JP2005158525A - Fuel cell assembly - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池組立体、更に詳しくは固体電解質型燃料電池発電システムの如き燃料電池発電システムの構成に好適に使用される燃料電池組立体に関する。 The present invention relates to a fuel cell assembly, and more particularly to a fuel cell assembly suitably used in the configuration of a fuel cell power generation system such as a solid oxide fuel cell power generation system.
次世代エネルギーとして、近年、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型及び固体電解質型等の種々の型の燃料電池発電システムが提案されている。特に、固体電解質型燃料電池発電システムは、作動温度が1000℃程度と高いが、発電効率が高い、排熱利用が可能である等の利点を有しており、研究開発が推し進められている。 In recent years, various types of fuel cell power generation systems such as solid polymer type, phosphoric acid type, molten carbonate type, and solid electrolyte type have been proposed as next-generation energy. In particular, the solid oxide fuel cell power generation system has an operating temperature as high as about 1000 ° C., but has advantages such as high power generation efficiency and use of exhaust heat, and research and development are being promoted.
燃料電池発電システムの典型例においては、発電室を規定するハウジングと、このハウジング内に配設されたセルスタックとを含む燃料電池組立体が装備されている(特許文献1)。かかる燃料電池組立体には、セルスタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段、セルスタックに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段が付設されている。
しかしながら、上述した燃料電池組立体において、発電室内に配設されたスタックへの燃料ガス供給手段、酸素含有ガス供給手段はセルスタックの一方側に配設されており、このため、セルスタックに導入される前の温度の低いガスが発電室(セルスタックの周囲)の一方向側に偏るため、発電室内のガス導入側における温度が低くなるといった現象が発生する。発電室内、即ち、セルスタック周囲における温度分布が大きくなると、温度の低い部分での燃料電池セルの発電性能が低くなり、燃料電池全体の性能も下がる。これを避けるために、全体の温度を上げると、高温部の温度が燃料電池に用いている金属材料の耐熱温度を超える等、好ましくない。従って、発電室の温度分布を減じた発電室の構造が待望されていた。特にセルスタックへのガス導入側、及びセルスタックからのガス導出側、即ちガス導出方向におけるセルスタックの側方部分は温度分布による発電性能への影響は少ないが、セルスタック間を流れるガス流と直交するセルスタックの側方部分の温度分布は、発電性能へ直接的に影響を与えるため、この部分における温度分布低減が望まれていた。 However, in the fuel cell assembly described above, the fuel gas supply means and the oxygen-containing gas supply means for the stack provided in the power generation chamber are provided on one side of the cell stack, and are therefore introduced into the cell stack. Since the low-temperature gas before being biased is biased toward one direction of the power generation chamber (around the cell stack), a phenomenon occurs in which the temperature on the gas introduction side in the power generation chamber decreases. When the temperature distribution in the power generation chamber, that is, around the cell stack, increases, the power generation performance of the fuel cell in the low temperature portion decreases, and the performance of the entire fuel cell also decreases. In order to avoid this, it is not preferable to raise the overall temperature because the temperature of the high temperature part exceeds the heat resistance temperature of the metal material used in the fuel cell. Therefore, a structure of a power generation chamber in which the temperature distribution of the power generation chamber is reduced has been awaited. In particular, the gas introduction side to the cell stack and the gas outlet side from the cell stack, that is, the side portion of the cell stack in the gas outlet direction, has little influence on the power generation performance due to the temperature distribution. Since the temperature distribution in the side portion of the orthogonal cell stack directly affects the power generation performance, it has been desired to reduce the temperature distribution in this portion.
本発明は、燃料電池スタックの周囲における温度差を低減できる燃料電池組立体を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell assembly that can reduce a temperature difference around the fuel cell stack.
本発明者は、燃料ガス、酸素含有ガス、被改質ガス、改質ガス等の複数のガス供給路を、燃料電池スタックの周囲に対向するように配設することにより、燃料電池スタックの周囲における温度差を低減でき、燃料電池スタックの複数の燃料電池セルの温度をほぼ均一にして、発電性能の均一化を図ることができることを見出し、本発明に至った。 The inventor arranges a plurality of gas supply paths such as a fuel gas, an oxygen-containing gas, a reformed gas, and a reformed gas so as to face the periphery of the fuel cell stack. The present inventors have found that the temperature difference between the two can be reduced, the temperature of the plurality of fuel cells of the fuel cell stack can be made substantially uniform, and the power generation performance can be made uniform, and the present invention has been achieved.
