JP2014110174A - 燃料電池モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】圧力容器内における配管スペースを小さくし、圧力容器を小型化する。
【解決手段】燃料電池モジュールMは、カートリッジ群200と、圧力容器10と、燃料ガス供給配管310、燃料ガス排出配管320、酸化剤ガス供給配管330、酸化剤ガス排出配管340、を備える。燃料ガス供給配管310または燃料ガス排出配管320と、酸化剤ガス供給配管330または酸化剤ガス排出配管340とのいずれか一方が、圧力容器10の中央部に配置された第一の本管311と、第一の本管311から外周部に向けて延びた第一の分岐管313を備え、燃料ガス供給配管310または燃料ガス排出配管320と、酸化剤ガス供給配管330または酸化剤ガス排出配管340とのいずれか他方が、圧力容器10の外周部に配置された第二の本管341から内周部に向けて延びた第二の分岐管343を備える。
【選択図】図1
【解決手段】燃料電池モジュールMは、カートリッジ群200と、圧力容器10と、燃料ガス供給配管310、燃料ガス排出配管320、酸化剤ガス供給配管330、酸化剤ガス排出配管340、を備える。燃料ガス供給配管310または燃料ガス排出配管320と、酸化剤ガス供給配管330または酸化剤ガス排出配管340とのいずれか一方が、圧力容器10の中央部に配置された第一の本管311と、第一の本管311から外周部に向けて延びた第一の分岐管313を備え、燃料ガス供給配管310または燃料ガス排出配管320と、酸化剤ガス供給配管330または酸化剤ガス排出配管340とのいずれか他方が、圧力容器10の外周部に配置された第二の本管341から内周部に向けて延びた第二の分岐管343を備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、セル集合体が圧力容器内に収納されている燃料電池モジュールに関する。
燃料電池は、低公害で発電効率が高いため、近年、各種分野での利用が期待されている。燃料電池は、一般的に、水素や炭化水素系ガス等を含む燃料ガスを触媒作用により改質する燃料極と、空気等の酸化剤ガスから酸素イオンを生成する空気極と、この空気極で生成された酸素イオンを燃料極に移動させる固体電解質とを有する。燃料極と固体電解質との界面付近では、燃料極で改質された燃料ガスと固定電解質からの酸素イオンとが電気化学反応して発電が行われる。この燃料電池は、排気ガスがクリーンであることから、例えば、病院や工場等の分散電源として利用されている。
このような燃料電池を備えた燃料電池モジュールの一例として、例えば、以下の特許文献1に開示されているものがある。
この燃料電池モジュールは、上下方向に延びる円筒形状の圧力容器と、この圧力容器内に配置される複数のカートリッジと、各カートリッジに燃焼ガスや酸化剤ガスを供給等するための配管と、を備えている。カートリッジは、セル集合体であるセルチューブ(又はセルスタック)の束で、角柱形状を成している。セルチューブは、複数の電池セルと、多孔質材料で形成されている円筒形状の基体管とを有している。電池セルは、前述の燃料極、固体電解質及び空気極を有して構成されている。複数の電池セルは、円筒形状の基体管の外周面に形成されている。
複数の角柱形状のカートリッジは、両端部が上下方向を向き、水平方向で互いに隣接して、圧力容器内に配置されている。水平方向で互いに隣接している複数のカートリッジは、カートリッジ群を形成している。
各カートリッジには、燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管、燃料ガスを排出する燃料ガス排出配管、酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給配管、酸化性ガスを排出する酸化性ガス排出配管がそれぞれ接続されている。これらの配管は、それぞれ、圧力容器の内外を貫通するメイン配管が設けられ、このメイン配管から分岐した分岐管が、圧力容器内の各カートリッジに接続されている。
そして、燃料ガス供給配管と燃料ガス排出配管、酸化性ガス供給配管と酸化性ガス排出配管は、それぞれ、カートリッジの一端側と他端側に配置されて、燃料ガスと酸化性ガスは、それぞれ、カートリッジを構成するセルチューブに沿った方向に流れる。
各カートリッジには、燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管、燃料ガスを排出する燃料ガス排出配管、酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給配管、酸化性ガスを排出する酸化性ガス排出配管がそれぞれ接続されている。これらの配管は、それぞれ、圧力容器の内外を貫通するメイン配管が設けられ、このメイン配管から分岐した分岐管が、圧力容器内の各カートリッジに接続されている。
そして、燃料ガス供給配管と燃料ガス排出配管、酸化性ガス供給配管と酸化性ガス排出配管は、それぞれ、カートリッジの一端側と他端側に配置されて、燃料ガスと酸化性ガスは、それぞれ、カートリッジを構成するセルチューブに沿った方向に流れる。
ここで、設置スペース削減、設備コスト低減のため、圧力容器をなるべく小型化することが望まれる。しかし、上記したように、圧力容器内には、カートリッジの両端部のそれぞれに、燃料ガスの供給または排出を行う燃料ガス用の配管と、酸化性ガスの供給または排出を行う酸化性ガス用の配管の2種類が配置されている。このため、カートリッジの両端部で、燃料ガス用と酸化性ガス用の多数本の配管(メイン配管と分岐管)を互いに干渉しないよう、これらの配管を圧力容器内の中心軸線に直交した断面内で互いにオフセットさせるのに加え、中心軸線に沿った方向にもオフセットさせなければならない。その結果、配管が圧力容器内で大きなスペースを占め、圧力容器の小型化の妨げとなっている。
そこで、本発明は、圧力容器内における配管スペースを小さくし、圧力容器を小型化することのできる燃料電池モジュールを提供することを目的とする。
上記問題点を解決するための発明の一態様としての燃料電池モジュールは、セル集合体が複数組み付けられて、柱状の形状を成す複数のカートリッジからなるカートリッジ群と、前記カートリッジ群を収容する圧力容器と、外部から前記圧力容器内に燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管と、前記圧力容器内から前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出配管と、外部から前記圧力容器内に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給配管と、前記圧力容器内から外部に前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出配管と、を備え、前記燃料ガス供給配管または前記燃料ガス排出配管と、前記酸化剤ガス供給配管または前記酸化剤ガス排出配管とのいずれか一方が、前記圧力容器の中央部に配置された第一の本管と、該第一の本管から前記圧力容器の外周部に向けて延び、それぞれの前記カートリッジに接続された第一の分岐管と、を備え、前記燃料ガス供給配管または前記燃料ガス排出配管と、前記酸化剤ガス供給配管または前記酸化剤ガス排出配管とのいずれか他方が、前記圧力容器の外周部に配置された第二の本管と、該第二の本管から前記圧力容器の内周部に向けて延び、それぞれの前記カートリッジに接続された第二の分岐管と、を備えていることを特徴とする。
圧力容器の中央部に配置された第一の本管から第一の分岐管が外周部に向けて延び、圧力容器の外周部に配置された第二の本管から第二の分岐管が内周部に向けて延びることで、第一の分岐管と第二の分岐管とを、容易に互いに干渉しないよう配置することができる。
