JP2010146783A - Fuel battery module and fuel battery device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、収納容器内に複数個の柱状の燃料電池セルを収納してなる燃料電池モジュールおよびそれを具備する燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell module in which a plurality of columnar fuel cells are accommodated in a storage container, and a fuel cell device including the fuel cell module.
近年、次世代エネルギーとして、水素含有ガスと空気(酸素含有ガス)とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数個立設し電気的に直列に接続してなるセルスタックと、セルスタックを構成する燃料電池セルを固定するとともに、燃料電池セルに反応ガスを供給するマニホールドとを有するセルスタック装置を、収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや燃料電池モジュールを収納してなる燃料電池装置が種々提案されている。 In recent years, as a next-generation energy, a cell stack in which a plurality of fuel cells that can obtain electric power using hydrogen-containing gas and air (oxygen-containing gas) are electrically connected in series, and a cell A fuel cell module in which a fuel cell constituting a stack and a manifold for supplying a reaction gas to the fuel cell and a manifold for supplying a reaction gas are housed in a housing container and a fuel cell module are housed. Various fuel cell devices have been proposed.
そのような燃料電池モジュールとしては、例えば、直方体状の収納容器内に設けられた発電室内に、燃料電池セルを複数個並設し電気的に直列に接続してマニホールドに固定してなるセルスタック装置を収納してなる燃料電池モジュールが提案されている(例えば、特許文献1参照)。そして、上記特許文献1に記載の燃料電池モジュールにおいては、燃料電池セルに反応ガス(酸素含有ガス等)を導入するための反応ガス導入部材が設けられており、反応ガス導入部材の下端部側に、燃料電池セルの下端部側に反応ガス(酸素含有ガス等)を導入するための反応ガス導入口が設けられている。
ところで、燃料電池セルの発電に伴いセルスタック(燃料電池セル)に熱が生じるが、その発電により生じた熱は、隣接する燃料電池セル間等から放熱される。 By the way, heat is generated in the cell stack (fuel cell) with the power generation of the fuel cell, and the heat generated by the power generation is dissipated from between adjacent fuel cells.
しかしながら、特に燃料電池セルを複数並設し電気的に直列に接続してなるセルスタックにおいては、セルスタックの配列方向の端部側に配置される燃料電池セルは熱を放散しやすいが、セルスタックの配列方向の中央部側に配置される燃料電池セルは熱を放散しにくいため、セルスタック全体として、中央部側の温度が高く、端部側の温度が低いという、燃料電池セルの配列方向において不均一な温度分布を生じることとなる。 However, particularly in a cell stack in which a plurality of fuel cells are arranged in parallel and electrically connected in series, the fuel cells arranged on the end side in the arrangement direction of the cell stack tend to dissipate heat. The fuel cell arranged on the central side in the stacking direction of the stack is unlikely to dissipate heat, so the overall cell stack has a high temperature on the central side and a low temperature on the end side. This results in a non-uniform temperature distribution in the direction.
そして、セルスタックの温度分布が燃料電池セルの配列方向において不均一な温度分布となる場合においては、セルスタックを構成する各燃料電池セルに供給される燃料ガスの流れにばらつきが生じ、セルスタックの発電量が低下する、またはセルスタックを構成する一部の燃料電池セルの劣化が早まるといったおそれがあった。 When the temperature distribution of the cell stack is non-uniform in the arrangement direction of the fuel cells, the flow of the fuel gas supplied to each fuel cell constituting the cell stack varies, and the cell stack There is a risk that the amount of generated power will be reduced, or the deterioration of some of the fuel cells constituting the cell stack will be accelerated.
それゆえ本発明は、セルスタックの燃料電池セルの配列方向における温度分布を均一に近づけることが可能な燃料電池モジュールおよびそれを具備する燃料電池装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell module capable of making the temperature distribution in the arrangement direction of the fuel cells in the cell stack evenly close, and a fuel cell device including the fuel cell module.
本発明の燃料電池モジュールは、内部に第1の反応ガスを流通させるためのガス流路を有する柱状の燃料電池セルを複数個立設し電気的に直列に接続してなるセルスタックと、該セルスタックを構成する前記燃料電池セルの下端を固定するとともに前記燃料電池セルに前記第1の反応ガスを供給するマニホールドとを具備するセルスタック装置を収納容器内に収納してなり、該収納容器は、内壁と外壁とを有する二重壁構造で、前記内壁と前記外壁との間を第2の反応ガスの流路とし、前記内壁には、前記流路につながって前記燃料電池セルの配列方向に沿った側面側より前記燃料電池セルの下端部へ前記第2の反応ガスを導入するための反応ガス導入部材を備えてなる燃料電池モジュールにおいて、前記反応ガス導入部材は、前記燃料電池セルの配列方向における前記セルスタックの幅よりも狭い幅を有し、前記流路を流れた前記第2の反応ガスを、前記セルスタックの前記燃料電池セルの配列方向における中央部と向かい合う位置で上方から下方に向けて流すための第1導入流路と、該第1導入流路の下端に接続され、前記燃料電池セルの配列方向における前記セルスタックの幅に対応した幅を有する第2導入流路と、該第2導入流路に設けられ、当該第2導入流路に流れた前記第2の反応ガスを前記燃料電池セルの下端部へ導入するための反応ガス導入口とを具備することを特徴とする。 A fuel cell module of the present invention comprises a cell stack in which a plurality of columnar fuel cells each having a gas flow path for allowing a first reaction gas to flow therein are erected and electrically connected in series; A cell stack device comprising a manifold for fixing the lower end of the fuel cell constituting the cell stack and supplying the first reactive gas to the fuel cell is accommodated in a storage container, and the storage container Is a double-wall structure having an inner wall and an outer wall, and a second reaction gas flow path is formed between the inner wall and the outer wall, and the inner wall is connected to the flow path, and the arrangement of the fuel cells. A fuel cell module comprising a reaction gas introduction member for introducing the second reaction gas from a side surface along a direction to a lower end portion of the fuel cell, wherein the reaction gas introduction member is the fuel cell. The second reaction gas having a width narrower than the width of the cell stack in the arrangement direction of the fuel cell and flowing through the flow path is located at a position facing the central portion of the cell stack in the arrangement direction of the fuel cells. A first introduction channel for flowing downward from above, and a second introduction connected to the lower end of the first introduction channel and having a width corresponding to the width of the cell stack in the arrangement direction of the fuel cells. A flow path, and a reaction gas introduction port that is provided in the second introduction flow path and introduces the second reaction gas that has flowed into the second introduction flow path into the lower end portion of the fuel cell. It is characterized by that.