即ち、本発明の燃料電池組立体は、ハウジング内に燃料電池スタックを収容してなり、該燃料電池スタックにガスを供給するガス供給路を有する燃料電池組立体であって、複数の前記ガス供給路を、前記燃料電池スタックの周囲に対向するように配設してなることを特徴とする。 That is, the fuel cell assembly of the present invention is a fuel cell assembly comprising a fuel cell stack housed in a housing and having a gas supply path for supplying gas to the fuel cell stack, wherein a plurality of the gas supply assemblies are provided. The path is arranged so as to face the periphery of the fuel cell stack.
このような燃料電池組立体では、酸素含有ガス、燃料ガスや被改質ガスを供給するガス供給路が、燃料電池スタックの周囲に対向するように配設されているため、温度の低いガス供給路によって低下する温度域は、燃料電池スタックの周囲に分散され、一方側に偏ることがなく、燃料電池スタックの周囲における温度差を低減できる。このため、燃料電池スタック内の燃料電池セルの発電性能のばらつきを小さくできる。 In such a fuel cell assembly, the gas supply path for supplying the oxygen-containing gas, the fuel gas, and the reformed gas is disposed so as to face the periphery of the fuel cell stack. The temperature range that is lowered by the road is distributed around the fuel cell stack and is not biased to one side, so that the temperature difference around the fuel cell stack can be reduced. For this reason, the dispersion | variation in the electric power generation performance of the fuel cell in a fuel cell stack can be made small.
また、本発明の燃料電池組立体は、燃料電池スタックからのガス導出方向に対して直交する方向における前記燃料電池スタックの側方に、ガス供給路が配設されていることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、ガス導出方向では、セル上部の燃焼部により高温に加熱された燃料ガスが導出されるため、温度低下が殆どなく、しかもそれ程発電に寄与する部分でないが、ガス導出方向に対して直交する方向における燃料電池スタックの側方は、低温のガス供給路の存在によりその周囲が温度低下しやすく、しかも発電に大きく寄与する部分であるため、低温のガス供給路を、燃料電池スタックの側方に分散して配設することにより、温度の低いガス供給路によって低下する温度域を、燃料電池スタックの周囲に分散でき、一方側に偏ることがなく、燃料電池スタックの周囲における温度差を低減できる。 The fuel cell assembly according to the present invention is characterized in that a gas supply path is disposed on the side of the fuel cell stack in a direction orthogonal to the direction of gas discharge from the fuel cell stack. In such a fuel cell assembly, in the gas outlet direction, the fuel gas heated to a high temperature by the combustion part at the upper part of the cell is led out, so there is almost no temperature drop and it does not contribute much to power generation. The side of the fuel cell stack in the direction orthogonal to the lead-out direction is a portion where the temperature tends to decrease due to the existence of a low-temperature gas supply path and contributes greatly to power generation. By dispersively arranging the fuel cell stack to the side, the temperature range that is lowered by the low temperature gas supply path can be dispersed around the fuel cell stack, and the fuel cell stack is not biased to one side. The temperature difference in the surroundings can be reduced.
さらに、本発明の燃料電池組立体は、燃料電池スタックが、複数の燃料電池セルが所定間隔をおいて設けられたマニホールドを有し、ガス供給路が前記マニホールドに接続されていることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、低温のガスを燃料電池スタックに直接供給することなく、ガスマニホールドを介して行うため、ガスの導入側における燃料電池セル端部と、ガス導出側における燃料電池セル端部の温度差を低減できる。 Furthermore, the fuel cell assembly of the present invention is characterized in that the fuel cell stack has a manifold in which a plurality of fuel cells are provided at predetermined intervals, and a gas supply path is connected to the manifold. To do. In such a fuel cell assembly, low-temperature gas is not supplied directly to the fuel cell stack, but is performed via the gas manifold, so that the fuel cell end on the gas introduction side and the fuel cell on the gas outlet side The temperature difference at the end can be reduced.
また、本発明の燃料電池組立体は、燃料電池スタックが、複数の燃料電池セルを所定間隔を置いて縦列配置してなるセルスタックと、該セルスタックのセル配列方向に配設されたガス供給路とを有する発電ユニットを複数並設してなることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、燃料電池スタックが複数の発電ユニットから構成されて分散されるため、低温のガス供給路による温度差を低減できるとともに、発電ユニットに何らかの支障が生じた場合でも、その発電ユニットのみを交換することができる。 The fuel cell assembly according to the present invention includes a cell stack in which a plurality of fuel cells are arranged in tandem at predetermined intervals, and a gas supply disposed in the cell arrangement direction of the cell stack. A plurality of power generation units having a road are arranged in parallel. In such a fuel cell assembly, since the fuel cell stack is composed of a plurality of power generation units and dispersed, the temperature difference due to the low temperature gas supply path can be reduced, and even if any trouble occurs in the power generation unit, Only the power generation unit can be replaced.
