JP2019064862A - 導入部材およびそれを備える燃料電池モジュール、燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多重管である導入管と、原燃料供給管及び水供供給管との接続部分を、比較的簡単な構造とした導入部材と、それを備えた燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を提供する。【解決手段】本開示の導入部材は、水蒸気改質を行なう改質器と、該改質器に原燃料を供給する原燃料供給管及び前記改質器に水を供給する水供給管と、を接続する導入部材であって、原燃料又は水のうち一方が流れる第一流路と、該第一流路の外周に配置され前記原燃料又は前記水のうち他方が流れる第二流路と、前記原燃料供給管及び前記水供給管のうちいずれか一方と前記第一流路とが接続される第一接続部と、前記原燃料を供給する原燃料供給管及び前記水を供給する水供給管のうちいずれか他方と前記第二流路とが接続される第二接続部と、を備え、該第二接続部及び前記第二流路の上流側の端が前記第一接続部よりも下流側に位置する。【選択図】図２

Description

本発明は、導入部材と、それを備える燃料電池モジュールおよび燃料電池装置に関する。

燃料電池装置として、収納容器内に水素含有ガス（燃料ガス）と酸素含有ガス（空気）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積層したセルスタックを備える燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールの動作に必要な熱交換器等の補機とが、外装ケース（ケーシング）等の筐体に収納された構成が知られている。

燃料電池装置は、燃料電池モジュール中のセルスタックの上方に、改質器が配設されており、この改質器で、原燃料（天然ガス等の原料ガス）を水蒸気改質して、水素リッチな改質ガス（燃料ガス）を、セルスタックに供給している。

改質器は、水を気化して水蒸気を生成する気化部と、発生した水蒸気を用いて原燃料の水蒸気改質する改質部とを有しており、気化部に、原燃料（原料ガス）と、水蒸気発生用の水（改質水）とが導入される。そして、気化部で発生した水蒸気と原料ガスとが混合されて下流側の改質部に送給され、この改質部で燃料ガスが生成されるように構成されている。

改質器に対する、原燃料と水の供給方法としては、改質器の外部（改質器手前の配管上流側）で予め原燃料（気体）と水とを混合し、所定の気液混合状態でこれを改質器の気化部に導入する外部混合方式と、原燃料と水とが分離した状態で、これらの流量を個別に制御しながら並行して改質器の気化部に導入して混合する内部混合方式（特許文献１）とが、知られている。

内部混合方式で原燃料と水とを供給する場合、外部の供給源から、原燃料供給管及び水供給管により、別々の経路で輸送・送給されてきた原燃料と水とは、改質器の直前に、芯鞘構造の内管（芯管）と外管（鞘管）とを含む１本の多重管である導入管にまとめられ、収納容器や断熱材等の壁を貫通させて、改質器の気化部に導入される。

なお、多重管内においても、原燃料と水とは、管の軸線に対して径方向内側と外側とに区画された別の流路（原燃料流路と水流路という）により、混ざり合うことなく独立して流過するようになっている。

特開２０１６−１７７９４５号公報

ところで、多重管である導入管と、原燃料供給管又は水供給管とを接続する接続部分の構造が、複雑になるおそれがあった。

本発明の目的は、多重管である導入管と、原燃料供給管及び水供供給管との接続部分を、比較的簡単な構造とした導入部材と、それを備えた燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を提供することである。

本開示の導入部材は、水蒸気改質を行なう改質器と、該改質器に原燃料を供給する原燃料供給管及び前記改質器に水を供給する水供給管と、を接続する導入部材であって、
原燃料又は水のうち一方が流れる第一流路と、
該第一流路の外周に配置され原燃料又は水のうち他方が流れる第二流路と、
前記原燃料供給管及び前記水供給管のうちいずれか一方と前記第一流路とが接続される第一接続部と、
前記原燃料供給管及び前記水供給管のうちいずれか他方と前記第二流路とが接続される第二接続部と、を備え、
該第二接続部及び前記第二流路の上流側の端が、前記第一接続部よりも下流側に位置することを特徴とする導入部材である。

また、本開示の燃料電池モジュールは、水蒸気改質を行う改質器と、上述の改質器用の導入部材と、前記改質器により生成された燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電を行うセルスタック装置と、前記改質器と前記導入部材と前記セルスタック装置とを収容する収納容器と、を備える燃料電池モジュールである。

さらに、本開示の燃料電池装置は、上述の燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールを作動させるための補機と、前記燃料電池モジュールと補機とを収容する外装ケースと、を備える。