このような燃料電池モジュールにおいては、燃料電池セルの下端部に、温度の低い第2の反応ガスを供給するための反応ガス導入部材が、燃料電池セルの配列方向におけるセルスタックの幅よりも狭く、燃料電池セルの配列方向に沿った中央部と向かい合う位置で、内壁と外壁とで形成される流路を流れた第2の反応ガスを上方より下方に向けて流れるための第1導入流路を備えることから、燃料電池セルの配列方向における中央部の温度を低下させることができる。 In such a fuel cell module, the reaction gas introduction member for supplying the second reaction gas having a low temperature to the lower end portion of the fuel cell is narrower than the width of the cell stack in the arrangement direction of the fuel cell. The first introduction flow path for flowing the second reaction gas flowing through the flow path formed by the inner wall and the outer wall from the upper side toward the lower side at a position facing the central portion along the arrangement direction of the fuel cells. Therefore, the temperature of the central part in the arrangement direction of the fuel cells can be lowered.
また、第1導入流路を流れた第2の反応ガスが、燃料電池セルの配列方向におけるセルスタックの幅に対応した幅を有する第2導入流路を流れた後に、反応ガス導入口を介して燃料電池セルの下端部に導入されることから、燃料電池セルに十分な量の第2の反応ガスを導入することができる。 In addition, after the second reaction gas flowing through the first introduction flow path flows through the second introduction flow path having a width corresponding to the width of the cell stack in the arrangement direction of the fuel cells, the reaction gas is introduced through the reaction gas introduction port. Therefore, a sufficient amount of the second reaction gas can be introduced into the fuel cell.
それにより、燃料電池セルの配列方向における温度分布、すなわちセルスタック全体としての温度分布を均一に近づけることができることから、セルスタックの発電量が低下することを抑制でき、発電効率を向上することができる。さらには、セルスタックを構成する一部の燃料電池セルの劣化が早まることを抑制することができる。 As a result, the temperature distribution in the arrangement direction of the fuel cells, that is, the temperature distribution of the entire cell stack can be made close to uniform, so that the power generation amount of the cell stack can be suppressed from decreasing, and the power generation efficiency can be improved. it can. Furthermore, it is possible to suppress the deterioration of some fuel cells constituting the cell stack.
また、本発明の燃料電池モジュールは、前記第1導入流路は、前記セルスタックの前記燃料電池セルの配列方向に沿った側面側から見たときに、前記第1導入流路の外形が左右対称であるとともに、該第1の導入流路の中央線と前記セルスタックの前記燃料電池セルの配列方向における中央を上下方向に引いた中央線とが重なるような位置関係に、前記第1導入流路と前記セルスタックとが配置されていることが好ましい。 In the fuel cell module of the present invention, when the first introduction channel is viewed from the side surface along the arrangement direction of the fuel cells of the cell stack, the outer shape of the first introduction channel is left and right. The first introduction channel is symmetrical and has a positional relationship such that a center line of the first introduction flow path and a center line obtained by vertically pulling the center of the cell stack in the arrangement direction of the fuel cells overlap. It is preferable that a flow path and the cell stack are arranged.
このような燃料電池モジュールにおいては、左右対称の第1導入流路の中央部とセルスタックの中央部とが向かい合う配置関係となる。それにより、セルスタックの中央部の温度を効果的に低下させることができる。それにより、セルスタックの発電量が低下することを抑制でき、発電効率を向上することができる。 In such a fuel cell module, the center portion of the symmetrical first introduction flow path and the center portion of the cell stack face each other. Thereby, the temperature of the center part of a cell stack can be reduced effectively. Thereby, it can suppress that the electric power generation amount of a cell stack falls, and can improve electric power generation efficiency.
また、本発明の燃料電池モジュールは、前記反応ガス導入部材は、前記セルスタックと向かい合う面の幅が、上方から下方まで前記燃料電池セルの配列方向における前記セルスタックの幅以上であることが好ましい。 In the fuel cell module of the present invention, it is preferable that a width of a surface of the reaction gas introduction member facing the cell stack is equal to or greater than a width of the cell stack in the arrangement direction of the fuel cells from above to below. .