そこで、前記第一の分岐管と前記第二の分岐管とが、前記圧力容器の容器中心軸に直交する同一平面内に配置されているのが好ましい。
前記第二の本管の端部に、前記圧力容器の外周部に沿って延びるマニホールドが接続され、前記マニホールドに、複数の前記第二の分岐管が接続されているようにしてもよい。
前記圧力容器内に、複数の前記カートリッジ群が、該圧力容器の容器中心軸方向に沿って収容されているようにしてもよい。
この場合、前記圧力容器の一端側に配置された第一の前記カートリッジ群は、該第一のカートリッジ群に対して前記圧力容器の他端側に配置された第二の前記カートリッジ群よりも前記カートリッジの数を少なくすることで、前記容器中心軸方向に連続する中空部が形成され、前記第二の前記カートリッジ群用の、前記燃料ガス供給配管、前記燃料ガス排出配管、前記酸化剤ガス供給配管、前記酸化剤ガス排出配管の少なくとも一つが、前記中空部を通して設けられているようにしてもよい。これにより、燃料ガス供給配管、前記燃料ガス排出配管、前記酸化剤ガス供給配管、前記酸化剤ガス排出配管の断面積を大きくし、その流量を確保することができる。
この場合、前記圧力容器の一端側に配置された第一の前記カートリッジ群は、該第一のカートリッジ群に対して前記圧力容器の他端側に配置された第二の前記カートリッジ群よりも前記カートリッジの数を少なくすることで、前記容器中心軸方向に連続する中空部が形成され、前記第二の前記カートリッジ群用の、前記燃料ガス供給配管、前記燃料ガス排出配管、前記酸化剤ガス供給配管、前記酸化剤ガス排出配管の少なくとも一つが、前記中空部を通して設けられているようにしてもよい。これにより、燃料ガス供給配管、前記燃料ガス排出配管、前記酸化剤ガス供給配管、前記酸化剤ガス排出配管の断面積を大きくし、その流量を確保することができる。
そこで、特に、前記中空部に、前記酸化剤ガス供給配管または前記酸化剤ガス排出配管が設けられているのが好ましい。
これにより、酸化剤ガスの流量を増大させ、十分な空気流量を確保することが可能となり、セル集合体における確実な温度制御を行うことが可能となる。
これにより、酸化剤ガスの流量を増大させ、十分な空気流量を確保することが可能となり、セル集合体における確実な温度制御を行うことが可能となる。
本発明によれば、圧力容器内における配管スペースを小さくし、圧力容器を小型化することが可能となる。
以下、本発明に係る燃料電池モジュールの複数の実施形態及び各種変形例について、図面を参照して詳細に説明する。しかし、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではない。
(第1の実施形態)
図1に示すように、本実施形態の燃料電池モジュールMは、容器中心軸Avを中心として容器中心軸方向Dvに延びる円筒形状の圧力容器10と、この圧力容器10内に配置されている複数のカートリッジ201及び複数の各種配管300と、を備えている。
図1に示すように、本実施形態の燃料電池モジュールMは、容器中心軸Avを中心として容器中心軸方向Dvに延びる円筒形状の圧力容器10と、この圧力容器10内に配置されている複数のカートリッジ201及び複数の各種配管300と、を備えている。
配管300としては、外部の燃料ガス供給源1からの燃料ガスGfを圧力容器10内の各カートリッジ201に導く燃料ガス供給配管310と、各カートリッジ201を通過した燃料ガスGfを圧力容器10外に導く燃料ガス排出配管320と、酸化剤ガス供給源2からの酸化剤ガスGoを圧力容器10内の各カートリッジ201に導く酸化剤ガス供給配管330と、各カートリッジ201を通過した酸化剤ガスGoを圧力容器10外に導く酸化剤ガス排出配管340とがある。
燃料ガスGfとしては、例えば、水素、一酸化炭素、メタン等の炭化水素系ガス、石炭等の炭素質原料のガス化により得られたガス、又は、これらの2以上の成分を含むガス等が利用される。また、酸化剤ガスGoとしては、例えば、酸素を15〜30vol%含むガス等が利用される。代表的な酸化剤ガスGoとしては、空気であるが、燃焼排気ガスと空気との混合ガスや、酸素と空気との混合ガスを利用してもよい。
圧力容器10は、例えば、内部の圧力が0.1MPa〜約5MPa、内部の温度が大気温度〜約550℃で運用される。このため、この圧力容器10は、耐圧性を考慮して、円筒形状の胴部11と、胴部11の中心軸方向における両端部に形成されている半球状の鏡部12とを有している。この圧力容器10は、全体として円筒形状を成し、その容器中心軸Avが上下方向に延びるよう設置されている。また、この圧力容器10は、耐圧性と共に、酸化剤ガスGo中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性も要求されるため、例えば、SUS304などのステンレス系材で形成されている。
カートリッジ201は、複数のセルスタックの束で構成されている。図2に示すように、セル集合体であるセルスタック101は、円筒形状(又は管形状)の基体管103と、基体管103の外周面に形成されている複数の燃料電池セル105と、隣り合う燃料電池セル105の間に形成されているインターコネクタ107とを有する。燃料電池セル105は、燃料極112と固体電解質111と空気極113とが積層して形成されている。セルスタック101は、さらに、基体管103の外周面に形成されている複数の燃料電池セル105のうちで、基体管103の軸方向において最も端に形成されている燃料電池セル105の空気極113に、インターコネクタ107を介して電気的に接続されているリード膜115を有する。
本実施形態では、この円筒形状(又は管形状)のセルスタック101の内周側に燃料ガスGfが通り、外周側に酸化剤ガスGoが通る。
基体管103は、例えば、CaO安定化ZrO2(CSZ)、Y2O3安定化ZrO2(YSZ)、MgAl2O4等のいずれかで形成されている多孔質体である。この基体管103は、燃料電池セル105とインターコネクタ107とリード膜115とを支持する役目を担っている。さらに、この基体管103は、内周側に供給された燃料ガスGfを基体管103の細孔を介して基体管103の外周面に形成される燃料電池セル105に拡散させる役目も担っている。
燃料極112は、例えば、Ni/YSZ等、Niとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で形成されている。この場合、燃料極112は、燃料極112の成分であるNiが燃料ガスGfに対して触媒として作用する。この触媒としての作用は、基体管103を介して供給された燃料ガスGf中に、例えば、メタン(CH4)と水蒸気とが含まれている場合、これら相互を反応させ、水素(H2)と一酸化炭素(CO)に改質する作用である。
空気極113は、例えば、LaSrMnO3系酸化物、又はLaCoO3系酸化物で形成されている。この空気極113は、固体電解質111との界面付近において、供給される酸化剤ガスGo中の酸素を解離させて酸素イオン(O2−)を生成する。
固体電解質111は、例えば、主としてYSZで形成されている。このYSZは、ガスを通しにくい気密性と、高温下での高い酸素イオン導電性とを有している。この固体電解質111は、空気極113で生成された酸素イオン(O2−)を燃料極112に移動させる。
前述の燃料極112では、固体電解質111との界面付近において、改質により得られた水素(H2)及び一酸化炭素(CO)と、固体電解質111から供給された酸素イオン(O2−)とが反応し、水(H2O)及び二酸化炭素(CO2)が生成される。この燃料電池セル105では、この反応過程で酸素イオンから電子が放出されて、発電が行われる。
