JP4015507B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池を積層したスタックに付設されたプレートを有する燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池装置は、一般的に、燃料電池を積層したスタックと、スタックに付設されたプレートと、発電前の燃料含有ガスが流れる通路と、発電前の空気が流れる通路と、発電後の燃料オフガスが流れる通路と、発電後の空気オフガスが流れる通路と、スタックを冷却する電池冷却水が流れる通路などを備えている（特開２００１−０１５１３６号公報等）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−０１５１３６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記した燃料電池装置によれば、発電前の燃料含有ガスが流れる通路と、発電前の空気が流れる通路、発電後の燃料オフガスが流れる通路、発電後の空気オフガスが流れる通路と、スタックを冷却する電池冷却水が流れる通路とは、それぞれ個別に配置されているため、配管スペースが大きくなりがちであった。このため燃料電池装置が大型化しがちであった。
【０００５】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、配管スペースが少なくて済み、小型化に有利な燃料電池装置を提供することを課題とするにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池装置は、電解質層と電解質層の片側に配置され燃料含有物質が供給される燃料極と電解質層の他の片側に配置され酸化剤含有物質が供給される酸化剤極とを有する燃料電池を積層したスタックと、
スタックを挟むように付設されたプレートと、
発電前の燃料含有物質が流れる通路と、発電前の酸化剤含有物質が流れる通路、発電後の燃料オフガスが流れる通路、発電後の酸化剤オフガスが流れる通路と、スタックを冷却する電池冷却水が流れる通路とを具備しており、
プレートは、少なくとも、合わせ面をもつ複数の積層プレートを厚み方向に積層して形成されており、且つ、
複数の通路のうちの少なくとも一つが複数の積層プレート間の境界域に空洞状に形成されており、
積層プレート間の境界域に空洞状に形成されている当該通路を流れる流体が、積層プレート間の境界域の前記合わせ面の延設方向に沿って流れるように形成されており、
燃料含有物質をスタックに供給する開閉バルブ、燃料含有物質をスタックから排出する開閉バルブおよび電池冷却水をスタックに流してスタックを冷却する電池冷却水用のポンプのうちの少なくとも一方は、その着座部がプレートに嵌め込まれた状態で組み付けられていることを特徴とするものである。
【０００７】
本発明によれば、発電前の燃料含有物質が流れる通路と、発電前の酸化剤含有物質が流れる通路、発電後の燃料オフガスが流れる通路、発電後の酸化剤オフガスが流れる通路と、スタックを冷却する電池冷却水が流れる通路とのうちの少なくとも一つが、プレートの内部に空洞状に内蔵されている。即ち、プレートは、少なくとも、合わせ面をもつ複数の積層プレートを厚み方向に積層して形成されており、且つ、前記した複数の通路のうちの少なくとも一つが積層プレート間の境界域に空洞状に形成されている。このように通路がプレートに内蔵されているため、プレート外の配管スペースが少なくて済むと共に、部品点数が削減される。
【０００８】
本発明によれば、配管スペースを小さくすべく、上記した複数の通路のうちの２つ、または３つ、またはそれ以上を、プレートに内蔵させることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、好ましくは、電池冷却水を貯留するリザーバがプレートの内部に空洞状に設けられている形態を採用することができる。この場合、リザーバを繋ぐ配管スペースが少なくて済む利点が得られる。更にリザーバがプレートの内部に隠蔽されているため、外観見栄えの向上も図ることができる。