さらに、本発明の燃料電池組立体は、複数の発電ユニットがそれぞれガス供給路を有しており、第1発電ユニットのガス供給路が、該第1発電ユニットと隣設する第2発電ユニットのガス供給路の配設位置と反対側に設けられていることを特徴とする。さらに、隣設するセルスタック同士が電気的に直列に接続されていることが望ましい。 Furthermore, in the fuel cell assembly of the present invention, each of the plurality of power generation units has a gas supply path, and the gas supply path of the first power generation unit is a second power generation unit adjacent to the first power generation unit. It is provided on the side opposite to the position where the gas supply path is arranged. Furthermore, it is desirable that adjacent cell stacks are electrically connected in series.
このような燃料電池組立体では、同一種の発電ユニットを複数作製し、その配列方向を逆とすることにより、本発明の燃料電池組立体を容易に作製することができるとともに、燃料電池スタックが複数の発電ユニットにより構成されているため、上記したように温度差をさらに低減できる。また、配列方向が逆とされた隣設する発電ユニットのセルスタック同士の同一側を電気的に接続することにより、燃料電池セルを直列に接続でき、高い電圧を得ることができる。 In such a fuel cell assembly, by producing a plurality of power generation units of the same type and reversing the arrangement direction, the fuel cell assembly of the present invention can be easily produced, and the fuel cell stack Since it is composed of a plurality of power generation units, the temperature difference can be further reduced as described above. In addition, by electrically connecting the same side of the cell stacks of the adjacent power generation units whose arrangement direction is reversed, the fuel cells can be connected in series and a high voltage can be obtained.
さらに、本発明の燃料電池組立体は、発電ユニットが、セルスタック上方に改質器を有しており、被改質ガスのガス供給路が、セルスタックの側方を介して改質器に接続されていることを特徴とする。さらに、改質器からの改質された燃料ガスのガス供給路が、セルスタックの側方を介して燃料電池セルに導入されることが望ましい。 Furthermore, in the fuel cell assembly of the present invention, the power generation unit has a reformer above the cell stack, and the gas supply path of the gas to be reformed is connected to the reformer via the side of the cell stack. It is connected. Furthermore, it is desirable that a gas supply path for the reformed fuel gas from the reformer is introduced into the fuel cell via the side of the cell stack.
このような燃料電池組立体では、被改質ガスは一般に外部からセルスタックの側方を介して改質器に供給されため、周囲の温度と比較して低温であるため、本発明を好適に用いることができる。 In such a fuel cell assembly, the gas to be reformed is generally supplied from the outside to the reformer through the side of the cell stack, and is therefore lower in temperature than the ambient temperature. Can be used.
さらに、本発明の燃料電池組立体は、ガス供給路がハウジング外に設けられた改質器から延設されていることを特徴とする。ハウジング外に設けられた改質器により改質された燃料ガスは、燃料電池スタックに供給するまでに冷却されるため、本発明を好適に用いることができる。 Furthermore, the fuel cell assembly of the present invention is characterized in that a gas supply path is extended from a reformer provided outside the housing. Since the fuel gas reformed by the reformer provided outside the housing is cooled before being supplied to the fuel cell stack, the present invention can be suitably used.
本発明の燃料電池組立体では、酸素含有ガス、燃料ガス、被改質ガス等を供給するガス供給路を、燃料電池スタックの周囲に対向するように配設するため、温度の低いガス供給路によって低下する温度域は、燃料電池スタックの周囲に分散され、一方側に偏ることがなく、燃料電池スタックの周囲における温度差を低減できる。このため、燃料電池スタック内の燃料電池セルの発電性能のばらつきを小さくできる。 In the fuel cell assembly of the present invention, the gas supply path for supplying the oxygen-containing gas, fuel gas, reformed gas, etc. is disposed so as to face the periphery of the fuel cell stack. The temperature range that is lowered by is distributed around the fuel cell stack and is not biased to one side, and the temperature difference around the fuel cell stack can be reduced. For this reason, the dispersion | variation in the electric power generation performance of the fuel cell in a fuel cell stack can be made small.