このような燃料電池モジュールにおいては、反応ガス導入部材における燃料電池セルの配列方向における端部側において、燃料電池セルの発電等により生じる熱が輻射熱となり、セルスタックにおける燃料電池セルの配列方向における端部側の温度を上昇させることができる。それにより、燃料電池セルの配列方向における温度分布を均一に近づけることができ、セルスタックの発電量が低下することを抑制でき、発電効率を向上することができる。 In such a fuel cell module, the heat generated by the power generation of the fuel cell in the reaction gas introduction member in the arrangement direction of the fuel cell is radiant heat, and the end of the fuel cell in the cell stack in the arrangement direction. The temperature on the part side can be increased. As a result, the temperature distribution in the arrangement direction of the fuel cells can be made to be uniform, the power generation amount of the cell stack can be suppressed from decreasing, and the power generation efficiency can be improved.
また、本発明の燃料電池モジュールは、前記反応ガス導入口が、前記反応ガス導入部材の前記セルスタックと向かい合う面に、前記燃料電池セルの配列方向に沿って複数個設けられていることが好ましい。 In the fuel cell module of the present invention, it is preferable that a plurality of the reaction gas introduction ports are provided along the arrangement direction of the fuel cells on the surface of the reaction gas introduction member facing the cell stack. .
このような燃料電池モジュールにおいては、反応ガス導入部材のセルスタックと向かい合う面に、燃料電池セルの配列方向に沿って、反応ガス導入口が複数個設けられていることから、燃料電池セルの下端部に第2の反応ガスを効率よく導入することができ、セルスタックの発電効率を向上することができる。 In such a fuel cell module, since a plurality of reaction gas introduction ports are provided along the arrangement direction of the fuel cells on the surface of the reaction gas introduction member facing the cell stack, the lower end of the fuel cell The second reaction gas can be efficiently introduced into the section, and the power generation efficiency of the cell stack can be improved.
また、本発明の燃料電池モジュールは、前記反応ガス導入部材は、前記燃料電池セルの配列方向における前記セルスタックの幅に対応した幅を有するとともに、上端が前記内壁に接続され、下端が前記第1導入流路に接続された第3導入流路を備え、該第3導入流路の下端が前記燃料電池セルの上端以上の高さに位置することが好ましい。 In the fuel cell module of the present invention, the reactive gas introduction member has a width corresponding to the width of the cell stack in the arrangement direction of the fuel cells, and an upper end is connected to the inner wall, and a lower end is the first It is preferable that a third introduction flow path connected to one introduction flow path is provided, and the lower end of the third introduction flow path is located at a height higher than the upper end of the fuel cell.
このような燃料電池モジュールにおいては、収納容器の内壁と外壁との間を流れる第2の反応ガスが、セルスタックの幅に対応した幅を有する第3導入流路を流れた後に、第1導入流路に流れ、続いて第2導入流路を流れた後に、燃料電池セルに供給されることになる。それにより、第2の反応ガスの流れにおいて圧損を低下させることができ、セルスタックの発電効率を向上することができる。 In such a fuel cell module, after the second reactive gas flowing between the inner wall and the outer wall of the storage container flows through the third introduction flow path having a width corresponding to the width of the cell stack, the first introduction gas is introduced. After flowing through the flow path and subsequently through the second introduction flow path, the fuel cell is supplied. Thereby, pressure loss can be reduced in the flow of the second reaction gas, and the power generation efficiency of the cell stack can be improved.
また、本発明の燃料電池モジュールは、前記第1導入流路の幅が、前記セルスタックの前記燃料電池セルの配列方向における幅の10〜90%であることが好ましい。 In the fuel cell module of the present invention, it is preferable that the width of the first introduction channel is 10 to 90% of the width of the cell stack in the arrangement direction of the fuel cells.
このような燃料電池モジュールにおいては、第1導入流路の幅が、セルスタックの燃料電池セルの配列方向における幅の10〜90%であることから、セルスタックにおける燃料電池セルの配列方向における中央部側の温度を低下させることができるとともに、燃料電池セルの配列方向における端部側の温度が低下することを効率よく抑制することができる。それにより、燃料電池セルの配列方向における温度分布を均一に近づけることができる。 In such a fuel cell module, since the width of the first introduction flow path is 10 to 90% of the width of the cell stack in the arrangement direction of the fuel cells, the center in the arrangement direction of the fuel cells in the cell stack. The temperature on the part side can be reduced, and the temperature on the end part side in the arrangement direction of the fuel cells can be effectively suppressed from decreasing. Thereby, the temperature distribution in the arrangement direction of the fuel cells can be made closer to the uniform.
また、本発明の燃料電池モジュールは、前記反応ガス導入口から前記第2導入流路の上端までの長さが、前記反応ガス導入口から前記燃料電池セルの上端までの長さの5〜60%以下であることが好ましい。 In the fuel cell module of the present invention, the length from the reaction gas introduction port to the upper end of the second introduction flow path is 5 to 60 from the reaction gas introduction port to the upper end of the fuel cell. % Or less is preferable.
このような燃料電池モジュールにおいては、反応ガス導入口から第2導入流路の上端までの長さが、反応ガス導入口から燃料電池セルの上端までの長さの5〜60%以下となるように配置されていることから、第1導入流路を流れた第2の反応ガスを、第2導入流路の燃料電池セルの配列方向に沿った端部側に効率よく流すことができる。それにより、各燃料電池セルに十分な量の第2の反応ガスを導入することができることから、セルスタックの発電量が低下することを抑制でき、発電効率を向上することができる。 In such a fuel cell module, the length from the reaction gas introduction port to the upper end of the second introduction flow path is 5 to 60% or less of the length from the reaction gas introduction port to the upper end of the fuel cell. Therefore, the second reaction gas that has flowed through the first introduction flow channel can be efficiently flowed to the end side along the arrangement direction of the fuel cells in the second introduction flow channel. Thereby, since a sufficient amount of the second reaction gas can be introduced into each fuel cell, it is possible to suppress a decrease in the amount of power generated by the cell stack, and to improve power generation efficiency.