インターコネクタ107は、例えば、SrTiO3系などのM1−xLxTiO3(Mはアルカリ土類金属元素、Lはランタノイド元素)で表される導電性ペロブスカイト型酸化物で形成されている。このインターコネクタ107は、燃料ガスGfと酸化剤ガスGoとが混合しないように緻密な膜で、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した電気導電性を有する。このインターコネクタ107は、隣り合う燃料電池セル105において、一方の燃料電池セル105の空気極113と他方の燃料電池セル105の燃料極112とを電気的に接続する。つまり、このインターコネクタ107は、隣り合う燃料電池セル105同士を電気的に直列接続する。
リード膜115は、電子伝導性を有すること、及びセルスタック101を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、例えば、Ni/YSZ等のNiとジルコニア系電解質材料との複合材で形成されている。このリード膜115は、インターコネクタ107により電気的に直列接続されている複数の燃料電池セル105で発電された直流電力をセルスタック101の端部付近まで導出する役目を担っている。
カートリッジ201は、図3及び図4に示すように、複数のセルスタック101と、複数のセルスタック101の束の一方の端部を覆う第一カートリッジヘッダ220aと、複数のセルスタック101の束の他方の端部を覆う第二カートリッジヘッダ220bと、を有している。複数のセルスタック101は、互いに平行で且つその長手方向における互いの位置が揃って、全体として円柱形状を成している。また、第一カートリッジヘッダ220a及び第二カートリッジヘッダ220bは、円柱形状を成している複数のセルスタック101の束の外径よりわずかに大きな外径の円筒形状を成している。このため、カートリッジ201は、全体として、セルスタック101の長手方向に長い円柱形状を成している。
第一カートリッジヘッダ220a及び第二カートリッジヘッダ220bは、いずれも、複数のセルスタック101の束の端部が開口228から内部に入り込む円筒形状のケーシング229a,229bと、ケーシング229a,229bの開口228を塞ぐ断熱体227a,227bと、ケーシング229a,229bの内部空間をセルスタック101の長手方向で2つの空間に仕切る管板225a,225bと、を有している。管板225a,225b等は、インコネル(ニッケル基合金に対するスペシャルメタルズ社の登録商標)等の高温耐久性のある金属材料で形成されている。管板225a,225b及び断熱体227a,227bには、複数のセルスタック101の端部のそれぞれが挿通可能な貫通孔が形成されている。管板225a,225bは、その貫通孔に挿通されたセルスタック101の端部をシール部材又は接着剤237を介して支持する。このため、この管板225a,225bには貫通孔が形成されているものの、この管板225a,225bを基準にしてケーシング229a,229b内の一方の空間に対する他方の空間の気密性が確保されている。断熱体227a,227bの貫通孔の内径は、ここに挿通されるセルスタック101の外径よりも大きく形成されている。つまり、断熱体227a,227bの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されたセルスタック101の外周面との間には隙間235a,235bが存在する。
第一カートリッジヘッダ220aのケーシング229aと管板225aとで形成されている空間は、燃料ガスGfが供給される燃料ガス供給室217を形成している。このケーシング229aには、燃料ガス供給配管310からの燃料ガスGfを燃料ガス供給室217に導くための燃料ガス供給孔231aが形成されている。この燃料ガス供給室217内には、複数のセルスタック101における基体管103の端部が位置し、ここで開放している。燃料ガス供給配管310から燃料ガス供給室217に導かれた燃料ガスGfは、複数のセルスタック101の基体管103の内部に流れ込む。この際、燃料ガスGfは、燃料ガス供給室217により、複数のセルスタック101の各基体管103に対してほぼ均等流量に配分される。このため、複数のセルスタック101における各発電量の均一化を図ることができる。
第二カートリッジヘッダ220bのケーシング229bと管板225bとで形成されている空間は、セルスタック101の基体管103内を通過した燃料ガスGfが流れ込む燃料ガス排出室219を形成している。このケーシング229bには、燃料ガス排出室219に流れ込んだ燃料ガスGfを燃料ガス排出配管320に導くための燃料ガス排出孔231bが形成されている。この燃料ガス排出室219内には、複数のセルスタック101における基体管103の端部が位置し、ここで開放している。複数のセルスタック101の各基体管103内を通過した燃料ガスGfは、前述したように、燃料ガス排出室219に流入した後、燃料ガス排出配管320を通って、圧力容器10外へ排出される。
第二カートリッジヘッダ220bのケーシング229bと断熱体227bと管板225bとで形成されている空間は、酸化剤ガス供給室216を形成している。このケーシング229bには、酸化剤ガス供給配管330からの酸化剤ガスGoを酸化剤ガス供給室216に導くための酸化剤ガス供給孔233bが形成されている。この酸化剤ガス供給室216内に導かれた酸化剤ガスGoは、断熱体227bの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されているセルスタック101の外周面との間の隙間235bから、第一カートリッジヘッダ220aと第二カートリッジヘッダ220bとの間の発電室215へと流出する。
第一カートリッジヘッダ220aと第二カートリッジヘッダ220bとの間の発電室215には、複数のセルスタック101の燃料電池セル105が配置されている。このため、この発電室215では、燃料ガスGfと酸化剤ガスGoとが電気化学的反応して、発電が行われる。なお、この発電室215で、セルスタック101の長手方向における中央部付近の温度は、燃料電池モジュールMの定常運転時に、およそ700℃〜1100℃の高温雰囲気になる。また、この発電室215は、第一カートリッジヘッダ220aと第二カートリッジヘッダ220bとの間であって、外周側が後述の内側断熱材16で囲まれた空間である。
第一カートリッジヘッダ220aのケーシング229aと断熱体227aと管板225aとで形成されている空間は、発電室215を通った酸化剤ガスGoが流入する酸化剤ガス排出室218を形成している。このケーシング229aには、酸化剤ガス排出室218に流れ込んだ酸化剤ガスGoを酸化剤ガス排出配管340に導くための酸化剤ガス排出孔233aが形成されている。発電室215中の酸化剤ガスGoは、断熱体227aの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されているセルスタック101の外周面との間の隙間235aから酸化剤ガス排出室218内に流入した後、酸化剤ガス排出配管340を通って、圧力容器10外へ排出される。
発電室215の高温化に伴って、各カートリッジヘッダ220a,220bの管板225a,225bが高温化する。第一カートリッジヘッダ220a及び第二カートリッジヘッダ220bの断熱体227a,227bは、この管板225a,225bが高温化による強度低下や酸化剤ガスGo中に含まれている酸化剤による腐食を抑える。さらに、この断熱体227a,227bは、管板225a,225bの熱変形も抑える。
前述したように、発電室215中の酸化剤ガスGoと、この発電室215に配置されている複数のセルスタック101の内側を通る燃料ガスGfとは、セルスタック101における複数の燃料電池セル105で電気化学反応する。この結果、複数の燃料電池セル105で発電が行われる。
複数の燃料電池セル105での発電で得られた直流電流は、複数の燃料電池セル105相互間に設けられているインターコネクタ107を経て、セルスタック101の端部側へ流れ、このセルスタック101のリード膜115に流れ込む。そして、この直流電流は、リード膜115から、集電板(不図示)を介して、カートリッジ201の集電棒(不図示)に流れ、カートリッジ201外部へ取り出される。複数の集電棒は、互いに直列及び/又は並列接続されている。集電棒のうち、最も下流側の集電棒は、例えば、図示されていないインバータに接続されている。カートリッジ201外部に取り出された直流電流は、直列及び/又は並列接続されている複数の集電棒を経て、例えば、インバータに流れ、ここで交流電流に変換されて、電力負荷へと供給される。