本開示の導入部材によれば、外側流路である第二流路が、内側流路である第一流路の端部を覆っていないため、第二流路の流路壁を貫通させることなく、一方の供給管を、第一流路の流路壁に直接、接続することができる。すなわち、第一流路の流路壁と、一方の供給管と、の接続部分を比較的簡単な構造とすることできるため、加工や組み立てに要する作業工数や費用等の低減を含めて、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置のコストを低減することができる。

さらに、本開示の構成は、第二流路の流路壁を貫通させることなく、一方の供給管を、第一流路の流路壁に、直接接続することができることから、第一流路と接続される供給管と第二流路とをシールする必要がない。これにより、流体漏れを起こす可能性のあるシール部の数を低減することができる。

実施形態の燃料電池装置の内部構成を説明する斜視図である。 実施形態の導入部材の構造を示す図であり、（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、導入部材の（ａ）上面図、（ｂ）断面図、（ｃ）下面図である。 （ａ）〜（ｃ）は順に、実施形態の導入部材の組み立て方法を説明する図である。 実施形態の燃料電池の外観斜視図である。

図１は、実施形態の燃料電池装置の内部構成を示す図である。実施形態の燃料電池装置は、燃料電池モジュール１０の収納容器１１内に収納された改質器１２に、収納容器１１の外部から、原燃料（原料ガス）と水蒸気発生用の水（改質水）とを供給するための導入部材１が配設されている。すなわち、導入部材１は、改質器１２と、改質器１２に原燃料を供給する原燃料供給管３及び改質器１２に水を供給する水供給管４とを接続している。

図２は、実施形態の導入部材の構造を示す図である。
図２（ｂ）に示すように、導入部材１は、収納容器１１の壁を貫通して原燃料及び水を燃料電池モジュール１０に導入する本体部５を有する。

本体部５には、芯鞘構造を有する多重管が用いられている。多重管の内管５Ａの内周側（内径側）は、原燃料が流れる原燃料流路Ｇ（以下、第一流路という場合がある。）に形成され、内管５Ａと外管５Ｂとの間の軸方向空間（隙間）は、水が流れる水流路Ｗ（以下、第二流路という場合がある。）に形成されている。すなわち、第二流路は第一流路の外周に配置されている。

なお、内管５Ａの内径側には、熱電対（符号ＴＣ）が挿通されている。熱電対は、改質器１２の内部の温度を測定するため、改質器１２の内部まで延びている。熱電対は、円筒状の鞘管に収納されていてもよい。

原燃料供給管３及び水供給管４は、それぞれ、その始端が、図示しない原燃料供給ポンプ及び改質水供給ポンプに接続されており、各末端が、互いに対向する鉛直上下方向から導入部材１に接続されている。

導入部材１は、本体部５、原燃料供給管３及び水供給管４をそれぞれ固定する継手部材２を有している。継手部材２は、水供給管挿入口２ｂ、原燃料供給管挿入口２ａ及び本体部挿入口２ｃを有している。水供給管挿入口２ｂ及び原燃料供給管挿入口２ａは、第一流路及び第二流路の軸線方向（以下単に軸線方向という場合がある。）に直交する方向（以下、径方向という場合がある。）に開口している。本体部挿入口２ｃは、軸線方向に開口している。

上側の原燃料供給管挿入口２ａは、継手部材２の上面の開口〔図２（ａ）参照〕から、径方向（図示下方）に向けて穿設された孔であり、下側は、前述の本体部挿入口２ｃの末端側（図示右側であり穴の行き止り側）の流路壁面上側に開口する。

下側の水供給管挿入口２ｂは、継手部材２の下面の開口〔図２（ｃ）参照〕から、径方向（図示上方）に向けて穿設された孔であり、上側は、本体部挿入口２ｃの始端側（図示左側であり穴の開口側）の流路壁面下側に開口する。

水供給管挿入口２ｂ、原燃料供給管挿入口２ａ及び本体部挿入口２ｃには、それぞれ、水供給管４、原燃料供給管３及び本体部５が挿入されている。各挿入口と、各供給管又は本体部とは、これらの間を気密又は水密に維持するための２つのこまＫ_Ａ，Ｋ_Ｂ及び、複数のシール部材（Ｏリング Ｏ_１，Ｏ_２，Ｏ_３，・・・等）を有している。

原燃料供給管３の末端と第一流路とが接続する第一接続部（図中の丸Ａ）において原燃料供給管内部を流れる原燃料ガスが第一流路へと流れ込み、水供給管４の末端と第二流路とが接続する第二接続部（図中の丸Ｂ）において水供給管内部を流れる水が第二流路へと流れ込むことで、原燃料ガス及び水が改質器１２に導入される。以下、本体部５のうち改質器１２側を下流側とし、供給管３，４側を上流側とする。