また、本発明の燃料電池モジュールは、前記第1導入流路の幅が、上方から下方まで同じ幅であることが好ましい。 In the fuel cell module of the present invention, it is preferable that the width of the first introduction channel is the same from the top to the bottom.
このような燃料電池モジュールにおいては、第1導入流路の幅が、上方から下方まで同じ幅であることから、セルスタックの中央部の温度を効果的に低下させることができる。それにより、セルスタックの発電量が低下することを抑制でき、発電効率を向上することができるとともに、セルスタックを構成する一部の燃料電池セルの劣化が早まることを抑制することができる。 In such a fuel cell module, since the width of the first introduction flow path is the same from the upper side to the lower side, the temperature of the central portion of the cell stack can be effectively reduced. Thereby, it can suppress that the electric power generation amount of a cell stack falls, and while being able to improve electric power generation efficiency, it can suppress that deterioration of the one part fuel cell which comprises a cell stack is accelerated.
また、本発明の燃料電池装置は、上述のうちいずれかの燃料電池モジュールと、前記セルスタックを動作させるための補機とを、外装ケース内に収納してなることから、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。 Further, the fuel cell device of the present invention has one of the above-described fuel cell modules and an auxiliary machine for operating the cell stack housed in an outer case, thereby improving power generation efficiency. A fuel cell device can be obtained.
本発明の燃料電池モジュールは、内部に第1の反応ガスを流通させるためのガス流路を有する柱状の燃料電池セルを複数個立設し電気的に直列に接続してなるセルスタックと、該セルスタックを構成する前記燃料電池セルの下端を固定するとともに前記燃料電池セルに前記第1の反応ガスを供給するマニホールドとを具備するセルスタック装置を収納容器内に収納してなり、該収納容器は、内壁と外壁とを有する二重壁構造で、前記内壁と前記外壁との間を第2の反応ガスの流路とし、前記内壁には、前記流路につながって前記燃料電池セルの配列方向に沿った側面側より前記燃料電池セルの下端部へ前記第2の反応ガスを導入するための反応ガス導入部材を備えてなる燃料電池モジュールにおいて、前記反応ガス導入部材は、前記燃料電池セルの配列方向における前記セルスタックの幅よりも狭い幅を有し、前記流路を流れた前記第2の反応ガスを前記燃料電池セルの配列方向における前記セルスタックの中央部と向かい合う位置で上方から下方に向けて流すための第1導入流路と、該第1導入流路の下端に接続され、前記燃料電池セルの配列方向における前記セルスタックの幅に対応した幅を有する第2導入流路と、該第2導入流路に設けられ、当該第2導入流路に流れた前記第2の反応ガスを前記燃料電池セルの下端部へ導入するための反応ガス導入口とを具備することから、燃料電池セルの配列方向における温度分布を均一に近づけることができ、セルスタックの発電量が低下することを抑制でき、発電効率を向上することができる。さらには、セルスタックを構成する一部の燃料電池セルの劣化が早まることを抑制することができる。 A fuel cell module of the present invention comprises a cell stack in which a plurality of columnar fuel cells each having a gas flow path for allowing a first reaction gas to flow therein are erected and electrically connected in series; A cell stack device comprising a manifold for fixing the lower end of the fuel cell constituting the cell stack and supplying the first reactive gas to the fuel cell is accommodated in a storage container, and the storage container Is a double-wall structure having an inner wall and an outer wall, and a second reaction gas flow path is formed between the inner wall and the outer wall, and the inner wall is connected to the flow path, and the arrangement of the fuel cells. A fuel cell module comprising a reaction gas introduction member for introducing the second reaction gas from a side surface along a direction to a lower end portion of the fuel cell, wherein the reaction gas introduction member is the fuel cell. The second reactive gas having a width narrower than the width of the cell stack in the arrangement direction of the fuel cell and at the position facing the central portion of the cell stack in the arrangement direction of the fuel cells A first introduction flow channel for flowing downward from the first and a second introduction flow connected to the lower end of the first introduction flow channel and having a width corresponding to the width of the cell stack in the arrangement direction of the fuel cells And a reaction gas introduction port provided in the second introduction flow path for introducing the second reaction gas flowing in the second introduction flow path into the lower end portion of the fuel cell. Therefore, the temperature distribution in the arrangement direction of the fuel cells can be made to be uniform, the power generation amount of the cell stack can be suppressed from decreasing, and the power generation efficiency can be improved. Furthermore, it is possible to suppress the deterioration of some fuel cells constituting the cell stack.
図1は、本発明の燃料電池モジュール1(以下、モジュールという場合がある。)の一例を示す外観斜視図である。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。 FIG. 1 is an external perspective view showing an example of a fuel cell module 1 (hereinafter sometimes referred to as a module) of the present invention. In the following drawings, the same numbers are assigned to the same members.