セルスタック101の内周側を流れる燃料ガスGfとセルスタック101の外周側を流れる酸化剤ガスGoとは、このセルスタック101を介して熱交換する。この結果、燃料ガスGfは、酸化剤ガスGoにより加熱され、酸化剤ガスGoは、逆に燃料ガスGfにより冷却される。本実施形態では、これら燃料ガスGfと酸化剤ガスGoとがセルスタック101の内周側と外周側とを対向して流れる。このため、燃料ガスGfと酸化剤ガスGoとの熱交換率が高まり、燃料ガスGfによる酸化剤ガスGoの冷却効率、及び酸化剤ガスGoによる燃料ガスGfの加熱効率が高まる。よって、本実施形態において、酸化剤ガスGoは、第一カートリッジヘッダ220aを形成する管板225a等が座屈変形等しない温度に冷却されてから、この第一カートリッジヘッダ220aの酸化剤ガス排出室218に流れ込む。また、本実施形態において、燃料ガスGfは、発電室215内のセルスタック101内で、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温される。
なお、本実施形態では、燃料ガスGfと酸化剤ガスGoとがセルスタック101の内周側と外周側を対向して逆向きに流れるが、必ずしもこの必要はなく、例えば、燃料ガスGfと酸化剤ガスGoとがセルスタック101の内周側と外周側とで同じ向きに流れる、つまり燃料ガスGfと酸化剤ガスGoとが同じ向きに流れてもよいし、酸化剤ガスGoが燃料ガスGfの流れに対して直交する方向に流れてもよい。
円柱形状の複数のカートリッジ201は、いずれも、カートリッジ中心軸Acが圧力容器10の容器中心軸Avと平行になるよう、圧力容器10内に配置されている。つまり、本実施形態では、カートリッジ中心軸Acは、容器中心軸Avと同様、上下方向に延びている。本実施形態において、所定数のカートリッジ201は、容器中心軸方向Dv(上下方向)における位置が互いに同じ位置になり、且つ容器中心軸Avに対して垂直な仮想面を含む方向で互いに隣接するよう配置されて、カートリッジ群200を構成している。
図5に示すように、1つのカートリッジ群200を構成するカートリッジ201の数量は、3以上であり、本実施形態の場合、7個である。7個のカートリッジ201のうち、一のカートリッジ201は、容器中心軸Av上に配置され、残りの6個のカートリッジ201は、一のカートリッジ201を囲むように、容器中心軸Avを中心として周方向に並んで配置されている。また、容器中心軸Av上に配置されている一のカートリッジ201を基準にして対称な位置に、残りの6個のカートリッジ201のうちの2個が配置されている。つまり、一のカートリッジ201を含む3個のカートリッジ201の各カートリッジ中心軸Acは、容器中心軸Avに対する放射方向に直線上に並んでいる。このように本実施形態では、容器中心軸Avに対する放射方向に3個のカートリッジ201が直線状に並ぶ関係上、円柱形状のカートリッジ201の直径(=カートリッジ201の内接円の直径)は、円筒形状の圧力容器10の内径の1/3未満である。また、互いに隣り合っているカートリッジ201の各カートリッジ中心軸Acの相互間隔は、いずれの組合せでも同一である。よって、本実施形態において、互いに隣り合っている3個のカートリッジ201の各カートリッジ中心軸Acは、正三角形の頂点上に位置している。
カートリッジ群200を構成する複数のカートリッジ201は、第一カートリッジヘッダ220aを上側に向け、第二カートリッジヘッダ220bを下側に向けて配置されている。
燃料ガス供給配管310、燃料ガス排出配管320、酸化剤ガス供給配管330、酸化剤ガス排出配管340には、いずれも、本管と、カートリッジ群200を構成する複数のカートリッジ201の数量分(又はこの数量の倍数分)だけ本管から分岐した分岐管とを有している。
図1、図6に示すように、燃料ガス供給本管(第一の本管)311は、圧力容器10の上部鏡部12の中央部において上部鏡部12を貫通し、圧力容器10内で容器中心軸Avに沿ってカートリッジ群200の上方位置まで延びている。燃料ガス供給本管311の下端には、合計7(又は7×n)本の燃料ガス供給分岐管(第一の分岐管)313が接続されている。これら7本の燃料ガス供給分岐管313のうちの一本は、容器中心軸Avに沿って下方に延び、カートリッジ群200を構成する7個のカートリッジ201のうち、容器中心軸Av上に配置されたカートリッジ201に接続されている。また、7本の燃料ガス供給分岐管313のうちの残る6本は、圧力容器10内で容器中心軸Av上に位置する燃料ガス供給本管311から圧力容器10の外周部に向けて放射状に延び、カートリッジ群200を構成する残る6個のカートリッジ201に接続されている。ここで、各燃料ガス供給分岐管313は、各カートリッジ201の第一カートリッジヘッダ220a内の燃料ガス供給室217(図3)と連通している。
燃料ガス排出本管(第一の本管)321は、圧力容器10の下部鏡部12の中央部において下部鏡部12を貫通し、圧力容器10内で容器中心軸Avに沿ってカートリッジ群200の下方位置まで延びている。図1、図7に示すように、燃料ガス排出本管321の上端には、合計7(又は7×n)本の燃料ガス排出分岐管(第一の分岐管)323が接続されている。これら7本の燃料ガス排出分岐管323のうちの一本は、容器中心軸Avに沿って上方に延び、カートリッジ群200を構成する7個のカートリッジ201のうち、容器中心軸Av上に配置されたカートリッジ201に接続されている。また、7本の燃料ガス排出分岐管323のうちの残る6本は、圧力容器10内で容器中心軸Av上に位置する燃料ガス排出本管321から圧力容器10の外周部に向けて放射状に延び、カートリッジ群200を構成する残る6個のカートリッジ201に接続されている。ここで、外周部に向けて延びる6本の燃料ガス排出分岐管323は、燃料ガス排出本管321から、外周部に向けて放射状に延びる3本の中間パイプ322を介し、各中間パイプ322から燃料ガス排出分岐管323が2本ずつ分岐してさらに外周側に延びるように設けられている。各燃料ガス排出分岐管323は、各カートリッジ201の第二カートリッジヘッダ220b内の燃料ガス排出室219(図3)と連通している。
酸化剤ガス供給本管331は、圧力容器10の下部鏡部12の外周部において下部鏡部12を貫通し、圧力容器10内で容器中心軸Avと平行にカートリッジ群200の下方位置まで延びている。本実施形態においては、このような酸化剤ガス供給本管331は、圧力容器10の容器中心軸Avを挟んで対向する位置に2本が設置されている。それぞれの酸化剤ガス供給本管331の上端には、圧力容器10内で圧力容器10の外周部に沿って半円状に延びるマニホールド332が接続されている。各マニホールド332には、合計7(又は7×n)本の酸化剤ガス供給分岐管(第二の本管)333が接続されている。そして、2つのマニホールド332に接続された合計14本の酸化剤ガス供給分岐管333は、圧力容器10の内周側に向けて延び、カートリッジ群200を構成する7個のカートリッジ201に対し、それぞれ2本ずつが接続されている。各酸化剤ガス供給分岐管333は、各カートリッジ201の第二カートリッジヘッダ220b内の酸化剤ガス供給室216(図3)と連通している。
ここで、酸化剤ガス供給本管331の上端は、燃料ガス排出本管321の上端と同じ高さに配置されており、燃料ガス排出分岐管323と、マニホールド332およびマニホールド332から内周側に延びる酸化剤ガス供給分岐管333は、同一水平面(容器中心軸Avに直交する同一平面)内に、互いに干渉することなく配置されている。