【００１０】
本発明によれば、プレートは、少なくとも、合わせ面をもつ複数の積層プレートを厚み方向に積層して形成されている。この場合、発電前の燃料含有物質が流れる通路と、発電前の酸化剤含有物質が流れる通路、発電後の燃料オフガスが流れる通路、発電後の酸化剤オフガスが流れる通路と、スタックを冷却する電池冷却水が流れる通路とのうちの少なくとも一つが、積層プレート間の境界域に空洞状に形成されている。この場合、上記した各通路の少なくとも一つが、積層プレートの境界域に空洞状に形成されているため、配管スペースが少なくて済む利点が得られる。この場合、積層プレート間の境界域をシールするシール材料で形成されたシール部材を設けることが好ましい。
【００１１】
本発明によれば、燃料含有物質をスタックに供給する開閉バルブと、燃料含有物質をスタックから排出する開閉バルブと、電池冷却水をスタックに流してスタックを冷却する電池冷却水用のポンプとが設けられている。この場合、開閉バルブ、電池冷却水用のポンプのうちの少なくとも一つは、その着座部がプレートに嵌め込まれた状態でプレートに組み付けられている。この場合、開閉バルブ、電池冷却水用のポンプがプレートに組み付けられているため、開閉バルブ、電池冷却水用のポンプを繋ぐ配管スペースが少なくて済む利点が得られる。
【００１２】
本発明によれば、好ましくは、発電前の燃料含有物質、発電前の酸化剤含有物質、発電後の燃料オフガス、発電後の酸化剤オフガス、電池冷却水のうちの少なくとも一方が流れる熱交換器ユニットが設けられている形態を採用することができる。この場合、プレートはスタック及び熱交換ユニットを連結している形態を採用することができる。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明を具体化した一実施例について図１〜図１６を参照して説明する。
【００１４】
（実施例の主構成）
本実施例に係る燃料電池装置は定置用であり、図１に示すように、多数の燃料電池１を厚み方向に積層して形成したスタック２と、スタック２を保持する枠３と、枠３の上部に搭載され燃料電池１に空気を供給する送風手段としての空気ファン４と、スタック２の下側に配置された熱交換ユニット５と、スタック２及び熱交換ユニット５を挟んで互いに対向する第１プレート６及び第２プレート７と、熱交換ユニット５と隣設するようにスタック２の下側に配置された放熱冷却機能を有するラジエータ８と、本実施例に係る燃料電池装置において発生した熱を熱交換して回収する貯湯水を流す貯湯装置９とを有する。
【００１５】
図１に示すように、燃料電池１は、プロトン伝導膜で形成された固体高分子膜形の電解質層１ａと、電解質層１ａの厚み方向の片側に配置され燃料含有ガス（水素含有ガス、燃料含有物質）が供給される燃料極１ｂと、電解質層１ａの厚み方向の他の片側に配置され空気（酸化剤含有物質）が供給される空気極（酸化剤極）１ｃと、燃料極１ｂに燃料含有ガスを供給する溝をもつ燃料極１ｂ側のセパレータ１ｅと、空気極１ｃに空気を供給する溝をもつ空気極１ｃ側のセパレータ１ｆとを有する。燃料極１ｂは、白金等の触媒物質を有する触媒層と、導電性及びガス透過性を有する多孔質のガス拡散層とで形成されている。空気極１ｃは、白金等の触媒物質を有する触媒層と、導電性及びガス透過を有する多孔質のガス拡散層とで形成されている。
【００１６】
