JP2017174658A - 燃料電池ホットモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】空気熱交換器によって予熱した空気を、外部マニホールドを介してセルスタックに供給する形式の燃料電池ホットモジュールにおいて、従来よりも全体を小型化することができる燃料電池ホットモジュールを提供する。【解決手段】燃料電池を複数積層したセルスタック10と、セルスタック10のアノードから排出される燃料ガスFを燃焼させる燃焼器30と、燃焼器30において燃料ガスFが燃焼されて生成した燃焼ガスCを流通させる燃焼ガス流路Lcと、空気熱交換器40と、を有し、空気熱交換器40は、カソードに空気を供給するマニホールド部48と、マニホールド部48に空気を供給する空気流路Laを備えるとともに、燃焼ガス流路Lcを引き込まれ、空気流路Laを流れる空気Aと燃焼ガス流路Lcを流れる燃焼ガスCとの間で熱交換を行う熱交換部41と、を一体に有し、セルスタック10に接触して配置されている燃料電池ホットモジュール1とする。【選択図】図1

Description

本発明は、燃料電池ホットモジュールに関し、さらに詳しくは、空気熱交換器で空気を予熱したうえで、外部マニホールドを介して燃料電池に供給する燃料電池ホットモジュールに関する。
図4に示すように、燃料電池を複数積層したセルスタック110のカソード部に空気を供給するのに、外部マニホールド150,155が用いられる場合がある。外部マニホールド構造を用いる場合には、内部マニホールド構造を用いる場合に比べてカソード圧損が小さく、補機損失を低減することができる。
また、外部マニホールド150を介してセルスタック110に供給する空気Aは、発電に必要な温度に近づけておくために、予熱されることが多い。この空気Aの予熱は、空気熱交換器140によって行われる。セルスタック110のアノード部から排出される燃料ガスFを燃焼器130で燃焼させて、高温の燃焼ガスCとして空気熱交換器140に導入し、空気Aとの間で熱交換を行うことで、空気Aを予熱する。燃料電池システムにおいて、セルスタック110、外部マニホールド150,155、燃焼器130、空気熱交換器140、そして燃料改質器120等、発電時に高温になる機器は、共通のケースに収容され、ホットモジュール100を構成する。
従来一般の燃料電池システムにおいて、空気熱交換器140は、ホットモジュール100内で、セルスタック110等、他の機器とは独立した装置として据え置かれる。例えば、特許文献1の各図に、カソード空気熱交換器(44)が、他の装置と独立して設けられる構成が開示されている。
国際公開第2014/167764号
上記のように、セルスタック110のカソード部への空気Aの供給を外部マニホールド150,155によって行う場合に、補機損失の低減によって燃料電池システムの運転効率の向上を図ることができるが、外部マニホールド150,155を設けることで、セルスタック110および外部マニホールド150,155を含むモジュールが大きな体積を占めることになる。また、外部マニホールド150に供給する空気を予熱する空気熱交換器140を、ホットモジュール100内の他の機器と独立して設ける場合に、ホットモジュール100全体が大型化してしまう。ホットモジュール100の大型化は、ホットモジュール100の運転効率の低下やコスト増にもつながる。
本発明が解決しようとする課題は、空気熱交換器によって予熱した空気を、外部マニホールドを介してセルスタックに供給する形式の燃料電池ホットモジュールにおいて、従来よりも全体を小型化することができる燃料電池ホットモジュールを提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明にかかる燃料電池ホットモジュールは、アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される空気を用いて発電を行う燃料電池を複数積層したセルスタックと、前記セルスタックの前記アノードから排出される燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器において前記燃料ガスが燃焼されて生成した燃焼ガスを流通させる燃焼ガス流路と、空気熱交換器と、を有し、前記空気熱交換器は、前記カソードに空気を供給するマニホールド部と、前記マニホールド部に空気を供給する空気流路を備えるとともに、前記燃焼ガス流路を引き込まれ、前記空気流路を流れる空気と前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスとの間で熱交換を行う熱交換部と、を一体に有し、前記セルスタックに接触して配置されているものである。