ここで、酸化剤ガス供給本管331の上端は、燃料ガス排出本管321の上端と同じ高さに配置されており、燃料ガス排出分岐管323と、マニホールド332およびマニホールド332から内周側に延びる酸化剤ガス供給分岐管333は、同一水平面(容器中心軸Avに直交する同一平面)内に、互いに干渉することなく配置されている。
図1,図6に示すように、酸化剤ガス排出本管(第二の本管)341は、圧力容器10の上部鏡部12の外周部において上部鏡部12を貫通し、圧力容器10内で容器中心軸Avと平行にカートリッジ群200の上方位置まで延びている。本実施形態においては、このような酸化剤ガス排出本管341は、圧力容器10の容器中心軸Avを挟んで対向する位置に2本が設置されている。それぞれの酸化剤ガス排出本管341の下端には、圧力容器10内で圧力容器10の外周部に沿って半円状に延びるマニホールド342が接続されている。各マニホールド342には、合計7(又は7×n)本の酸化剤ガス排出分岐管(第二の分岐管)343が接続されている。そして、2つのマニホールド342に接続された合計14本の酸化剤ガス排出分岐管343は、カートリッジ群200を構成する7個のカートリッジ201に対し、それぞれ2本ずつが接続されている。ここで、計14本の酸化剤ガス排出分岐管343のうちの4本は、マニホールド342から容器中心軸Avと平行に下方に向けて延び、圧力容器10内で外周部に位置するカートリッジ201に接続されている。計14本の酸化剤ガス排出分岐管343のうちの残る10本は、マニホールド342から圧力容器10の内周側に向けて延び、各カートリッジ201に接続されている。各酸化剤ガス排出分岐管343は、各カートリッジ201の第一カートリッジヘッダ220a内の酸化剤ガス排出室218(図3)と連通している。
ここで、酸化剤ガス排出本管341の下端は、燃料ガス供給本管311の下端と同じ高さに配置されており、燃料ガス供給分岐管313と、マニホールド342およびマニホールド342から内周側に延びる酸化剤ガス排出分岐管343は、同一水平面内に、互いに干渉することなく配置されている。
ここで、酸化剤ガス排出本管341の下端は、燃料ガス供給本管311の下端と同じ高さに配置されており、燃料ガス供給分岐管313と、マニホールド342およびマニホールド342から内周側に延びる酸化剤ガス排出分岐管343は、同一水平面内に、互いに干渉することなく配置されている。
図1に示すように、上記のようなカートリッジ群200は、それぞれ、所定数(本実施形態では7本)個のカートリッジ201が、支持フレーム400によって保持されている。支持フレーム400は、上部フレーム410と、下部フレーム420と、これら上部フレーム410と下部フレーム420とを一体に連結する支柱430と、を備えている。
環状の上部フレーム410の内側には、適宜、補強のための鋼材412が設けられている。
下部フレーム420は、予め定められた外径を有する円環状で、その内側には、所定個数のカートリッジ201を支持するためのサポートフレーム422が格子状に設けられている。
支柱430は、上部フレーム410および下部フレーム420の周方向に間隔を隔てて複数本(本実施形態では8本)が設けられている。各支柱430は、上部フレーム410と下部フレーム420との間に、鉛直方向に延在するよう設けられている。
環状の上部フレーム410の内側には、適宜、補強のための鋼材412が設けられている。
下部フレーム420は、予め定められた外径を有する円環状で、その内側には、所定個数のカートリッジ201を支持するためのサポートフレーム422が格子状に設けられている。
支柱430は、上部フレーム410および下部フレーム420の周方向に間隔を隔てて複数本(本実施形態では8本)が設けられている。各支柱430は、上部フレーム410と下部フレーム420との間に、鉛直方向に延在するよう設けられている。
圧力容器10は、その内周面10aに、圧力容器10内でカートリッジ群200を支える支持台500を備える。
さらに、燃料電池モジュールMは、圧力容器10の内周面10aに沿い、かつカートリッジ群200の外周側に配置されている円筒形状の外側断熱材15と、カートリッジ群200を構成する複数のカートリッジ201の相互間に充填されている内側断熱材16と、を備えている。各断熱材15,16は、例えば、アルミナシリカ系の材料で形成されている。
以上のように、本実施形態では、圧力容器10の中央部に配置された燃料ガス供給本管311、燃料ガス排出本管321と、燃料ガス供給本管311、燃料ガス排出本管321から圧力容器10の外周部に向けて放射状に延び、カートリッジ201に接続された燃料ガス供給分岐管313、燃料ガス排出分岐管323と、圧力容器10の外周部に配置された酸化剤ガス供給本管331、酸化剤ガス排出本管341と、酸化剤ガス供給本管331、酸化剤ガス排出本管341に接続され、圧力容器10内で圧力容器10の外周部に沿って延びるマニホールド332、マニホールド342と、マニホールド332、マニホールド342から圧力容器10の内周側に向けて延び、カートリッジ201に接続された酸化剤ガス供給分岐管333、酸化剤ガス排出分岐管343と、を備えている。
そして、酸化剤ガス供給本管331の上端と、燃料ガス排出本管321の上端とが同じ高さに配置され、燃料ガス排出分岐管323と、マニホールド332および酸化剤ガス供給分岐管333とが、同一水平面内で互いに干渉することなく配置されている。また、酸化剤ガス排出本管341の下端と、燃料ガス供給本管311の下端とが同じ高さに配置され、燃料ガス供給分岐管313と、マニホールド342および酸化剤ガス排出分岐管343とが、同一水平面内で、互いに干渉することなく配置されている。
このようにして、圧力容器10内における配管スペースを小さくし、圧力容器10を小型化することが可能となる。
そして、酸化剤ガス供給本管331の上端と、燃料ガス排出本管321の上端とが同じ高さに配置され、燃料ガス排出分岐管323と、マニホールド332および酸化剤ガス供給分岐管333とが、同一水平面内で互いに干渉することなく配置されている。また、酸化剤ガス排出本管341の下端と、燃料ガス供給本管311の下端とが同じ高さに配置され、燃料ガス供給分岐管313と、マニホールド342および酸化剤ガス排出分岐管343とが、同一水平面内で、互いに干渉することなく配置されている。
このようにして、圧力容器10内における配管スペースを小さくし、圧力容器10を小型化することが可能となる。
(第1の実施形態の変形例)
上記実施形態において、酸化剤ガス供給本管331、酸化剤ガス排出本管341、マニホールド332,342を、それぞれ2組備える構成としたが、これを1組のみとすることも可能である。
また、燃料ガス供給本管311、燃料ガス排出本管321、酸化剤ガス供給本管331、酸化剤ガス排出本管341は、圧力容器10内において、それぞれ中央部または外周部に位置していれば良く、圧力容器10の外部においては、それぞれが延びる方向は容器中心軸Avと平行な方向でなくてもよい。
さらに、上記実施形態では、燃料ガス排出本管321、燃料ガス供給本管311、燃料ガス排出分岐管323を圧力容器10の中央部に配置し、酸化剤ガス供給本管331、酸化剤ガス排出本管341、マニホールド332、342と、酸化剤ガス供給分岐管333、酸化剤ガス排出分岐管343を圧力容器10の外周部に配置するようにしたが、これらの中央部と外周側の配置を入れ替えてもよい。
上記実施形態において、酸化剤ガス供給本管331、酸化剤ガス排出本管341、マニホールド332,342を、それぞれ2組備える構成としたが、これを1組のみとすることも可能である。
また、燃料ガス供給本管311、燃料ガス排出本管321、酸化剤ガス供給本管331、酸化剤ガス排出本管341は、圧力容器10内において、それぞれ中央部または外周部に位置していれば良く、圧力容器10の外部においては、それぞれが延びる方向は容器中心軸Avと平行な方向でなくてもよい。