図１に示すように貯湯装置９が設けられている。貯湯装置９は、燃料電池装置の熱を回収して温水として保持し、温水を他の用途の使用に提供するものである。貯湯装置９は、水を貯留する貯湯槽１０と、貯湯槽１０の出口１１と入口１２とを繋ぐ熱回収通路１３と、熱回収通路１３に設けられた貯湯水用の第１ポンプ１４（貯湯水搬送手段）とを有する。第１ポンプ１４が駆動すると、貯湯槽１０の水は貯湯水として出口１１から吐出され、熱回収通路１３、ラジエータ８を経て熱交換ユニット５の入水口５０ｉに供給され、熱交換ユニット５で熱交換されて昇温される。更に昇温された貯湯水は、熱交換ユニット５の出水口５０ｈを経て、更に熱回収通路１３を経て貯湯槽１０の入口１２に帰還される。このように貯湯槽１０の水は、熱交換ユニット５の入水口５０ｉに供給される前に放熱用のラジエータ８に供給されてラジエータ８で冷却されるため、熱交換ユニット５における冷却機能、熱交換機能を確保するのに有利である。
【００１７】
図１に示すように、第１プレート６のうち熱交換ユニット５の側部に対面する下部６ｄには、貯湯装置９の貯湯水を搬送する第１ポンプ１４と、スタック２の内部の冷却路２ｙに電池冷却水を循環させてスタック２を冷却する電池冷却水用の第２ポンプ２０とが取り付けられている。また図１に示すように、第１プレート６の下部６ｄには第１開閉バルブ２１、第２開閉バルブ２２が取り付けられていると共に、第１プレート６のうちスタック２の側部と対面する上部６ｕには第３開閉バルブ２３、第４開閉バルブ２４が取り付けられている。
【００１８】
更に説明を加える。図２は熱交換ユニット５付近の概念構成を概略的に示す。図２に示すように、燃料電池１に供給される前の、つまり発電前の燃料含有ガスに含まれている水分及び熱を除去して回収する第１熱交換器５１が設けられている。また、スタック２から吐出された発電後の燃料オフガスに含まれている水分及び熱を除去して回収する第２熱交換器５２が設けられている。また図２に示すように、スタック２の空気出口から吐出された発電後の空気オフガス（酸化剤オフガス）に含まれている水分及び熱を除去して回収する第３熱交換器５３が設けられている。また、図２に示すように、スタック２に供給されて燃料電池１を冷却した後にスタック２から吐出された電池冷却水の熱を回収する第４熱交換器５４が設けられている。また、改質器２５から排出された燃焼排ガスに含まれている水分及び熱を回収する第５熱交換器５５が設けられている。
【００１９】
図３は熱交換ユニット５の内部構造付近の概念構成を更に示す。図３に示すように熱交換ユニット５は積層構造体５０を主体としている。積層構造体５０の積層方向（矢印Ｘ方向）の始端５０ａ側には、貯湯装置９の貯湯水を積層構造体５０に入水させる入水口５０ｉが設けられている。積層構造体５０の積層方向（矢印Ｘ方向）の終端５０ｂ側には、積層構造体５０を通過した貯湯水を積層構造体５０から貯湯装置９の貯湯槽１０に出水する出水口５０ｈが設けられている。
【００２０】
図３に示すように、熱交換ユニット５の積層構造体５０は、これの始端５０ａ側から終端５０ｂ側にかけて、つまり矢印Ｘ１方向に沿って、第２熱交換器５２、第５熱交換器５５、第１熱交換器５１、第３熱交換器５３、第４熱交換器５４が順に直列状態に積層されて一体化されて構成されている。熱交換ユニット５の積層構造体５０においては、貯湯装置９から熱回収のために送られた貯湯水は、基本的には、これの始端５０ａ側から終端５０ｂ側にかけて、つまり矢印Ｘ１方向に沿って流れる。従って図２及び図３から理解できるように、第１ポンプ１４の駆動により、貯湯装置９の貯湯槽１０から送られた貯湯水は、基本的には、第２熱交換器５２、第５熱交換器５５、第１熱交換器５１、第３熱交換器５３、第４熱交換器５４の順に流れ、出水口５０ｈから貯湯槽１０に向けて吐出される。
【００２１】
なお、図２において、第２熱交換器５２の貯湯水を９ａとして示す。第５熱交換器５５の貯湯水を９ｂとして示す。第１熱交換器５１の貯湯水を９ｃとして示す。第３熱交換器５３の貯湯水を９ｄとして示す。第４熱交換器５４の貯湯水を９ｅとして示す。ここで図２に示す熱交換ユニット５の積層構造体５０において、貯湯水としては、９ａ→９ｂ→９ｃ→９ｄ→９ｅの順に流れるものである。
【００２２】