ここで、前記空気熱交換器は、前記マニホールド部が設けられた部位において、前記セルスタックに接触しているとよい。
また、前記熱交換部において、前記空気流路を流れる空気は、前記マニホールド部に向かって下流側へと流れるほど、前記燃焼ガス流路の上流側を流れる燃焼ガスとの間で熱交換を受けるものであるとよい。
この場合に、前記熱交換部において、前記燃焼ガス流路は、前記空気流路と交差する流路である交差路を複数有し、前記複数の交差路は、前記マニホールド部に近い位置から遠い位置まで並んで配置されており、前記燃焼ガスは、前記マニホールドに近い交差路から、前記マニホールドから遠い交差路へと順に流れながら、前記空気流路を流れる空気との間で熱交換を行うものであるとよい。
また、前記熱交換部において、前記空気流路と前記燃焼ガス流路は、直交流型のプレートフィン構造をとっているとよい。
上記発明にかかる燃料電池ホットモジュールにおいては、セルスタックを構成する燃料電池のカソードに空気を供給するマニホールド部(空気マニホールド)と、マニホールド部に供給する空気を加熱する熱交換部とが、一体として構成された空気熱交換器を有している。さらに、その空気熱交換器が、セルスタックと分離して据え置かれるのではなく、セルスタックに接触して配置されている。これらの効果により、空気マニホールドを独立した部材として構成し、空気熱交換器をセルスタックから独立して据え置いていた従来一般の燃料電池ホットモジュールに比べて、ホットモジュール全体を小型化することが可能となる。
加えて、空気熱交換器がセルスタックに接触して配置されることで、セルスタックからの輻射および熱伝導を、燃焼ガスとの熱交換に加えて、空気熱交換器での空気の加熱に利用することができる。ホットモジュールの小型化の効果と、セルスタックからの熱の利用の効果により、ホットモジュールにおける熱効率が高められる。その結果、ホットモジュールの運転効率の向上を図ることができる。
ここで、空気熱交換器が、マニホールド部が設けられた部位において、セルスタックに接触している場合には、熱交換部において、燃焼ガスとの熱交換によって既にある程度高温まで加熱された状態でマニホールド部に到達した空気を、マニホールド部において、セルスタックからの輻射および熱伝導によって加熱することになる。これにより、セルスタックからの熱を、空気の加熱に効率的に利用することができる。
また、熱交換部において、空気流路を流れる空気が、マニホールド部に向かって下流側へと流れるほど、燃焼ガス流路の上流側を流れる燃焼ガスとの間で熱交換を受けるものである場合には、空気流路の上流側で、既にある程度の高温まで加熱された状態で下流側に達した空気を、燃焼ガス流路の上流側を流れる高温の燃焼ガスで加熱することになる。よって、空気流路の下流側のまだ高温になっていない空気を燃焼ガス流路の上流側を流れる高温の燃焼ガスで加熱する場合と比較して、燃焼ガスの熱を、空気の加熱に効率的に利用することができる。
この場合に、熱交換部において、燃焼ガス流路が、空気流路と交差する流路である交差路を複数有し、複数の交差路は、マニホールド部に近い位置から遠い位置まで並んで配置されており、燃焼ガスが、マニホールドに近い交差路から、マニホールドから遠い交差路へと順に流れながら、空気流路を流れる空気との間で熱交換を行うものである構成によれば、簡素な構成により、空気流路の下流側を流れる空気を、燃焼ガス流路の上流側を流れる高温の燃焼ガスで加熱するように、燃焼ガス流路を構築することができる。