さらに、上記実施形態では、燃料ガス排出本管321、燃料ガス供給本管311、燃料ガス排出分岐管323を圧力容器10の中央部に配置し、酸化剤ガス供給本管331、酸化剤ガス排出本管341、マニホールド332、342と、酸化剤ガス供給分岐管333、酸化剤ガス排出分岐管343を圧力容器10の外周部に配置するようにしたが、これらの中央部と外周側の配置を入れ替えてもよい。
また、上記実施形態においては、燃料ガス排出分岐管323と、マニホールド332および酸化剤ガス供給分岐管333とが、同一水平面内に配置され、燃料ガス供給分岐管313と、マニホールド342および酸化剤ガス排出分岐管343とが、同一水平面内に配置されているが、これらを同一水平面内に配置することは必須ではない。これらを、容器中心軸Avに沿ってオフセットしてもよく、その場合であっても、これらが互いに干渉することはないので、圧力容器10内の省スペース化を図ることが可能である。
(第2の実施形態)
次に、本発明にかかる燃料電池モジュールの第2の実施形態について説明する。なお、以下に説明する第2の実施形態においては、上記第1の実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。
図8に示すように、本実施形態の燃料電池モジュールMは、合計2つの、第一カートリッジ群200aと、第二カートリッジ群200bとを備えている。これらの第一カートリッジ群200aと、第二カートリッジ群200bは、圧力容器10内で容器中心軸方向Dvに沿って並んでいる。
次に、本発明にかかる燃料電池モジュールの第2の実施形態について説明する。なお、以下に説明する第2の実施形態においては、上記第1の実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。
図8に示すように、本実施形態の燃料電池モジュールMは、合計2つの、第一カートリッジ群200aと、第二カートリッジ群200bとを備えている。これらの第一カートリッジ群200aと、第二カートリッジ群200bは、圧力容器10内で容器中心軸方向Dvに沿って並んでいる。
下側に配置されている第二カートリッジ群200bは、上記第1の実施形態のカートリッジ群200と同様、7個のカートリッジ201から構成されている(図5参照)。第二カートリッジ群200bを構成する7個のカートリッジ201のうち、一のカートリッジ201は、容器中心軸Av上に配置され、残りの6個のカートリッジ201は、一のカートリッジ201を囲むように、容器中心軸Avを中心として周方向に並んで配置されている。
一方、図9に示すように、上側に配置されている第一カートリッジ群200aは、6個のカートリッジ201から構成されている。これら6個のカートリッジ201は、上記第二カートリッジ群200bにおいて容器中心軸Av上に配置された1個のカートリッジ201を除去したような構成であり、6個のカートリッジ201を、容器中心軸Avの外周側に、容器中心軸Avを中心として周方向に並んで配置されている。これにより、第一カートリッジ群200aには、その中央部に、容器中心軸Avを通る中空部205が形成されている。
そして、上側に配置されている第一カートリッジ群200aを構成する複数のカートリッジ201は、第一カートリッジヘッダ220aを下側に向け、第二カートリッジヘッダ220bを上側に向けて配置されている。また、第二カートリッジ群200bを構成する複数のカートリッジ201は、第一カートリッジヘッダ220aを上側に向け、第二カートリッジヘッダ220bを下側に向けて配置されている。
燃料ガス供給配管310、燃料ガス排出配管320、酸化剤ガス供給配管330、酸化剤ガス排出配管340には、いずれも、第一カートリッジ群200a用の配管310a,320a,330a,340aと第二カートリッジ群200b用の配管310b,320b,330b,340bとがある。さらに、燃料ガス供給配管310、燃料ガス排出配管320、酸化剤ガス供給配管330、酸化剤ガス排出配管340は、いずれも、本管と、カートリッジ群200を構成する複数のカートリッジ201の数量分(又はこの数量の倍数分)だけ本管から分岐した分岐管とを有している。
図8、図10に示すように、第一カートリッジ群200a用の燃料ガス供給本管(第二の本管)311aは、圧力容器10の上部鏡部12の外周部において上部鏡部12を貫通し、圧力容器10内で容器中心軸Avと平行に第一カートリッジ群200aの上方位置まで延びている。本実施形態においては、このような燃料ガス供給本管311aは、圧力容器10の容器中心軸Avを挟んで対向する位置に2本が設置されている。それぞれの燃料ガス供給本管311aの下端には、圧力容器10内で圧力容器10の外周部に沿って延びるマニホールド312aが接続されている。各マニホールド312aには、合計6(又は6×n)本の燃料ガス供給分岐管(第二の分岐管)313aが接続されている。そして、2つのマニホールド312aに接続された合計6本の燃料ガス供給分岐管313aは、第一カートリッジ群200aを構成する6個のカートリッジ201にそれぞれ接続されている。各燃料ガス供給分岐管313aは、第一カートリッジ群200aを構成する6個のカートリッジ201の第一カートリッジヘッダ220a内の燃料ガス供給室217(図3)と連通している。
図8、図11に示すように、第一カートリッジ群200aの下方には、燃料ガス排出配管320として、第一カートリッジ群200a用の計6本の燃料ガス排出分岐管323aが、第一カートリッジ群200aを構成する6個のカートリッジ201のそれぞれに接続されている。各燃料ガス排出分岐管323aは、第一カートリッジ群200aを構成する6個のカートリッジ201の第二カートリッジヘッダ220b内の燃料ガス排出室219(図3)と連通している。
計6本の燃料ガス排出分岐管323aは、容器中心軸Avと平行に下方に向けて延び、そのまま、第二カートリッジ群200b用の燃料ガス供給分岐管313bとして、第二カートリッジ群200bを構成する計7個のカートリッジ201のうち、外周部に位置する6個のカートリッジ201のそれぞれに接続されている。
図8、図12に示すように、また、これら6本の燃料ガス排出分岐管323aには、圧力容器10の外周側から中心部に向けて延びる6本の放射状の合流管325が接続されている。これら6本の合流管325は、圧力容器10の中央部において、容器中心軸Avと平行に下方に向けて延びる、第二カートリッジ群200b用の燃料ガス供給分岐管313bに接続されている。この燃料ガス供給分岐管313bは、第二カートリッジ群200bを構成する計7個のカートリッジ201のうち、中央部に位置する1個のカートリッジ201に接続されている。各燃料ガス供給分岐管313bは、第二カートリッジ群200bを構成する7個のカートリッジ201の第一カートリッジヘッダ220a内の燃料ガス供給室217(図3)と連通している。
図8、図12に示すように、また、これら6本の燃料ガス排出分岐管323aには、圧力容器10の外周側から中心部に向けて延びる6本の放射状の合流管325が接続されている。これら6本の合流管325は、圧力容器10の中央部において、容器中心軸Avと平行に下方に向けて延びる、第二カートリッジ群200b用の燃料ガス供給分岐管313bに接続されている。この燃料ガス供給分岐管313bは、第二カートリッジ群200bを構成する計7個のカートリッジ201のうち、中央部に位置する1個のカートリッジ201に接続されている。各燃料ガス供給分岐管313bは、第二カートリッジ群200bを構成する7個のカートリッジ201の第一カートリッジヘッダ220a内の燃料ガス供給室217(図3)と連通している。
また、図8、図13に示すように、第二カートリッジ群200b用の燃料ガス排出本管321bは、第二カートリッジ群200bの下方位置で圧力容器10の中央部において下部鏡部12の内外を貫通するよう配置されている。この燃料ガス排出本管321bには、外周側に向けて放射状に延びる3本の中間パイプ322bを介し、7(又は7×n)個の燃料ガス排出分岐管323bが接続されている。各燃料ガス排出分岐管323bは、第二カートリッジ群200bを構成する7個のカートリッジ201の第二カートリッジヘッダ220b内の燃料ガス排出室219(図3)と連通している。