図1に示すモジュール1においては、収納容器2の内部に、内部を第1の反応ガスが流通するガス流路(図示せず)を有する柱状の燃料電池セル3を立設させた状態で配列し、隣接する燃料電池セル3間に集電部材(図1においては図示せず)を介して電気的に直列に接続するとともに、燃料電池セル3の下端をガラスシール材等の絶縁性接合材(図示せず)でマニホールド4に固定してなるセルスタック5(セルスタック装置12)を収納して構成されている。なお、セルスタック5の両端部には、セルスタック4(燃料電池セル3)の発電により生じた電流を集電して外部に引き出すための、電流引き出し部を有する導電部材が配置されている(図示せず)。
In the
なお、図1においては、燃料電池セル3として、内部を第1の反応ガス(水素含有ガス)が長手方向に流通するガス流路を有する中空平板型で、ガス流路を有する支持体の表面に、燃料側電極層、固体電解質層および酸素側電極層を順に積層してなる固体酸化物形燃料電池セル3を例示している。以降の説明の説明において、特に断りのない限り第1の反応ガスを燃料ガス(水素含有ガス)とし、後述する第2の反応ガスを酸素含有ガスとして説明する。
In FIG. 1, the
さらに図1においては、燃料電池セル3の発電で使用する燃料ガス(第1の反応ガス)を得るために、原燃料供給管10を介して供給される天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器6をセルスタック5(燃料電池セル3)の上方に配置している。なお、改質器6は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行うことができる構造とすることが好ましく、水を気化させるための気化部7と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒(図示せず)が配置された改質部8とを備えている。そして、改質器6で生成された燃料ガスは、燃料ガス流通管9を介してマニホールド4に供給され、マニホールド4より燃料電池セル3の内部に設けられたガス流路に供給される。なお、セルスタック装置12の構成は、燃料電池セル3の種類や形状により、適宜変更することができ、例えばセルスタック装置12に改質器6を含むこともできる。
Further, in FIG. 1, in order to obtain the fuel gas (first reaction gas) used for power generation of the
また図1においては、収納容器2の一部(前後面)を取り外し、内部に収納されるセルスタック装置12を後方に取り出した状態を示している。ここで、図1に示したモジュール1においては、セルスタック装置12を、収納容器2内にスライドして収納することが可能である。
FIG. 1 shows a state in which a part (front and rear surfaces) of the
なお、収納容器2の内部には、マニホールド4に並置されたセルスタック5の間に配置され、第2の反応ガス(酸素含有ガス)が燃料電池セル3の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、反応ガス導入部材11が配置されている。なお、反応ガス導入部材11については後述する。
In addition, the
ここで、燃料電池セル3のガス流路より排出される余剰な燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル3の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル3の温度を上昇させることができ、セルスタック装置12の起動を早めることができる。あわせて、燃料電池セル3(セルスタック5)の上方に配置された改質器6を温めることができ、改質器6で効率よく改質反応を行なうことができる。
Here, it is possible to raise the temperature of the
図2は、図1で示すモジュール1の断面図である。モジュール1を構成する収納容器2は、内壁13と外壁14とを有する二重構造で、外壁14により収納容器2の外枠が形成されるとともに、内壁13によりセルスタック5(セルスタック装置12)を収納する発電室15が形成されている。さらにモジュール1(収納容器2)においては、内壁13と外壁14との間を、燃料電池セル3に導入する酸素含有ガス(第2の反応ガス)が流通する反応ガス流路としている。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the
ここで内壁13には、内壁13の上面よりセルスタック5の側面側にまで延び、内壁13と外壁14とで形成される反応ガス流路に通じて、セルスタック5に酸素含有ガスを導入するための反応ガス導入部材11が備えられている。また、反応ガス導入部材11の下端に、燃料電池セル3の下端部に第2の反応ガスを導入するための反応ガス導入口16が設けられている。なお、図2においては、底部が開口で、その開口部が反応ガス導入口16として構成されている反応ガス導入部材11を示しており、第2の反応ガスは、反応ガス導入口16(開口)より、発電室15の底面側に供給された後、燃料電池セル3の下端部に供給される。
Here, an oxygen-containing gas is introduced into the
図2においては、反応ガス導入部材11が、収納容器2の内部に横並びに並置された2つのセルスタック5間に位置するように配置されているが、セルスタック5の数により、例えば反応ガス導入部材11をセルスタック5の両側面側から挟み込むように配置してもよい。具体的には、セルスタック5(セルスタック装置12)を1つだけ収納する場合には、反応ガス導入部材11を2つ設け、セルスタック5を両側面側から挟み込むように配置することができる。
In FIG. 2, the reaction
また発電室15内には、モジュール1内の熱が極端に放散され、燃料電池セル3(セルスタック5)の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール1内の温度を高温に維持するための断熱材17が適宜設けられている。
Also, in the
断熱材17は、セルスタック5の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル3の配列方向に沿ってセルスタック5の側面側に配置するとともに、セルスタック5の側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱材17を配置することが好ましい。なお、好ましくは、断熱材17はセルスタック5の両側面側に配置することが好ましい。それにより、セルスタック5の温度が低下することを効果的に抑制できる。さらには、反応ガス導入部材11より導入される第2の反応ガス(酸素含有ガス)が、セルスタック5の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック5を構成する燃料電池セル3間の酸素含有ガスの流れを促進することができる。