また、熱交換部において、空気流路と燃焼ガス流路が、直交流型のプレートフィン構造をとっている場合には、簡素な構成により、空気流路を流れる空気と燃焼ガス流路を流れる燃焼ガスとの間の効率的な熱交換を実現することができる。
本発明の一実施形態にかかる燃料電池ホットモジュールの構成を示す概略図である。 空気熱交換器を示す図であり、(a)は外観斜視図、(b),(c)はそれぞれ、(a)中のA−A断面図およびB−B断面図である。 上記空気熱交換器における熱源流路の構成を示す図であり、(a)は斜視図、(b),(c)はそれぞれ、(a)中のC−C断面図およびD−D断面図である。 従来一般の燃料電池ホットモジュールの構成を示す概略図である。
以下に、本発明の一実施形態にかかる燃料電池ホットモジュールについて、図面を参照しながら説明する。
[燃料電池ホットモジュールの構成]
図1に、本発明の一実施形態にかかる燃料電池ホットモジュール(以下、単に「ホットモジュール」と称する場合がある)1の概略を示す。
ホットモジュール1は、セルスタック10と、改質器20と、燃焼器30と、空気熱交換器40と、出口マニホールド50と、を有している。これら各機器10〜50は、共通のケース(不図示)に収容され、ホットモジュール1として、燃料電池システムの中で区画されている。
セルスタック10は、複数の燃料電池単セルが積層されてなっている。燃料電池単セルは、固体酸化物よりなる電解質にアノード(燃料極)およびカソード(空気極)を接合した固体酸化物形燃料電池(SOFC)として構成されている。この燃料電池単セルを、セパレータ等を介して複数積層することで、セルスタック10が構成されている。
セルスタック10を構成する各燃料電池単セルのアノードには、内部マニホールド方式により、燃料ガスFが供給される。一方、各燃料電池単セルのカソードには、外部マニホールド方式により、空気Aが供給される。つまり、後に詳しく説明する空気熱交換器40に含まれるマニホールド部41から、各燃料電池単セルのカソードに空気Aが供給され、余剰の空気Aが出口マニホールド50に回収される。セルスタック10内において、燃料ガスFが流れる燃料流路Lf、そして、空気熱交換器40のマニホールド部48と出口マニホールド50とを結び、空気Aが流れる空気流路Laは、燃料電池単セルの面に平行、つまり燃料電池単セルの積層方向に垂直に配置されている。
以降、本明細書および各図において、燃料電池単セルの積層方向をz方向とする。また、セルスタック10内で燃料流路Lfおよび空気流路Laが走っている方向、つまり空気熱交換器40のマニホールド部48と出口マニホールド50を結ぶ方向を、x方向とする。ここで、出口マニホールド50側を+x側、マニホールド部48側を−x側とする。そして、x方向およびz方向と直交する方向をy方向とする。また、各図中では、燃料流路Lfを細線、空気流路Laを斜線、次に説明する燃焼ガスCが流れる燃焼ガス流路Lcを太線で表示している。
改質器20としては、燃料電池ホットモジュールに設けられる燃料改質器として公知のものを用いることができる。改質器20は、炭化水素ガスから水素ガスを生成する改質触媒を備えており、都市ガスやLPガス等の原料ガスを、水素を含んだ燃料ガスFへと改質する。改質器20に導入される原料ガスは、燃焼器30において予熱される。
改質器20は、一方向(+z方向)において、セルスタック10および空気熱交換器40に接触しており、他方向(−z方向)において、燃焼器30に接触している。改質器20は、燃焼器30に接触していることで、燃焼器30において発生した熱を、輻射および熱伝導によって伝達され、改質触媒による反応に利用することができる。
燃焼器30は、セルスタック10において発電に用いられなかった余剰の燃料ガスFを燃焼させるものである。具体的には、セルスタック10内を通った燃料流路Lfと、出口マニホールド50から延長された空気流路Laとが、燃焼器30内で合流されている。そして、燃料流路Lfを流れてきた余剰の燃料ガスFと、空気流路Laを流れてきた余剰の空気Aとの間で、燃焼が行われる。燃焼器30内で合流した燃料流路Lfと空気流路Laは、燃焼ガス流路Lcとなり、燃焼によって生成された燃焼ガスCが、燃焼ガス流路Lcを流れる。燃焼ガスCは、二酸化炭素、水蒸気、空気等の混合ガスよりなっており、燃焼により、非常に高温になっている。なお、図中では、燃焼器30内の燃料流路Lfおよび空気流路Laと、燃焼ガス流路Lcとを、区画して示しているが、これは便宜上の表示であり、実際には、燃料流路Lfと燃焼ガス流路Lcは明確に区別されるものではなく、一体に連続しており、燃焼ガス流路Lcの上流側から下流側に向かって、徐々に燃焼ガスCの濃度が高くなる。