第二カートリッジ群200b用の酸化剤ガス供給本管331bは、第二カートリッジ群200bの下方位置で、燃料ガス排出本管321bと平行に、圧力容器10の下部鏡部12の内外を貫通して配置されている。酸化剤ガス供給本管331bには、環状のヘッダー334bが接続されている。このヘッダー334bの中央部の開口339には、燃料ガス排出本管321bが貫通している。
ヘッダー334bには、7本(又は7×n)の酸化剤ガス供給分岐管333bが接続されている。各酸化剤ガス供給分岐管333bは、第二カートリッジ群200bを構成する7個のカートリッジ201の第二カートリッジヘッダ220b内の酸化剤ガス供給室216(図3)と連通している。
ヘッダー334bには、7本(又は7×n)の酸化剤ガス供給分岐管333bが接続されている。各酸化剤ガス供給分岐管333bは、第二カートリッジ群200bを構成する7個のカートリッジ201の第二カートリッジヘッダ220b内の酸化剤ガス供給室216(図3)と連通している。
図8、図9に示すように、第二カートリッジ群200b用の酸化剤ガス排出本管341bは、第二カートリッジ群200bの上方位置で、圧力容器10の中央部に配置され、容器中心軸Avに沿って、第一カートリッジ群200aの中央部の中空部205を通って、第一カートリッジ群200aの上方まで延びている。この酸化剤ガス排出本管341bは、その下端が合流管325の上方に位置している。そして、図8、図12に示すように、酸化剤ガス排出本管341bには、合流管325の上方位置において、合計7(又は7×n)本の酸化剤ガス排出分岐管343bが、圧力容器10の外周側に向けて延びて接続されている。各酸化剤ガス排出分岐管343bは、第二カートリッジ群200bを構成する7個のカートリッジ201の第一カートリッジヘッダ220a内の酸化剤ガス排出室218(図3)と連通している。
図8、図11に示すように、第一カートリッジ群200a用の酸化剤ガス供給本管331aは、圧力容器10の外周部から、容器中心軸Avに直交する方向に延びて圧力容器10を貫通している。
第一カートリッジ群200aの下方位置には、第一カートリッジ群200a用の環状のヘッダー335が配置されており、このヘッダー335に、酸化剤ガス供給本管331aが接続されている。また、このヘッダー335には、上下方向に貫通する貫通孔335cが形成されており、この貫通孔335cに、計6本の燃料ガス排出分岐管323aが挿通されている。
そして、ヘッダー335には、12(又は6×n)本の酸化剤ガス供給分岐管333aが接続されている。各酸化剤ガス供給分岐管333aは、第一カートリッジ群200aを構成する6個のカートリッジ201の第二カートリッジヘッダ220b内の酸化剤ガス供給室216(図3)と連通している。
第一カートリッジ群200aの下方位置には、第一カートリッジ群200a用の環状のヘッダー335が配置されており、このヘッダー335に、酸化剤ガス供給本管331aが接続されている。また、このヘッダー335には、上下方向に貫通する貫通孔335cが形成されており、この貫通孔335cに、計6本の燃料ガス排出分岐管323aが挿通されている。
そして、ヘッダー335には、12(又は6×n)本の酸化剤ガス供給分岐管333aが接続されている。各酸化剤ガス供給分岐管333aは、第一カートリッジ群200aを構成する6個のカートリッジ201の第二カートリッジヘッダ220b内の酸化剤ガス供給室216(図3)と連通している。
図8に示すように、上記したように、第一カートリッジ群200aの中央部の中空部205を通って、第一カートリッジ群200aの上方まで延びている第二カートリッジ群200b用の酸化剤ガス排出本管341bは、第一カートリッジ群200aの上部に、その径が拡大する拡径部345を有している。そして、拡径部345に連続して、圧力容器10の中央部に配置され、容器中心軸Avに沿って上方に延びる、酸化剤ガス排出本管(第一の分岐管)341aが設けられている。この酸化剤ガス排出本管341aは、圧力容器10の中央部において上部鏡部12を貫通して外部に導出されている。
図10に示すように、この酸化剤ガス排出本管341aには、外周側に向けて放射状に延びる6本の酸化剤ガス排出分岐管(第一の分岐管)343aが接続されている。各酸化剤ガス排出分岐管343aは、第一カートリッジ群200aを構成する6個のカートリッジ201の第一カートリッジヘッダ220a内の酸化剤ガス排出室218(図3)と連通している。
図10に示すように、この酸化剤ガス排出本管341aには、外周側に向けて放射状に延びる6本の酸化剤ガス排出分岐管(第一の分岐管)343aが接続されている。各酸化剤ガス排出分岐管343aは、第一カートリッジ群200aを構成する6個のカートリッジ201の第一カートリッジヘッダ220a内の酸化剤ガス排出室218(図3)と連通している。
ここで、圧力容器10の中央部に配置された酸化剤ガス排出本管341aから外周側に向けて延びる6本の酸化剤ガス排出分岐管343aと、燃料ガス供給本管311aの下端に接続され、圧力容器10内で圧力容器10の外周部に沿って延びるマニホールド312aおよび燃料ガス供給分岐管313aとが同一水平面内で、互いに干渉することなく配置されている。
図8に示すように、上記のような第一カートリッジ群200a,第二カートリッジ群200bは、それぞれ、所定数のカートリッジ201が、支持フレーム400によって保持されている。
支持フレーム400は、第一カートリッジ群200a,第二カートリッジ群200bのそれぞれの上下に設けられた上部フレーム410と、下部フレーム420と、これら第一カートリッジ群200a,第二カートリッジ群200bの上部フレーム410と下部フレーム420とを一体に連結する支柱430と、を備えている。
支持フレーム400は、第一カートリッジ群200a,第二カートリッジ群200bのそれぞれの上下に設けられた上部フレーム410と、下部フレーム420と、これら第一カートリッジ群200a,第二カートリッジ群200bの上部フレーム410と下部フレーム420とを一体に連結する支柱430と、を備えている。
圧力容器10は、その内周面10aに、圧力容器10内で、支持フレーム400に支持された第一カートリッジ群200aおよび第二カートリッジ群200bを支える支持台500を備える。
以上のように、本実施形態では、圧力容器10の中央部に配置された酸化剤ガス排出本管341aから外周側に向けて延びる6本の酸化剤ガス排出分岐管343aと、燃料ガス供給本管311aの下端に接続され、圧力容器10内で圧力容器10の外周部に沿って延びるマニホールド312aおよび燃料ガス供給分岐管313aとが、同一水平面内で、互いに干渉することなく配置されている。このようにして、圧力容器10内における配管スペースを小さくし、圧力容器10を小型化することが可能となる。
また、上側に配置されている第一カートリッジ群200aは、外周部に配置された6個のカートリッジ201から構成され、その中央部に、容器中心軸Avを通る中空部205が形成されている。そして、この中空部205を通って、第二カートリッジ群200b用の酸化剤ガス排出本管341bが配置されている。これによって、第二カートリッジ群200bにおいて、十分な空気流量を確保することが可能となり、セルスタック101における確実な温度制御を行うことが可能となる。
(第2の実施形態の変形例)
なお、上記実施形態において、上記実施形態においては、酸化剤ガス排出分岐管343aと、マニホールド312aおよび燃料ガス供給分岐管313aとが、同一水平面内に配置されているが、これらを同一水平面内に配置することは必須ではない。これらを、容器中心軸Avに沿ってオフセットしてもよく、その場合であっても、これらが互いに干渉することはないので、圧力容器10内の省スペース化を図ることが可能である。