The
また、燃料電池セル3の配列方向に沿った内壁13の内側には、排ガス用内壁18が設けられており、内壁13と排ガス用内壁18との間が、発電室15内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流路とされている。なお、排ガス流路は、収納容器2の底部に設けられた排気孔19と通じている。
Further, an exhaust gas
それにより、モジュール1の稼動(起動処理時、発電時、停止処理時)に伴って生じる排ガスは、排ガス流路を流れた後、排気孔19より排気される構成となっている。なお、排気孔19は収納容器2の底部の一部を切り欠くようにして形成してもよく、また管状の部材を設けることにより形成してもよい。
As a result, the exhaust gas generated with the operation of the module 1 (during start-up processing, power generation, and stop processing) flows through the exhaust gas passage and is then exhausted from the
図3は、図2に示した燃料電池モジュール1の他の一例を示す断面図であり、図3に示す燃料電池モジュール20においては、反応ガス導入部材21のセルスタック5と向かい合う面に、燃料電池セル3の配列方向に沿って反応ガス導入口22が設けられている例を示している。
3 is a cross-sectional view showing another example of the
このような燃料電池モジュール20においては、反応ガス導入部材21内を流れる酸素含有ガス(第2の反応ガス)を、燃料電池セル3の下端部に効率よく供給することができる。
In such a
ここで、セルスタック5において、セルスタック5を構成する燃料電池セル3の配列方向の端部側に配置される燃料電池セル3は放熱しやすく、セルスタック5を構成する燃料電池セル3の配列方向の中央部側に配置される燃料電池セル3は放熱しにくい。それゆえ、セルスタック5全体として中央部側の温度が高く、端部側の温度が低いという、燃料電池セル3の配列方向において不均一な温度分布を生じる場合がある。
Here, in the
ここで、セルスタック5の温度分布が燃料電池セル3の配列方向において不均一な温度分布となる場合においては、セルスタック5を構成する各燃料電池セル3にマニホールド4から供給される燃料ガス(第1の反応ガス)の流れにばらつきが生じ、セルスタック5(燃料電池セル3)の発電量が低下する、またはセルスタック5を構成する一部の燃料電池セル3の劣化が早まるといったおそれがある。
Here, when the temperature distribution of the
図4は、図1および図2で示す反応ガス導入部材11を抜粋して示す斜視図である。図3に示す反応ガス導入部材11は、燃料電池セル3の配列方向におけるセルスタック5の幅に対応した幅を有している。そして、反応ガス導入部材11は、燃料電池セル3の配列方向にけるセルスタック5の幅よりも狭い幅を有し、内壁13と外壁14とで形成される反応ガス流路を流れた酸素含有ガス(第2の反応ガス)を、セルスタック5の燃料電池セル3の配列方向における中央部と向かい合う位置で上方から下方に向けて流すための第1導入流路23と、第1導入流路23の下端に接続され、燃料電池セル3の配列方向におけるセルスタック5の幅に対応した幅を有する第2導入流路24とを備えており、第1導入流路23を介して第2導入流路24を流れる酸素含有ガスは、反応ガス導入部材11の底部に設けられた反応ガス導入口16を介して、マニホールド4に立設した燃料電池セル3の下端部に導入される。
FIG. 4 is a perspective view showing the reaction
それにより、反応ガス導入部材11において、セルスタック5の温度よりも低い温度の酸素含有ガスの熱が、まずセルスタック5の燃料電池セル3の配列方向における中央部と向かい合う面を上方から下方へと流れる間に、セルスタック5の燃料電池セル3の配列方向における中央部に伝熱し、セルスタック5の燃料電池セル3の配列方向における中央部側の温度を下げることができる。
As a result, in the reaction
ここで、内壁13と外壁14とで形成される反応ガス流路を流れる酸素含有ガスは、第2導入流路24に向けて流れる際に、反応ガス導入部材11の燃料電池セル3の配列方向における端部側を流れないこととなる。
Here, when the oxygen-containing gas flowing through the reaction gas flow path formed by the
それにより、酸素含有ガスは、反応ガス導入部材11におけるセルスタック5の燃料電池セル3の配列方向における端部側を流れないことから、セルスタック5の燃料電池セル3の配列方向における端部側の温度が低下することを抑制できる(すなわち端部側の温度を上昇させることができる)。
As a result, the oxygen-containing gas does not flow on the end side in the arrangement direction of the
それにより、セルスタック5の燃料電池セル3の配列方向における中央部側の温度が低下して、端部側の温度が上昇することから、セルスタック5全体としての温度分布を均一に近づけることができ、セルスタック5の発電量が低下することを抑制でき、発電効率を向上することができる。あわせて、セルスタック5を構成する一部の燃料電池セル3の劣化が早まることを抑制することができる。
As a result, the temperature on the center side in the arrangement direction of the
ところで、反応ガス導入部材11は、第1導入流路23および第2導入流路24を備える形状であればよく、例えばT字状の部材を上下に逆とした形状とすることもできる。それにより、燃料電池セル3の配列方向における中央部側の温度を下げることができる。
By the way, the reactive
ここで、セルスタック5における燃料電池セル3の配列方向に沿った温度分布において、一端側から他端側に向けて山なりの温度分布となるが、この山なりの温度分布はほぼ左右対称となる場合がある。
Here, in the temperature distribution along the arrangement direction of the