以下、本発明の燃料電池組立体を図示している添付図面を参照して、更に詳述する。 The fuel cell assembly of the present invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
図1及び図2を参照して説明すると、図示の燃料電池組立体は略直方体形状のハウジング2を具備している。このハウジング2の6個の壁面には適宜の断熱材料から形成された断熱壁、即ち上断熱壁4、下断熱壁6、右側断熱壁8、左側断熱壁10、前断熱壁(図示していない)及び後断熱壁(図示していない)が配設されている。ハウジング2内には発電・燃焼室12が規定されている。
Referring to FIGS. 1 and 2, the illustrated fuel cell assembly includes a
前断熱壁及び/又は後断熱壁は着脱自在或いは開閉自在に装着されており、前断熱壁及び/又は後断熱壁を離脱或いは開動せしめることによって発電・燃焼室12内にアクセスすることができる。所望ならば、各断熱壁の外面に金属板製でよい外壁を配設することができる。
The front heat insulation wall and / or the rear heat insulation wall are detachably or detachably mounted, and the power generation /
ハウジング2内の下端部には下部ガス室14が配置され、上端部には上部ガス室16が配設されている。下部ガス室14は上下方向寸法が比較的小さい直方体形状のケース15内に規定されており、同様に上部ガス室16も上下方向寸法が比較的小さい直方体形状のケース17内に規定されている。ハウジング2内の左右両側部には上下方向に延在する連通ガス室18が配設されている。かかる連通ガス室18は横方向(図1において左右方向)寸法が比較的小さい直方体形状のケース19内に規定されている。
A
連通ガス室18の各々の上面には前後方向に間隔をおいて3個の連通筒20が付設されており、かかる連通筒20を介して連通ガス室18の各々が上部ガス室16の下面両側部に連通されている。連通ガス室18の各々の下端部内側は下部ガス室14の両側面に直接的に連結されている。
Three
従って、上部ガス室16の両側部は連通ガス室18を介して下部ガス室14の両側部に連通せしめられている。下部ガス室14の上面には横方向(図1において左右方向)に間隔をおいて上方に突出する5個の中空ガス噴出板22が配設されている。かかるガス噴出板22の下端は下部ガス室14内に連通せしめられており、上部にはガス噴出孔(図示していない)が形成されている。
Accordingly, both side portions of the
ハウジング2の両側部、更に詳しくは右側断熱壁8の内側及び左側断熱壁10の内側には、全体として平板形状である熱交換器24が配設されている。熱交換器24の各々は実質上鉛直に延在する中空平板形態のケース26から構成されている。
A
かかるケース26内にはその横方向中間に位置する仕切板28が配設されており、ケース26内は内側に位置する排出路30と外側に位置する流入路32とに区画されている。排出路30内には上下方向に間隔をおいて5枚の仕切壁34及び36が配置されている。更に詳述すると、排出路30内には、その前縁はケース26の前壁(図示していない)から後方に離隔して位置するがその後縁はケース26の後壁(図示していない)に接続されている形態の仕切壁34と、その前縁はケース26の前壁に接続されているがその後縁はケース26の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁36とが交互に配置されており、かくして燃焼ガス排出路30はジグザグ形態にせしめられている。なお、燃焼ガス排出路30は、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。
A
同様に、流入路32内にも上下方向に間隔をおいて5枚の仕切壁38及び40、即ちその前縁はケース26の前壁(図示していない)から後方に離隔して位置するがその後縁はケース26の後壁(図示していない)に接続されている形態の仕切壁38と、その前縁はケース26の前壁に接続されているがその後縁はケース26の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁40とが交互に配置されており、かくして流入路32もジグザグ形態にせしめられている。なお、流入路32も、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。
Similarly, the five
ケース26の内側壁の上端部には排出開口42が形成されており、排出路30は排出開口42を介して発電・燃焼室12と連通せしめられている。図示の実施形態においては、熱交換器24の各々と上記連通ガス室18との間及び連通ガス室18の内面にも断熱部材44及び46が配設されているが、かかる断熱部材44及び46の上端は排出開口42の下縁と実質上同高乃至これより幾分下方に位置せしめられており、排出開口42は断熱部材44及び46の上方に残留せしめられている空間並びに連通ガス室18の上端に配設された3個の連通筒20間の空間を通して発電・燃焼室12に連通せしめられている。
A
ケース26の上壁における外側部には流入開口48が形成されており、流入路32はかかる流入開口48を介して上部ガス室16に連通せしめられている。熱交換器24の各々の後方には上下方向に細長く延びる二重筒体50(図1にその上端部のみを図示している)が配設されており、かかる二重筒体50は外側筒部材52と内側筒部材54とから構成されている。排出路30の下端部は外側筒部材52と内側筒部材54との間に規定されている排出路の下端部に接続されており、流入路32の下端部は内側筒部材54内に規定されている流入路に接続されている。
An
而して、図示の燃料電池組立体における上述したとおりの構成は、本出願人の出願にかかる特願2003−295790号の明細書及び図面に開示されている燃料電池組立体と実質上同一であるので、上述した構成の詳細については上記特願2003−295790号の明細書及び図面に委ね、本明細書においては説明を省略する。 Thus, the configuration of the fuel cell assembly shown in the drawing is substantially the same as the fuel cell assembly disclosed in the specification and drawings of Japanese Patent Application No. 2003-295790 filed by the present applicant. Therefore, the details of the configuration described above are left to the specification and drawings of Japanese Patent Application No. 2003-295790, and the description thereof is omitted in this specification.