また、上記実施形態では、第一カートリッジ群200aの上方においてのみ、酸化剤ガス排出分岐管343aと、マニホールド312aおよび燃料ガス供給分岐管313aとを同一水平面内に配置するようにしたが、第一カートリッジ群200aと第二カートリッジ群200bとの間、第二カートリッジ群200bの下方においても、同様の配管レイアウトを採用することは可能である。
なお、上記実施形態において、上記実施形態においては、酸化剤ガス排出分岐管343aと、マニホールド312aおよび燃料ガス供給分岐管313aとが、同一水平面内に配置されているが、これらを同一水平面内に配置することは必須ではない。これらを、容器中心軸Avに沿ってオフセットしてもよく、その場合であっても、これらが互いに干渉することはないので、圧力容器10内の省スペース化を図ることが可能である。
また、上記実施形態では、第一カートリッジ群200aの上方においてのみ、酸化剤ガス排出分岐管343aと、マニホールド312aおよび燃料ガス供給分岐管313aとを同一水平面内に配置するようにしたが、第一カートリッジ群200aと第二カートリッジ群200bとの間、第二カートリッジ群200bの下方においても、同様の配管レイアウトを採用することは可能である。
1:燃料ガス供給源、2:酸化剤ガス供給源、10:圧力容器、15:外側断熱材、k16:内側断熱材、101:セルスタック(セル集合体)、103:基体管、105:燃料電池セル、200,200a,200b:カートリッジ群、201:カートリッジ、205:中空部、215:発電室、216:酸化剤ガス供給室、217:燃料ガス供給室、218:酸化剤ガス排出室、219:燃料ガス排出室、220a:第一カートリッジヘッダ、220b:第二カートリッジヘッダ、300:配管、310:燃料ガス供給配管、311:燃料ガス供給本管(第一の本管)、311a:燃料ガス供給本管(第二の本管)、312a:マニホールド、313:燃料ガス供給分岐管(第一の分岐管)、313a:燃料ガス供給分岐管(第二の分岐管)、320:燃料ガス排出配管、321:燃料ガス排出本管(第一の本管)、323:燃料ガス排出分岐管(第一の分岐管)、330:酸化剤ガス供給配管、331:酸化剤ガス供給本管(第二の本管)、332,342:マニホールド、333:酸化剤ガス供給分岐管(第二の分岐管)、334b:ヘッダー、335:ヘッダー、340:酸化剤ガス排出配管、341:酸化剤ガス排出本管(第二の本管)、341a:酸化剤ガス排出本管(第一の分岐管)、342:マニホールド、343:酸化剤ガス排出分岐管(第二の分岐管)、343a:酸化剤ガス排出分岐管(第一の分岐管)、M:燃料電池モジュール
Claims (6)
- セル集合体が複数組み付けられて、柱状の形状を成す複数のカートリッジからなるカートリッジ群と、
前記カートリッジ群を収容する圧力容器と、
外部から前記圧力容器内に燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管と、
前記圧力容器内から前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出配管と、
外部から前記圧力容器内に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給配管と、
前記圧力容器内から外部に前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出配管と、を備え、
前記燃料ガス供給配管または前記燃料ガス排出配管と、前記酸化剤ガス供給配管または前記酸化剤ガス排出配管とのいずれか一方が、
前記圧力容器の中央部に配置された第一の本管と、
該第一の本管から前記圧力容器の外周部に向けて延び、それぞれの前記カートリッジに接続された第一の分岐管と、を備え、
前記燃料ガス供給配管または前記燃料ガス排出配管と、前記酸化剤ガス供給配管または前記酸化剤ガス排出配管とのいずれか他方が、
前記圧力容器の外周部に配置された第二の本管と、
該第二の本管から前記圧力容器の内周部に向けて延び、それぞれの前記カートリッジに接続された第二の分岐管と、を備えていることを特徴とする燃料電池モジュール。 - 前記第一の分岐管と前記第二の分岐管とが、前記圧力容器の容器中心軸に直交する同一平面内に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池モジュール。
- 前記第二の本管の端部に、前記圧力容器の外周部に沿って延びるマニホールドが接続され、
前記マニホールドに、複数の前記第二の分岐管が接続されていることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池モジュール。 - 前記圧力容器内に、複数の前記カートリッジ群が、該圧力容器の容器中心軸方向に沿って収容されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
- 前記圧力容器の一端側に配置された第一の前記カートリッジ群は、該第一のカートリッジ群に対して前記圧力容器の他端側に配置された第二の前記カートリッジ群よりも前記カートリッジの数を少なくすることで、前記容器中心軸方向に連続する中空部が形成され、
前記第二の前記カートリッジ群用の、前記燃料ガス供給配管、前記燃料ガス排出配管、前記酸化剤ガス供給配管、前記酸化剤ガス排出配管の少なくとも一つが、前記中空部を通して設けられていることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池モジュール。 - 前記中空部に、前記酸化剤ガス供給配管または前記酸化剤ガス排出配管が設けられていることを特徴とする請求項5に記載の燃料電池モジュール。
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JP2012264452A JP2014110174A (ja) | 2012-12-03 | 2012-12-03 | 燃料電池モジュール |
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JP2012264452A JP2014110174A (ja) | 2012-12-03 | 2012-12-03 | 燃料電池モジュール |
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016122552A (ja) * | 2014-12-25 | 2016-07-07 | 日本特殊陶業株式会社 | 燃料電池ホットモジュール |
JP2016152091A (ja) * | 2015-02-16 | 2016-08-22 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | 燃料電池モジュール及びこれを有する燃料電池システム |
KR101761461B1 (ko) | 2014-12-24 | 2017-07-26 | 오씨아이 주식회사 | 냉각 기능을 구비하는 전해액 분배블럭 및 이를 포함하는 스택 분할형 레독스 흐름 전지 |
DE102019200450A1 (de) * | 2019-01-16 | 2020-07-16 | Audi Ag | Bipolarplatte sowie Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Bipolarplatte |
-
2012
- 2012-12-03 JP JP2012264452A patent/JP2014110174A/ja active Pending
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