それゆえ、第1導入流路23の外形を、セルスタック5の燃料電池セル3の配列方向に沿った側面側から見たときに左右対称の形状とし、さらに、この第1導入流路23の中央線が、セルスタック5の燃料電池セル3の配列方向における中央を上下方向に引いた中央線と重なるような位置関係となるように第1導入流路23とセルスタック5とを配置することが好ましい。
Therefore, the outer shape of the first
それにより、左右対称の第1導入流路23の中央部とセルスタック5の中央部とが向かい合う配置関係となるとともに、第1導入流路23が左右対称の形状であることから、セルスタック5の中央部側の温度を効果的に低下させることができ、特に山なりとなっている温度分布を均一に近づけることができる。
As a result, the central portion of the symmetrical first
また、反応ガス導入部材11の外形を、反応ガス導入部材11のセルスタック5と向かい合う面の幅を、上方から下方まで燃料電池セル3の配列方向におけるセルスタック5の幅以上とする形状とした場合(例えば、図4に示すような直方体状の形状)においては、燃料電池セル3の配列方向における端部側において、燃料電池セル3の発電で生じる熱や、余剰の燃料ガスを燃料電池セル3の上端部側で燃焼させる場合に生じる燃焼熱が、反応ガス導入部材11に伝熱するとともに、その伝熱した熱が輻射熱となり、セルスタック5における燃料電池セル3の配列方向における端部側の温度を上昇させることができる。それゆえ、反応ガス導入部材11の外形を、反応ガス導入部材11のセルスタック5と向かい合う面の幅を、上方から下方まで燃料電池セル3の配列方向におけるセルスタック5の幅以上の形状とすることが好ましく、以降の図に示す反応ガス導入部材については、上述の形状にて示すものとする。
Further, the outer shape of the reaction
なお図4において、第1導入流路23を形成するにあたり(すなわち酸素含有ガスが燃料電池セル3の配列方向における端部側を流れないようにするにあたり)、反応ガス導入部材11の内部(端部側)に、反応ガス流通阻止部材22を設けている。反応ガス流通阻止部材22としては、耐熱性に優れたものであればよく、例えば、鉄やステンレス等の金属や、断熱材、セラミックス等により形成することができる。また、反応ガス導入部材11の内部には、反応ガス流通阻止部材22を固定するための固定部材を設けることが好ましい。さらに、第1導入流路23を形成するにあたり、例えば、反応ガス導入部材11の内壁同士を接合することにより形成することもできる。
In FIG. 4, when the first
また、第1導入流路23は、上方から下方まで同じ幅であることが好ましく、図4においては、上方から下方まで同じ幅である第1導入流路23を示している。それにより、燃料電池セル3の配列方向における中央部側に位置する燃料電池セル3の温度を効果的に低下させることができ、燃料電池セル3の配列方向における温度分布を均一に近づけることができる。
The
なお、第2導入流路24については、燃料電池セル3の配列方向に沿って一端から他端まで同じ幅とすることが好ましく、図4においては、燃料電池セル3の配列方向に沿って一端から他端まで同じ幅の第2導入流路24を示している。
In addition, about the 2nd
第2導入流路24を上述した形状とすることにより、第1導入流路23を介して第2導入流路24に流れる酸素含有ガスの流れにむらが生じることを抑制できる。例えば、第2導入流路24の一端側に酸素含有ガスが多く流れるといったことを抑制できる。それにより、セルスタック5を構成する各燃料電池セル3に十分な量の酸素含有ガスを導入することができることから、セルスタック5の発電量が低下することを抑制でき、発電効率を向上することができる。
By making the 2nd
図5は、図3で示す反応ガス導入部材21を抜粋して示す斜視図であり、セルスタック5と向かい合う面に、燃料電池セル3の配列方向に沿って(第2導入流路24に沿って)、複数個の反応ガス導入口22を設けているほかは、上述した図4で示した反応ガス導入部材11と同様である。
FIG. 5 is a perspective view showing the reaction
ここで図5に示す反応ガス導入部材21において、セルスタック5と向かい合う面に、燃料電池セル3の配列方向に沿って(第2導入流路24に沿って)、複数個の反応ガス導入口22を備えることにより、マニホールド4に立設した燃料電池セル3の下端部に効率よく酸素含有ガスを供給することができる。それにより、セルスタック5の発電効率を向上することができる。
Here, in the reaction
なお、図5においては、複数個の反応ガス導入口22を、燃料電池セル3の配列方向における中央部側の間隔が狭く、端部側の間隔が広くなるように設けた例を示しているが、燃料電池セル3の配列方向に沿って等間隔となるように配置することもできる。
FIG. 5 shows an example in which a plurality of
図6は、反応ガス導入部材の他の一例を示す斜視図であり、図6に示す反応ガス導入部材26においては、燃料電池セル3の配列方向におけるセルスタック5の幅に対応した幅を有するとともに、上端が内壁13に接続され、下端が第1導入流路23に接続された第3導入流路27を備えている。すなわち、反応ガス導入部材26における酸素含有ガスの流路がHを左右に90°回転させた形状となっている。
FIG. 6 is a perspective view showing another example of the reactive gas introduction member. The reactive
それにより、内壁13と外壁14との間を流れる酸素含有ガスが、第3導入流路27を介して第1導入流路23に流れ、続いて第2導入流路24を流れた後に、反応ガス導入口22を介して燃料電池セル3に導入される。それにより、酸素含有ガスの流れにおいて圧損を低下させることができ、セルスタック5の発電効率を向上することができる。
As a result, the oxygen-containing gas flowing between the
なお、第3導入流路27は、その第3導入流路27の下端が、燃料電池セル3の上端以上の高さに位置するように設定することで、燃料電池セル3の配列方向における温度分布を効率よく均一に近づけることができる。
The temperature of the third
図7は、図3で示したセルスタック装置12の一部および反応ガス導入部材21(図5参照)を抜粋して示す側面図(説明図)である。
FIG. 7 is a side view (explanatory view) showing a part of the