空気熱交換器40は、改質器20と、セルスタック10とに接触して設けられている。空気熱交換器40の構成については、次に説明するが、ホットモジュール1の外部から空気流路Laに取り込んだ空気Aを、燃焼器30から引き込まれた燃焼ガス流路Lcを流れる燃焼ガスCとの熱交換によって加熱した状態で、セルスタック10を構成する各燃料電池単セルのカソードに供給するものである。
[空気熱交換器の構成]
空気熱交換器40は、マニホールド部48と、熱交換部41とを、一体に有している。熱交換部41で予熱された空気Aが、マニホールド部48を介して、セルスタック10を構成する各燃料電池単セルのカソードに供給される。
マニホールド部48は、熱交換部41内の空気流路La(被加熱流路42)に連通されている以外は、公知の空気供給用の外部マニホールドと同様の構成を有している。つまり、空気Aを流通可能な空間を有し、その空間が、各燃料電池単セルのカソードとセパレータの間の空間として構成されたセルスタック10内の空気流路Laに連通されている。これにより、マニホールド部48から各燃料電池単セルのカソードに空気Aが供給される。
マニホールド部48のセルスタック10側に面した壁面は、空気熱交換器40全体の外壁面となっている。そして、空気熱交換器40は、その外壁面において、セルスタック10の端面と密着している。
熱交換部41内には、空気流路Laが設けられている。空気流路Laは、ホットモジュール1の外部の空間に連通する空気入口43と、空気入口43から分岐した多数の被加熱流路42とを有している。また、熱交換部41内には、燃焼器30を出た燃焼ガス流路Lcが引き込まれており、熱源流路44を構成している。被加熱流路42と熱源流路44は、相互に連通することなく接触して交差しており、交差部において、熱源流路44を流れる燃焼ガスCと、被加熱流路42を流れる空気Aとの間で、熱交換が起こる。熱源流路44を流れる燃焼ガスCは、燃焼器30において高温に加熱されており、被加熱流路42を流れる空気Aが、熱交換によって加熱されることになる。
実際の空気熱交換器40においては、被加熱流路42と熱源流路44は、直交型のプレートフィン構造をとっている。しかし、各図においては、熱交換部41内における被加熱流路42および熱源流路44の配置パターンを分かりやすく示すために、それぞれ、等価な流体経路を有するパイプ状の配管として示している。配管の交差部において、熱交換が行われる。
図1および図2に示すように、被加熱流路42は、x方向に平行に走る空気流路Laとして構成されており、z方向およびy方向に多数が並べて配置されている。図2で示した例では、y方向に4列、z方向に10段の被加熱流路42が配置されている。それら全ての被加熱流路42が、基端側(−x側)で空気入口43に連通しており、先端側(+x側)で、マニホールド部48に連通している。
後に説明するように、熱源流路44は、熱交換部41内で、燃焼ガス流路Lcが3次元的に配置された構造を有しているが、図1では、熱源流路44を燃焼ガスCが流れる経路を、概念的に示している。つまり、燃焼器30から供給された高温の燃焼ガスCは、熱交換部41の最もマニホールド部48側の位置に設けられた燃焼ガス入口45から、熱交換部41に入る。そして、熱交換部41の中で、マニホールド部48に近い位置を上流とし、マニホールド部48から遠い空気入口43側の位置を下流として配置された熱源流路44を流れ、空気入口43側に設けられた燃焼ガス出口46から脱出する。図2(b)のA−A断面図で説明すると、燃焼ガスCは、熱源流路44を、c1列→c2列→c3列→c4列のように、マニホールド部48に近い側(+x側)から、マニホールド部48から遠い側(−x側)へと、順次流れる。