上述した下部ガス室14の上面上には4個の発電ユニット56a、56b、56c及び56dが配置されている。発電ユニット56a、56b、56c及び56dは、夫々、上述したガス噴出板22間に位置せしめられており、所定間隔をおいて並設され、発電ユニット56a、56b、56c及び56dにより燃料電池スタック57を構成している。図1及び図2と共に、図5を参照して説明を続けると、発電ユニット56aは前後方向(図1において紙面に垂直な方向)に細長く延びる直方体形状の燃料ガスケース58aを具備している。
Four
燃料ガス室59aを規定している燃料ガスマニホールド58aの上面上にはセルスタック60aが装着されている。セルスタック60aは上下方向に細長く延びる板状でかつ柱状の直立セル62を燃料ガスマニホールド58aの長手方向(即ち前後方向)に複数個縦列配置して構成されている。燃料電池セル62の配列方向と、発電ユニット56の配列方向は直交している。セル62の各々は、図4に明確に図示する如く、電極支持基板64、内側電極層である燃料極層66、固体電解質層68、外側電極層である酸素極層70、及びインターコネクタ72から構成されている。
A
電極支持基板64は上下方向に細長く延びる板状片であり、平坦な両面と半円形状の両側面を有する。電極支持基板64にはこれを鉛直方向に貫通する複数個(図示の場合は4個)の燃料ガス通路74が形成されている。電極支持基板64の各々は燃料マニホールド58aの上壁上に、例えば耐熱性に優れたセラミック接着剤によって接合される。
The
燃料ガスマニホールド58aの上壁には図1において紙面に垂直な方向に間隔をおいて左右方向に延びる複数個のスリット(図示していない)が形成されており、電極支持基板64の各々に形成されている燃料ガス通路74がスリットの各々に、従って燃料ガス室59aに連通せしめられる。
On the upper wall of the
インターコネクタ72は電極支持基板64の片面(図4のセルスタック60aにおいて上面)上に配設されている。燃料極層66は電極支持基板64の他面(図4のセルスタック60aにおいて下面)及び両側面に配設されており、その両端はインターコネクタ72の両端に接合せしめられている。固体電解質層68は燃料極層66の全体を覆うように配設され、その両端はインターコネクタ72の両端に接合せしめられている。酸素極層70は、固体電解質層68の主部上、即ち電極支持基板64の他面を覆う部分上に配置され、電極支持基板板64を挟んでインターコネクタ72に対向して位置せしめられている。
The
セルスタック60aにおける隣接するセル62間には集電部材76が配設されており、一方のセル62のインターコネクタ72と他方のセル62の酸素極層70とを接続している。セルスタック60aの両端、即ち図4において上端及び下端に位置するセル62の片面及び他面にも集電部材76が配設されている。セルスタック60aの両端に位置する集電部材76には電力取出手段(図示していない)が接続されており、かかる電力取出手段はハウジング2の前壁(図示していない)及び/又は後壁(図示していない)を通してハウジング2外に延在せしめられている。所望ならば、セルスタック60a、60b、60c及び60dの各々に電力取出手段を配設することに代えて、適宜の接続手段によってセルスタック60a、60b、60c及び60dを相互に直列接続し、4個のセルスタック60a、60b、60c及び60dに関して共通の電力取出手段を配設することもできる。
A current collecting
セル62について更に詳述すると、電極支持基板64は燃料ガスを燃料極層66まで透過させるためにガス透過性であること、そしてまたインターコネクタ72を介して集電するために導電性であることが要求され、かかる要求を満足する多孔質の導電性セラミック(若しくはサーメット)から形成することができる。
More specifically about the
燃料極層66及び/又は固体電解質層70との同時焼成により電極支持基板64を製造するためには、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから電極支持基板64を形成することが好ましい。所要ガス透過性を備えるために開気孔率が30%以上、特に35乃至50%の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は300S/cm以上、特に440C/cm以上であるのが好ましい。
In order to manufacture the
燃料極層66は多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているZrO2(安定化ジルコニアを称されている)とNi及び/又はNiOとから形成することができる。
The
固体電解質層68は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、3〜15モル%の希土類元素が固溶したZrO2から形成されている。
The
酸素極層70は所謂ABO3型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックから形成することができる。酸素極層70はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が20%以上、特に30〜50%の範囲にあることが好ましい。