反応ガス導入部材21における第1導入流路23は、セルスタック5における燃料電池セル3の配列方向における中央部側の温度を低下させるとともに、端部側の温度の低下を抑える(端部側の燃料電池セル3の温度が上昇するようにする)形状とすることが好ましい。
The first
それゆえ、第1導入流路23の燃料電池セル3の配列方向に沿った幅(W2)は、セルスタック5の燃料電池セル3の配列方向における幅(W2)の幅の10〜90%となるように適宜設定することが好ましく、さらには50〜75%となるように設定することが好ましい。具体的には、幅が3mmの燃料電池セル3を間隔をあけて70本立設し、セルスタック5の燃料電池セル3の配列方向に沿った幅(W2)が300mmとなるセルスタック装置12においては、第1導入流路23の幅(W2)を、30mm〜270mmとすることができ、特に、150mm〜225mmとなるように設定することが好ましい。
Therefore, the width (W2) along the arrangement direction of the
それにより、セルスタック5における燃料電池セル3の配列方向における中央部側の温度を低下することができるとともに、燃料電池セル3の配列方向における端部側の温度が低下することを効率よく抑制する(すなわち、端部側の温度を上昇させる)ことができ、燃料電池セル3の配列方向における温度分布を均一に近づけることができる。
Thereby, while the temperature of the center part side in the arrangement direction of the
図8は、図3で示したセルスタック装置12の一部および反応ガス導入部材21(図5参照)を抜粋して示す側面図(説明図)である。
FIG. 8 is a side view (explanatory view) showing a part of the
反応ガス導入部材21における第2導入流路24は、セルスタック5を構成する各燃料電池セル3に十分な量の酸素含有ガスを導入するとともに、第1導入流路23の大きさ(燃料電池セル3の長手方向に沿った長さ)をできるだけ大きくすることができる形状とすることが好ましい。
The second
それゆえ、第2導入流路24は、反応ガス導入口22から第2導入流路24の上端までの長さ(h1)が、反応ガス導入口22から燃料電池セル3の上端までの長さ(h2)の5〜60%以下となるように適宜設定することが好ましく、さらには5〜40%となるように設定することが好ましい。なお、燃料電池セル3の上端とは、反応ガス導入口22において燃料電池セル3の上端と同じ位置となる部位を意味する。
Therefore, the length (h1) from the reaction
なお、反応ガス導入口22からの高さとは、反応ガス導入口22の燃料電池セル3の長手方向における中央部からの高さを意味するものとする。
The height from the reaction
具体的には、反応ガス導入口22から燃料電池セル3の上端までの長さが150mmであるモジュール1においては、反応ガス導入口22から第2導入流路24の上端までの長さを7.5mm〜90mmとすることができ、特には7.5mm〜60mmとなるように設定することが好ましい。
Specifically, in the
それにより、第1導入流路23を流れた酸素含有ガスを、第2導入流路24の燃料電池セル3の配列方向に沿った端部側に効率よく流すことができる。それにより、各燃料電池セル3に十分な量の酸素含有ガスを導入することができ、セルスタック5(燃料電池セル3)の発電量が低下することを抑制でき、発電効率を向上することができる。
As a result, the oxygen-containing gas that has flowed through the first
図9は、本発明の燃料電池装置28の一例を示す分解斜視図である。なお、図9においては一部構成を省略して示している。
FIG. 9 is an exploded perspective view showing an example of the
図9に示す燃料電池装置28は、支柱29と外装板30から構成される外装ケース内を仕切板31により上下に区画し、その上方側を上述した燃料電池モジュール1を収納するモジュール収納室32とし、下方側を燃料電池モジュール1を動作させるための補機類を収納する補機収納室33として構成されている。なお、補機収納室33に収納する補機類を省略して示している。
The
また、仕切板31は、補機収納室33の空気をモジュール収納室32側に流すための空気流通口34が設けられており、モジュール収納室32を構成する外装板30の一部に、モジュール収納室32内の空気を排気するための排気口35が設けられている。
In addition, the
このような燃料電池装置28においては、上述したように、発電効率が向上した燃料電池モジュール1をモジュール収納室32内に収納して構成されることにより、発電効率の向上した燃料電池装置28とすることができる。
In such a
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。 Although the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and improvements can be made without departing from the scope of the present invention. .
たとえば、燃料電池セル3を、内部を第2の反応ガスである酸素含有ガスが長手方向に流通するガス流路を有する中空平板型とすることもできる。この場合においては、内壁13と外壁14とで形成される反応ガス流路を第1の反応ガスである燃料ガスが流通する流路とし、反応ガス導入部材11より各燃料電池セル3に燃料ガスを供給し、マニホールド4(燃料電池セル3)に酸素含有ガスを供給する構成となる。この場合においても、上述と同様に、セルスタック5全体としての温度分布を均一に近づけることができ、発電効率を向上することができる。
For example, the
また、上述の説明において、収納容器2内に収納するセルスタック5を2つ並置してなるセルスタック装置13を用いて説明したが、例えばセルスタック5を1つだけ配置してなるセルスタック装置を収納することもできる。この場合においては、反応ガス導入部材11を、セルスタック5の両側面側に位置するように設けることができる。
In the above description, the
1:燃料電池モジュール
3:燃料電池セル
11、21、26:反応ガス導入部材
16、22:反応ガス導入口
20、23:第1導入流路
21、24:第2導入流路
27:第3導入流路
28:燃料電池装置
1: fuel cell module 3:
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