つまり、空気Aは、空気入口43側を上流、マニホールド部48側を下流として、被加熱流路42を流れるのに対し、燃焼ガスCは、マニホールド部48側を上流、空気入口43側を下流として熱源流路44を流れる。上記のように、被加熱流路42と熱源流路44は、それぞれ上流から下流へと向かう経路の途中の多数の箇所で相互に交差し、熱交換を行う。そのため、被加熱流路42の上流を流れる空気Aが、熱源流路44の下流を流れる燃焼ガスCとの間で熱交換を受け、被加熱流路42の下流を流れる空気Aが、熱源流路44の上流を流れる燃焼ガスCとの間で熱交換を受ける。換言すると、被加熱流路42を流れる空気Aが下流側へと流れるほど、熱源流路44の上流側を流れる燃焼ガスCとの間で熱交換を受ける。
図3に、空気熱交換器40の熱交換部41において燃焼ガスCが流れる熱源流路44の構成を3次元的に示す。熱源流路44は、第一連結路a1〜a4と、第二連結路b1〜b4と、交差路c1〜c4よりなっている。第一連結路a1〜a4は、熱交換部41の−y側の位置に設けられた、z方向に平行に走る流路である。x方向に沿って中央に配置された2本の経路a2,a3が、直列に連結されている。また、第二連結路b1〜b4は、熱交換部41の+y側の位置に設けられた、z方向に平行に走る流路である。x方向に沿って隣接する2本の経路であるb1,b2間、またb3,b4間が直列に連結されている。交差路c1〜c4はy方向に平行に走る複数の流路であり、x方向およびz方向に多数並べて配置されている。各交差路c1〜c4は、対応する第一連結路a1〜a4と第二連結路b1〜b4の間を連通している。交差路c1〜c4は、c1列,c2列,c3列,c4列の順に、+x方向(マニホールド部48に近い側)から、−x方向(マニホールド部48から遠い側)に、並んでおり、それぞれ、図2(b)で断面を示した熱源流路44の列c1〜c4に対応している。交差路c1〜c4のz方向の段数は、被加熱流路42の段数と一致しており(ここでは10段)、各段において、交差路c1〜c4が被加熱流路42と交差している。そして、交差路c1〜c4と被加熱流路42が交差する各交差部において、燃焼ガスCと空気Aの間の熱交換が行われる。
上記のような熱源流路44において、燃焼ガス入口45から導入された燃焼ガスCは、次のような順で各部を流れて、燃焼ガス出口46から排出される。つまり、燃焼ガスCの経路は、a1→c1→b1→b2→c2→a2→a3→c3→b3→b4→c4→a4のようになっている。熱源流路44がこのような経路を有することにより、熱源流路44を流れる燃焼ガスCは、+x側(マニホールド部48に近い側)に設けられた交差路c1から、−x側(マニホールド部48から遠い側)に設けられた交差路c4へと順に流れながら、被加熱流路42を流れる空気Aとの間で熱交換を行うことになる。
[ホットモジュールにおける熱の流れ]
上記のように、本実施形態にかかるホットモジュール1においては、燃焼器30での燃料ガスFの燃焼によって発生した高温の燃焼ガスCを、空気熱交換器40の熱交換部41に導入している。そして、ホットモジュール1の外部から取り込んだ低温の空気Aと、高温の燃焼ガスCの間で熱交換を起こさせることで、空気Aを予熱している。そして、予熱した空気Aを、マニホールド部48を介して、セルスタック10を構成する各燃料電池単セルのカソードに供給している。
ここで、熱交換部41において、被加熱流路42を流れる空気Aが、被加熱流路42を下流側へと流れるほど、熱源流路44の上流側を流れる燃焼ガスCとの間で熱交換を受けるように、被加熱流路42および熱源流路44を構築していることで、高効率で空気Aの予熱を行えるようになっている。つまり、熱源流路44を流れる燃焼ガスCは、燃焼器30を出た直後の上流側では非常に高温になっているが、下流に向かって流れる間に、空気Aとの熱交換および放熱によって低温になる。熱源流路44の上流側を流れる高温の燃焼ガスCを、被加熱流路42の上流側を流れるまだ加熱を受けていない低温の空気Aの加熱に用いるよりも、被加熱流路42の下流側を流れる、既に加熱を受けて、ある程度高温になった空気Aの加熱に用いる方が、熱交換部41全体として、空気Aの加熱を高効率で行うことができる。