The
インターコネクタ72は導電性セラミックから形成することができるが、水素ガスでよい燃料ガス及び空気でよい酸素含有ガスと接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、このためにランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO3系酸化物)が好適に使用される。インターコネクタ72は電極支持基板64に形成された燃料ガス通路74を通る燃料ガス及び電極支持基板64の外側を流動する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質でなければならず、93%以上、特に95%以上の相対密度を有していることが望まれる。
Although the
集電部材76は弾性を有する金属又は合金から形成された適宜の形状の部材或いは金属繊維又は合金繊維から成るフェルトに所要表面処理を加えた部材から構成することができる。
The current collecting
図1乃至図3、5を参照して説明を続けると、発電ユニット56aは、セルスタック60aの上方を前後方向に細長く延びる長方体形状(或いは円筒形状)であるのが好都合である改質ケース78aも具備している。改質ケース78aの前端部側面には、改質された燃料ガスの燃料ガス送給管80aの一端即ち上端が接続されている。
Continuing the description with reference to FIGS. 1 to 3 and 5, the
燃料ガス送給管80aは下方に延び、次いで湾曲して後方に延び、燃料ガス送給管80aの他端は上記燃料ガスマニホールド58aの前面に接続されている。改質ケース78aの後面には改質される被改質ガス供給管82aの一端が接続されている。被改質ガス供給管82aは改質ケースから下方に延び、ハウジング2の下を通ってハウジング2外に延出されている。燃料ガス送給管80a、被改質ガス供給管82aの内部がガス供給路とされている。
The fuel
被改質ガス供給管82aは都市ガス等の炭化水素ガスでよい被改質ガス供給源(図示していない)に接続されており、被改質ガス供給管82aを介して改質ケース78aに被改質ガスが供給される。改質ケース78a内には燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質するための適宜の改質触媒が収容されている。
The to-be-reformed
図示の実施形態においては、改質ケース78aは燃料ガス送給管80aを介して燃料ガスマニホールド58aに接続され、これによって所要位置に保持されているが、所要ならば、図5に二点鎖線で図示する如く、例えば上記被改質ガス供給管82aの下面と燃料ガスマニホールド58aの後端部上面或いは後面との間に適宜の支持部材84aを付設することもできる。
In the illustrated embodiment, the reforming
発電ユニット56a、56b、56c及び56dの各々は、図1及び図2を参照することによって明確に理解されるとおり、ガス噴射板22間にて下部ガス室14を規定するケース15の上面上に載置され、ボルトの如き適宜の固定手段(図示していない)によって所定位置に固定される。
Each of the
上述したとおりの燃料電池組立体においては、被改質ガスが被改質ガス供給管82a、82b、82c、82dを介して改質ケース78a、78b、78c及び78dに供給され、改質ケース78a、78b、78c及び78d内において水素リッチな燃料ガスに改質された後に、燃料ガス送給管80a、80b、80c、80dを通して燃料ガスマニホールド58a、58b、58c及び58d内に規定されている燃料ガス室59a、59b、59c及び59dに供給され、次いでセルスタック60a、60b、60c及び60dに供給される。
In the fuel cell assembly as described above, the gas to be reformed is supplied to the reforming
一方、空気でよい酸素含有ガスは二重筒体50の内側筒部材54内に規定されている流入路を通して熱交換器24の流入路32に供給され、次いで上部ガス室16及び連通ガス室18を通して下部ガス室14に供給され、そしてガス噴出板22の噴出孔からセルスタック60a、60b、60c及び60dに向けて噴射される。
On the other hand, oxygen-containing gas, which may be air, is supplied to the
セルスタック60a、60b、60c及び60dの各々においては、酸素極において、
1/2O2+2e−→O2−(固体電解質)
の電極反応が生成され、燃料極において、
O2−(固体電解質)+H2→H2O+2e−
の電極反応が生成されて発電される。
In each of the
1 / 2O 2 + 2e − → O 2− (solid electrolyte)
The electrode reaction of
O 2− (solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e −
The electrode reaction is generated and power is generated.