本体部５は、内管５Ａの外周面に、径方向に突出する２つのリブ状の円周凸部５ｃと、これら各円周凸部５ｃの間に形成される円周溝状の凹部に配設されたシール部材（ＯリングＯ_３）とからなる仕切部５ｄが形成されている。この仕切部５ｄにより、内管５Ａと本体部挿入口２ｃとの間が密封されている。すなわち、仕切部５ｄを挟んで上流側に位置するのが第一流路であり、下流側に位置するのが第二流路である。

また、原燃料供給管３と内管５Ａとが接続される原燃料接続部（第一接続部、丸Ａ）と、水供給管４と多重管の外管５Ｂとが接続される水接続部（第二接続部、丸Ｂ）とは、本体部５の軸線方向にずれて配置されている。すなわち、第二接続部は、第一接続部よりも下流側に位置している。

上述するように、第二接続部及び第二流路の上流側の端が、第一接続部よりも下流側に位置することとなる。この構成により、多重管の軸線方向と直交する方向（径方向）における外側流路である第二流路が、内側流路である第一流路の端部を覆っていないため、第二流路の流路壁を貫通させることなく、一方の供給管（この場合、符号３）を、第一流路の流路壁に直接接続することができる。すなわち、第一流路の流路壁と、一方の供給管との接続部分を、比較的簡単な構造とすることできるため、加工や組み立てに要する作業工数や費用等の低減を含めて、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置のコストを低減することができる。

さらに、本実施形態の構成は、第二流路の流路壁を貫通させることなく、一方の供給管を、第一流路の流路壁に直接接続することができることから、第一流路と接続される供給管と第二流路とを。シールする必要がない、すなわち、流体漏れを起こす可能性のあるシール部の数を低減することができる。

上述するように、第一接続部は、原燃料供給管３が、鉛直方向上側から第一流路に接続される位置に設けられている。また、第二接続部は、水供給管４が鉛直方向下側から第二流路に接続される位置に設けられている。これらの構成により、導入部材１は、各供給管と各流路との間の相互接続を集約して、省スペースでコンパクトに配置することが可能になる。そのため、導入部材１を小形化することができる。

また、仕切部５ｄは、原燃料供給管３及び水供給管４のうち少なくとも一方における下流側端部（末端側端部）と、本体部５の軸線方向（本体部５を継手部材２へと挿入する場合における挿入方向）において対向する位置に設けられていてもよい。本開示においては、仕切部５ｄは軸線方向において、原燃料供給管３の下流側端部と、水供給管４の下流側端部と、の間に位置している。これにより、仕切部５ｄは本体部５の抜け止めとなっている。

そして、上述の構成によれば、以下で説明する手順により導入部材を比較的簡単に製造することができる。

図３は実施形態の導入部材の組み立て方法を説明する図である。改質器１２に繋がる本体部５の内管５Ａと外管５Ｂとを、継手部材２の本体部挿入口２ｃに挿入する。この際、図３（ｂ）に示すように、内管５Ａ外周の仕切部５ｄが、原燃料供給管挿入口２ａと、水供給管挿入口２ｂとの間に達する深さにまで、内管５Ａを挿入する。なお、外管５Ｂは、継手部材の外側に固定するようにしてもよい。この場合、外管５Ｂは、クイックファスナ等の部材を用いて継手部材２に固定してもよい。

つぎに、原燃料供給管３を原燃料供給管挿入口２ａから下向きに挿入し、水供給管４を水供給管挿入口２ｂから上向きに挿入する〔図３（ｃ）〕。この際、各供給管３，４の下流側端部が、本体部挿入口２ｃ内に突出するように挿入する。この構成により、仕切部５ｄを有する内管５Ａが、軸線方向に移動しようとした場合でも、この仕切部５ｄが、軸線方向左右に管内に突出する各供給管３，４の先端のどちらかに当接するため、本体部挿入口２ｃ内で移動しにくい構成となっている。すなわち、これら各供給管３，４の先端は、内管５Ａ及び多重管の軸線方向の抜け止めとなっている。

また、前述の構成の場合、多重管の外管５Ｂの端部（第二接続部、丸Ｂ）が、内管５Ａの端部を覆っていないため、外管５Ｂに貫通孔等を設ける必要がない。また、貫通孔等がないため、この貫通孔等を密封するためのＯリング等のシール部材を配設する必要もない。