ここで、熱源流路44として、図3に示すように、空気流路Laと交差する複数の交差路c1〜c4を、空気流路Laの下流側(+x側)から上流側(−x側)に向かって複数列並べて配置し、空気流路Laの下流側に配置された交差路から、上流側に配置された交差路へと順に(c1→c2→c3→c4)燃焼ガスCが流れる形態を採用することで、簡素な構成で、上記のように、被加熱流路42の下流側の空気Aを熱源流路44の上流側の燃焼ガスCによって加熱する形式の熱交換部41を構築することができる。このような熱源流路44および被加熱流路42は、直交流型のプレートフィン構造を利用して、実現することができる。
さらに、本実施形態にかかるホットモジュール1においては、マニホールド部48を有する空気熱交換器40がセルスタック10に接触している。このため、発電中に高温になるセルスタック10から、空気熱交換器40に熱が伝達され、空気熱交換器40内の空気Aの予熱にその熱を利用することができる。熱の伝達は、輻射と熱伝導によって進行する。特に、上記のように、マニホールド部48が設けられた部位において、空気熱交換器40がセルスタック10と接触していることで、既に熱交換部41において燃焼ガスCとの熱交換で加熱され、ある程度高温の状態でマニホールド部48に導入された空気Aを、セルスタック10からの熱によって加熱することになる。このため、まだ高温になっていない空気Aをセルスタック10からの熱によって加熱するよりも、セルスタック10からの熱を空気Aの予熱に効率的に利用することができる。とりわけ、上記のように、セルスタック10に面したマニホールド部48の壁面が、空気熱交換器40全体の外壁面を構成するようにしておき、その外壁面において、空気熱交換器40をセルスタック10の端面に密着させて配置することで、セルスタック10からの熱を、損失が少ない状態で、マニホールド内の空気Aの予熱に利用することができる。
[ホットモジュールの小型化]
本実施形態にかかるホットモジュール1においては、セルスタック10に空気Aを導入する外部マニホールドである入口マニホールドを、独立した部材として設けるのではなく、マニホールド部48が、熱交換部41と一体となって、空気熱交換器40の一部位として構成されている。そして、その空気熱交換器40が、セルスタック10等、ホットモジュール1を構成する他の機器から分離されて据え置かれるのではなく、セルスタック10に接触して配置されている。これらの構成により、上記のように、セルスタック10から発せられる熱を空気Aの予熱に効率的に利用できるという効果に加え、ホットモジュール1を小型化できるという効果が得られる。つまり、空気熱交換器40がセルスタック10から独立しておらず、しかもマニホールド部48を内包するものであることにより、ホットモジュール1全体が占める空間を従来よりも小さくすることができる。その結果、ホットモジュール1を囲むケースも小型化することができる。
ホットモジュール1を小型化することで、ホットモジュール1内を高温に維持するために必要な熱量を削減することができ、上記のように、空気Aの予熱に燃焼ガスCおよびセルスタック10の熱を利用することの効果と合わせて、ホットモジュール1の運転の効率化を図ることができる。また、ホットモジュール1の製造に要するコストや、運転に要するコストを低減することができる。
本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
1 (燃料電池)ホットモジュール
10 セルスタック
20 改質器
30 燃焼器
40 空気熱交換器
41 熱交換部
42 被加熱流路(空気流路)
43 空気入口
44 熱源流路(燃焼ガス流路)
45 燃焼ガス入口
46 燃焼ガス出口
48 マニホールド部
50 出口マニホールド
a1〜a4 第一連結路
b1〜b4 第二連結路
c1〜c4 交差路
A 空気
C 燃焼ガス
F 燃料
La 空気流路
Lc 燃焼ガス流路
Lf 燃料流路

Claims (5)

  1. アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される空気を用いて発電を行う燃料電池を複数積層したセルスタックと、