発電に使用されることなくセルスタック60a、60b、60c及び60dから上方に流動した燃料ガス及び酸素含有ガスは、起動時に発電・燃焼室12内に配設されている点火手段(図示していない)によって点火されて燃焼される。周知の如く、セルスタック60a、60b、60c及び60dにおける発電に起因して、そしてまた燃料ガスと酸素含有ガスとの燃焼に起因して発電・燃焼室12内は例えば1000℃程度の高温になる。改質ケース78a、78b、78c及び78dは発電・燃焼室12内に配設され、セルスタック60a、60b、60c及び60dの直ぐ上方に位置せしめられており、燃焼炎によって直接的にも加熱され、かくして発電・燃焼室12内に生成される高温が被改質ガスの改質に効果的に利用される。
The fuel gas and oxygen-containing gas that have flowed upward from the
発電・燃焼室12内に生成された燃焼ガスは熱交換器24に形成されている排出開口42から排出路30に流入し、ジグザグ状に延在する排出路30を流動した後に二重筒体50の外側筒部材52と内側筒部材54との間に規定されている排出路を通して排出される。燃焼ガスが二重筒体50における排出路を流動する際には、二重筒体50における流入路を酸素含有ガスが流動し、燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で熱交換が行われる。
The combustion gas generated in the power generation /
そしてまた、燃焼ガスが熱交換器24の排出路30をジグザグ状に流動せしめられる際には、酸素含有ガスが熱交換器24の流入路32をジグザグ状に流動せしめられる。かくして燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で効果的に熱交換されて酸素含有ガスが余熱される。酸素含有ガスは上部ガス室16、連通ガス室18及び下部ガス室14を通る際にも発電・燃焼室12内の高温によって加熱される。
In addition, when the combustion gas is caused to flow in the
長期間に渡って発電を遂行することによってセルスタック60a、60b、60c及び60dの一部或いは全部が劣化した場合には、ハウジング2の前壁(図示していない)或いは後壁(図示していない)を離脱或いは開動せしめ、発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部をハウジング2内から取り出す。
When a part or all of the
そして、発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部を新しいものに交換して、或いは発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部におけるセルスタック60a、60b、60c及び60dのみを新しいものに交換して、再びハウジング2内の所要位置に装着すればよい。発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部における改質ケース78a、78b、78c及び78d内に収容されている改質触媒を交換することが必要な場合にも、発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部をハウジング2内から取り出し、発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部における改質ケース78a、78b、78c及び78d自体を新しいものに或いは改質ケース78a、78b、78c及び78d内の改質触媒のみを新しいものに交換すればよい。
Then, replace some or all of the
改質ケース78a、78b、78c及び78d内の改質触媒の交換を充分容易に遂行し得るようになすために、所望ならば改質ケース78a、78b、78c及び78dの一部を開閉自在な扉にせしめることができる。
In order to be able to perform the replacement of the reforming catalyst in the reforming
そして、本発明の燃料電池組立体では、図6に示すように、ガス供給路80a、80b、80c及び80dが、燃料電池スタック57の周囲に対向するように配設されている。即ち、燃料電池スタック57の対向する側面側(燃料電池セル60の配列方向の側面側)には、燃料ガス供給路80a、80b、80c及び80dが交互に配設されている。さらに、改質される燃料ガスの被改質ガス供給管82a、82b、82c及び82dについても、燃料電池スタック57の対向する側面側に交互に配設されており、これらの被改質ガス供給管82a、82b、82c及び82dは、一方および他方の側面側に、燃料ガス供給路80a、80b、80c及び80dと交互に配設されている。
In the fuel cell assembly according to the present invention, as shown in FIG. 6,
即ち、図3において説明すると、発電ユニット56cは上述した発電ユニット56aと実質上同一であり、発電ユニット56b及び56dは、発電ユニット56a及び56cに対して前後方向が逆に配置されていること、従って改質ケース78b及び78dと燃料ガスマニホールド58b及び58dとを接続する燃料ガス送給管(図示していない)が後側に配置され、被改質ガス供給管82b及び82dが改質ケースから下方に延び、ハウジング2の下を通ってハウジング2外に延出している。
3, the
このような燃料電池組立体では、改質ケース78a、78b、78c及び78dに、被改質ガス供給管82a、82b、82c及び82dを通して導入される被改質ガスは、通常ハウジング2の外部から供給されるので、このような被改質ガス供給管82a、82b、82c及び82dを燃料電池スタック57の対向する側面側に交互に配設することにより、燃料電池スタック57の周囲における温度差を低減でき、特に、発電に実質に寄与する燃料電池セルの側方における温度差を低減でき、燃料電池スタック内の燃料電池セルの発電性能のばらつきを小さくできる。
In such a fuel cell assembly, the reformed gas introduced into the reforming
また、燃料ガスを供給する燃料ガス供給路80a、80b、80c及び80dが、燃料電池スタック57の周囲に対向するように配設されているため、燃料電池スタック57の周囲における温度差をさらに低減できる。
Further, since the fuel
以上、添付図面を参照して本発明の好適実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能であることは多言するまでもない。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to such embodiments, and various modifications and corrections can be made without departing from the scope of the present invention. It goes without saying that this is possible.