したがって、前述のように簡単に組み立てできることと相俟って、作製に要する作業工数や費用等を低減することができる。その結果、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置のコストを低減することができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態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。

例えば、セルスタックの形状は、列状のものに限られるものではなく、他の配列のセルスタックを有するセルスタック装置を用いることもできる。また、収納容器も、そのセルスタック装置の形状（外形）に合わせて、直方体状、円筒状のほか、立方体状や角柱状等であってもよい。

つぎに、図４は、本実施形態の燃料電池装置２０の一例を示す透過斜視図である。燃料電池装置２０は、前述の燃料電池モジュール１０と、燃料電池モジュール１０を動作させるための補機と、燃料電池モジュール１０及び補機を収納する外装ケースとを備えている。なお、図４においては補機類等、一部構成を省略して示している。

燃料電池装置２０は、図４に示すように、各支柱２１と外装板（図示省略）から構成される外装ケース内に、前記の実施形態の燃料電池モジュール１０を収容したものである。この外装ケース内には、図示した燃料電池モジュール１０の他、蓄熱用のタンク、発電した電力を外部に供給するためのパワーコンディショナ、ポンプやコントローラ、先述の導入部材等の補機類が配設される。

本実施形態の燃料電池装置２０によれば、燃料電池モジュール１０を備えることにより、信頼性の向上した燃料電池装置とすることができる。

１ 導入部材
２ 継手部材
２ａ 原燃料供給管挿入口
２ｂ 水供給管挿入口
２ｃ 本体部挿入口
３ 原燃料供給管
４ 水供給管
５ 本体部
５Ａ 内管
５Ｂ 外管
１０ 燃料電池モジュール
１２ 改質器
２０ 燃料電池装置
Ｋ こま
Ｏ Ｏリング
ＴＣ 熱電対
Ａ 第一接続部（原燃料接続部）
Ｂ 第二接続部（水接続部）
Ｇ 原燃料流路
Ｗ 水流路

Claims (6)

1. 水蒸気改質を行なう改質器と、該改質器に原燃料を供給する原燃料供給管及び前記改質器に水を供給する水供給管と、を接続する導入部材であって、
   原燃料又は水のうち一方が流れる第一流路と、
   該第一流路の外周に配置され原燃料又は水のうち他方が流れる第二流路と、
   前記原燃料供給管及び前記水供給管のうちいずれか一方と前記第一流路とが接続される第一接続部と、
   前記原燃料供給管及び前記水供給管のうちいずれか他方と前記第二流路とが接続される第二接続部と、を備え、
   該第二接続部及び前記第二流路の上流側の端が、前記第一接続部よりも下流側に位置する導入部材。
2. 前記第一流路は原燃料が流れる流路であり、前記第二流路は水が流れる流路であり、
   前記第二接続部は、前記水供給管が前記鉛直方向下側から前記第二流路に接続される位置に設けられており、
   前記第一接続部は、前記原燃料供給管が、前記鉛直方向上側から前記第一流路に接続される位置に設けられている請求項１に記載の導入部材。
3. 前記第一流路及び前記第二流路を含む本体部と、
   前記第一流路及び前記第二流路の軸線方向に直交する方向に開口し、前記水供給管又は前記原燃料供給管が挿入かつ固定される水供給管挿入口及び原燃料供給管挿入口と、前記軸線方向に開口し、少なくとも前記本体部の一部が挿入かつ固定される本体部挿入口と、を含む継手部材と、を有し、
   前記本体部は、前記第一接続部位より下流側かつ前記第二接続部位より上流側に、前記軸線方向と直交する方向に突出する仕切部をさらに備え、
   前記第二流路は、前記仕切部より下流側に設けられている請求項１または２に記載の導入部材。
4. 前記原燃料供給管及び前記水供給管が、前記原燃料供給管挿入口又は前記水供給管挿入口を貫通して、前記第一流路又は前記第二流路と接続された場合に、
   前記仕切部が、前記原燃料供給管及び前記水供給管のうち少なくとも一方における下流側端部と、前記軸線方向において対向する位置に設けられている請求項３に記載の導入部材。
5. 水蒸気改質を行う改質器と、
   請求項１〜４のいずれか１つに記載の改質器用の導入部材と、
   前記改質器により生成された燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電を行うセルスタック装置と、
   前記改質器と前記導入部材と前記セルスタック装置とを収容する収納容器と、
   を備える燃料電池モジュール。
6. 請求項５に記載の燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールを作動させるための補機と、
   前記燃料電池モジュールと補機とを収容する外装ケースと、を備える燃料電池装置。