    前記セルスタックの前記アノードから排出される燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、
    前記燃焼器において前記燃料ガスが燃焼されて生成した燃焼ガスを流通させる燃焼ガス流路と、
    空気熱交換器と、を有し、
    前記空気熱交換器は、
    前記カソードに空気を供給するマニホールド部と、
    前記マニホールド部に空気を供給する空気流路を備えるとともに、前記燃焼ガス流路を引き込まれ、前記空気流路を流れる空気と前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスとの間で熱交換を行う熱交換部と、を一体に有し、
    前記セルスタックに接触して配置されていることを特徴とする燃料電池ホットモジュール。
  2. 前記空気熱交換器は、前記マニホールド部が設けられた部位において、前記セルスタックに接触していることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池ホットモジュール。
  3. 前記熱交換部において、前記空気流路を流れる空気は、前記マニホールド部に向かって下流側へと流れるほど、前記燃焼ガス流路の上流側を流れる燃焼ガスとの間で熱交換を受けることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池ホットモジュール。
  4. 前記熱交換部において、前記燃焼ガス流路は、前記空気流路と交差する流路である交差路を複数有し、前記複数の交差路は、前記マニホールド部に近い位置から遠い位置まで並んで配置されており、前記燃焼ガスは、前記マニホールドに近い交差路から、前記マニホールドから遠い交差路へと順に流れながら、前記空気流路を流れる空気との間で熱交換を行うことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池ホットモジュール。
  5. 前記熱交換部において、前記空気流路と前記燃焼ガス流路は、直交流型のプレートフィン構造をとっていることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の燃料電池ホットモジュール。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111326766A (zh) * 2018-12-15 2020-06-23 中国科学院大连化学物理研究所 一种燃料电池系统阴极预热装置
WO2021006229A1 (ja) * 2019-07-10 2021-01-14 株式会社 東芝 吸気予熱装置および燃料電池発電システム

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111326766A (zh) * 2018-12-15 2020-06-23 中国科学院大连化学物理研究所 一种燃料电池系统阴极预热装置
CN111326766B (zh) * 2018-12-15 2021-03-16 中国科学院大连化学物理研究所 一种燃料电池系统阴极预热装置
WO2021006229A1 (ja) * 2019-07-10 2021-01-14 株式会社 東芝 吸気予熱装置および燃料電池発電システム
JP2021015676A (ja) * 2019-07-10 2021-02-12 株式会社東芝 吸気予熱装置および燃料電池発電システム
CN112640173A (zh) * 2019-07-10 2021-04-09 株式会社东芝 吸气预热装置以及燃料电池发电系统
JP7256710B2 (ja) 2019-07-10 2023-04-12 株式会社東芝 吸気予熱装置および燃料電池発電システム
CN112640173B (zh) * 2019-07-10 2024-02-20 株式会社东芝 吸气预热装置以及燃料电池发电系统

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