind.
In dieser Weise empfängt, wenn die gestapelten Endflächen benachbarter Zellenstapel einander zugewandt sind, eine der gestapelten Endflächen der benachbarten Zellenstapel Wärme von dem anderen Zellenstapel, so dass die Temperaturverteilung in der Stapelrichtung des Zellenelementes reduziert werden kann.
Gemäß einem siebenten Aspekt ist ein dritter Fluidströmungspfad, der ein drittes Fluid strömen lässt, das eine Temperatur hat, die sich von derjenigen des ersten Fluides unterscheidet, im Inneren des ersten Fluidströmungspfades in dem Behälter vorgesehen. Wenn wie vorstehend beschrieben der Strömungspfadaufbau derart ist, dass der dritte Fluidströmungspfad im Inneren des ersten Fluidströmungspfades vorgesehen ist, kann selbst dann, wenn der kalorische Wert (Energiemenge) des Zellenelementes aus irgendeinem Grund zunimmt, das dritte Fluid mit einer Temperatur, die niedriger als beim zweiten Fluid ist, in den dritten Fluidströmungspfad strömen, so dass verhindert werden kann, dass das Zellenelement übermäßig erwärmt wird.
Gemäß einem achten Aspekt ist zumindest entweder der Brennstoffgaseinlass und/oder der Oxidationsgaseinlass zwischen benachbarten Zellenelementen unter der Vielzahl an Zellenelementen ausgebildet. In dieser Weise kann, wenn der Einlass zwischen benachbarten Zellenelementen ausgebildet ist, der zwischen den benachbarten Zellenelementen ausgebildete Raum effektiv dazu genutzt werden, das Brennstoffgas oder das Oxidationsgas zu liefern. Gemäß diesem Aufbau kann die Größe des Behälters im Vergleich zu dem Fall reduziert werden, bei dem ein Raum zum Liefern des Brennstoffgases oder des Oxidationsgases separat vorgesehen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2019214232 [0001]
JP 2011113829 A [0006]

Claims

Brennstoffzellenmodul mit: einem Behälter (70); und einer Vielzahl an Zellenelementen (CS), die im Inneren des Behälters radial angeordnet sind, wobei im Inneren des Behälters ein erster Fluidströmungspfad (230), durch den ein erstes Fluid strömt, das Wärme mit einem inneren Abschnitt des Zellenelementes austauscht, ausgebildet ist, wenn eine Vielzahl an Zellenelementen radial angeordnet sind, und ein zweiter Fluidströmungspfad (240), durch den ein zweites Fluid strömt, das Wärme mit einem äußeren Abschnitt des Zellenelementes austauscht, ausgebildet ist, wenn eine Vielzahl an Zellenelementen radial angeordnet ist, ein erster Wärmetauscherabschnitt (72), der den ersten Fluidströmungspfad ausbildet und Wärme mit dem Zellenelement austauscht, eine kleinere Wärmeübertragungsfläche mit dem Zellenelement als ein zweiter Wärmetauscherabschnitt (73) hat, der den zweiten Fluidströmungspfad ausbildet und Wärme mit dem Zellenelement austauscht, und das erste Fluid eine höhere Temperaturdifferenz mit dem Zellenelement als das durch den zweiten Fluidströmungspfad strömende zweite Fluid hat und in dem ersten Fluidströmungspfad strömt.
Brennstoffzellenmodul gemäß Anspruch 1, wobei das erste Fluid mit einer Temperatur, die niedriger als jene des durch den zweiten Fluidströmungspfad strömenden zweiten Fluides ist, in dem ersten Fluidströmungspfad strömt, wenn das Zellenelement gekühlt wird oder warmgehalten wird.
Brennstoffzellenmodul gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Fluid mit einer höheren Strömungsrate als jene des durch den zweiten Fluidströmungspfad strömenden zweiten Fluides in dem ersten Fluidströmungspfad strömt.
Brennstoffzellenmodul mit: einem Behälter (70); und einer Vielzahl an Zellenelementen (CS), die im Inneren des Behälters radial angeordnet sind, wobei im Inneren des Behälters ein erster Fluidströmungspfad (230), durch den ein erstes Fluid strömt, das Wärme mit einem inneren Abschnitt des Zellenelementes austauscht, ausgebildet ist, wenn eine Vielzahl an Zellenelementen radial angeordnet sind, und ein zweiter Fluidströmungspfad (240), durch den ein zweites Fluid strömt, das Wärme mit einem äußeren Abschnitt des Zellenelementes austauscht, ausgebildet ist, wenn eine Vielzahl an Zellenelementen radial angeordnet ist, ein erster Wärmetauscherabschnitt (72), der den ersten Fluidströmungspfad ausbildet und Wärme mit dem Zellenelement austauscht, eine kleinere Wärmeübertragungsfläche mit dem Zellenelement als ein zweiter Wärmetauscherabschnitt (73) hat, der den zweiten Fluidströmungspfad ausbildet und Wärme mit dem Zellenelement austauscht, und das erste Fluid mit einer höheren Strömungsgeschwindigkeit als das durch den zweiten Fluidströmungspfad strömende zweite Fluid in dem ersten Fluidströmungspfad strömt.
Brennstoffzellenmodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der zweite Fluidströmungspfad einen inneren Strömungspfadabschnitt (241), der näher zu dem Zellenelement ist, und einen äußern Strömungspfadabschnitt (242) hat, der weiter von dem Zellenelement als der innere Strömungspfadabschnitt entfernt ist, und einen Strömungspfadaufbau hat, bei dem das durch den äußeren Strömungspfadabschnitt tretende zweite Fluid zurückgewendet wird und in den inneren Strömungspfadabschnitt einströmt.
Brennstoffzellenmodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei jedes aus der Vielzahl an Zellenelementen (C) als ein Zellenstapel (CS) aufgebaut ist, in dem eine Vielzahl an Zellen gestapelt sind, und in den benachbarten Zellenstapeln unter der Vielzahl an Zellenstapeln die gestapelten Endflächen (EF), die an den Enden der Vielzahl an Zellen in einer Stapelrichtung angeordnet sind, so angeordnet sind, dass sie einander zugewandt sind.
Brennstoffzellenmodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein dritter Fluidströmungspfad (67), durch den ein drittes Fluid mit einer Temperatur strömen kann, die sich von derjenigen des ersten Fluides unterscheidet, im Inneren des ersten Fluidströmungspfades in dem Behälter vorgesehen ist.
Brennstoffzellenmodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zumindest ein Einlass (IPH, OPH, IPO, OPO) eines Brennstoffgases und eines Oxidationsgases zwischen benachbarten Zellenelementen unter der Vielzahl an Zellenelementen ausgebildet ist.