例えば、セルスタックの上方に特定の改質ケースを備えた燃料電池組立体に関連せしめて本発明を説明したが、改質ケースがセルスタックの上方以外の場合でも、改質ケースへのガス供給路が、燃料電池スタックの周囲の相対向する位置に設けられていれば良いことは勿論である。 For example, the present invention has been described in connection with a fuel cell assembly having a specific reforming case above the cell stack, but the gas supply to the reforming case is possible even when the reforming case is not above the cell stack. Of course, it is only necessary that the paths are provided at opposite positions around the fuel cell stack.
また、外部から導入される被改質ガスを直接燃料電池セルに導入して発電する場合においても、ガス供給路が燃料電池スタックの周囲の相対向する位置に設けられていれば良いことは勿論である。 Further, even when a reformed gas introduced from the outside is directly introduced into the fuel cell to generate electric power, it is needless to say that the gas supply path only needs to be provided at opposing positions around the fuel cell stack. It is.
さらに、外部からのガスが被改質ガス以外の場合、例えば、水素ガスを直接セルスタックに導入する場合においても、ガス供給路が燃料電池スタックの周囲の相対向する位置に設けられていれば良いことは勿論である。このように、本発明は、外部からハウジング内に供給されるガスのガス供給路が燃料電池スタックの周囲に配設される場合に好適に用いることができる。例えば、ハウジング外に改質器を有しており、この改質器で改質された燃料ガスをハウジング内に供給する場合であっても、本発明を用いることが出来る。 Furthermore, when the gas from the outside is other than the gas to be reformed, for example, when hydrogen gas is directly introduced into the cell stack, the gas supply passages are provided at opposing positions around the fuel cell stack. Of course it is good. Thus, the present invention can be suitably used when a gas supply path for gas supplied from the outside into the housing is disposed around the fuel cell stack. For example, the present invention can be used even when a reformer is provided outside the housing and the fuel gas reformed by the reformer is supplied into the housing.
また、特定の熱交換器を備えた略直方体のハウジングを備えた燃料電池組立体に関連せしめて本発明を説明したが、本出願人の出願にかかる特願2000−292234の明細書及び図面に開示されている多重筒状体から構成されたハウジングの如き他の適宜の形態のハウジングを備えた燃料電池組立体にも本発明を適用することができる。 Although the present invention has been described in relation to a fuel cell assembly having a substantially rectangular parallelepiped housing with a specific heat exchanger, the specification and drawings of Japanese Patent Application No. 2000-292234 relating to the applicant's application have been described. The present invention can also be applied to a fuel cell assembly including a housing of another appropriate form such as a housing constituted of a disclosed multiple cylindrical body.
さらに、燃料ガスを供給するガス供給管を燃料電池スタックの対向する位置に配設せしめたが、酸素含有ガスを供給するガス供給管を燃料電池スタックの対向する位置に配設せしめてもよいことは勿論である。 Furthermore, although the gas supply pipe for supplying the fuel gas is disposed at the position facing the fuel cell stack, the gas supply pipe for supplying the oxygen-containing gas may be disposed at the position facing the fuel cell stack. Of course.
2:ハウジング
56a、56b、56c及び56d:発電ユニット
57:燃料電池スタック
58a、58b、58c及び58d:燃料ガスマニホールド
60a、60b、60c及び60d:セルスタック
78a、78b、78c及び78d:改質ケース(改質器)
80a及び80c:燃料ガス送給管(ガス供給路)
82a、82b、82c、82d:被改質ガス供給管(ガス供給路)
2:
80a and 80c: Fuel gas supply pipe (gas supply path)
82a, 82b, 82c, 82d: Reformed gas supply pipe (gas supply path)
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