図２に示す改質器２５では、図略の燃料源から供給された燃料により燃焼が発生し、蒸発部が高温に維持される。高温の蒸発部では図略の給水源から原料水が供給され、水蒸気が生成される。燃料源から供給された燃料と水蒸気とが混合すると、改質反応が生じ、水素を含有する改質ガスである燃料含有ガスが改質器２５において生成される。
【００２３】
燃料電池装置が運転されるときには、周知のように、改質器２５で改質された燃料含有ガスがスタック２の燃料極１ｂに供給される。更に、空気が空気ファン４の作動によりスタック２の空気極１ｃに供給される。燃料含有ガス及び空気は、スタック２の燃料電池１内で発電反応に使用される。
【００２４】
上記したように燃料電池装置が運転される際には、貯湯装置９の貯湯槽１０に貯留されている貯湯水は、第１ポンプ１４の駆動により、熱回収通路１３を経て熱交換ユニット５の積層構造体５０の入水口５０ｉから積層構造体５０の内部に入水される。貯湯水は、熱交換ユニット５内を９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅとして通過する際に次第に昇温される。昇温された貯湯水は、積層構造体５０の出水口５０ｈから出水され、熱回収通路１３を経て貯湯装置９の貯湯槽１０に温水として戻る。このように貯湯装置９の貯湯水は積層構造体５０を流れる間に次第に昇温される。即ち、貯湯水は、熱交換ユニット５の入水口５０ｉから出水口５０ｈに向かうにつれて次第に昇温される。このように燃料電池装置が運転される際に発生した熱は、貯湯装置９の貯湯槽１０に温水として回収される。
【００２５】
従って本実施例によれば、貯湯装置９の貯湯槽１０から搬送された貯湯水が熱交換ユニット５の積層構造体５０内を流れるとき、貯湯水の温度については、熱交換ユニット５の入水口５０ｉの側（上流側）は熱交換ユニット５において相対的に低温であり、熱交換ユニット５の出水口５０ｈの側（下流側）は熱交換ユニット５において相対的に高温である。
【００２６】
固体高分子形の燃料電池１は、一般的には８０〜１００℃程度の温度範囲で作動される。燃料電池装置の運転の際には、燃料電池１の作動温度が過剰に高温になると、発電性能が低下する。そこで燃料電池装置が運転される際には、第２ポンプ２０が駆動してスタック２の冷却路２ｙ（図１参照）に電池冷却水が供給され、これによりスタック２が冷却され、スタック２の過熱が防止される。スタック２を冷却した電池冷却水は、図２に示すように、第４熱交換器５４の上部の第４入口５４ｓから第４熱交換器５４の第４熱交換路５４ｒ内に流入し、貯湯装置９からの貯湯水９ｅと熱交換されて冷却され、第４熱交換器５４の下部の第４出口５４ｐから外方に吐出される。このように電池冷却水はスタック２の冷却路２ｙを循環するため、スタック２の過熱が抑えられ、燃料電池１の発電性能が確保される。
【００２７】
ここで、燃料電池１に供給される電池冷却水は過剰に低温であると、燃料電池１を過剰に冷却してしまい、燃料電池１における本来の発電性能が充分に得られないおそれがある。そこで本実施例によれば、燃料電池１を冷却する電池冷却水の熱を回収する第４熱交換器５４は、図２及び図３に示すように、熱交換ユニット５の積層構造体５０の積層方向の最も出水口５０ｈ側（下流側）に、つまり、積層構造体５０のうち最も高温側に配置されている。このようにすれば、スタック２を冷却する電池冷却水は、積層構造体５０のうち高温側の貯湯水９ｅと熱交換されるため、スタック２を冷却する電池冷却水の過剰低温化は抑えられる。ひいては、燃料電池１の過剰冷却が抑えられ、燃料電池１の発電性能の確保に貢献できる。
【００２８】
また、発電後の空気オフガスはスタック２の空気出口から吐出される。発電後の空気オフガスはその水蒸気量が多く、湿度がかなり高い。燃料電池１の空気極１ｃにおいて発電反応に基づいて水が生成されるためである。従って、発電後の空気オフガスは一般的には飽和蒸気状態またはほぼ飽和蒸気状態であり、湿度１００％または１００％に近い状態である。このため発電後の空気オフガスを少し冷却するだけでも、スタック２から吐出された発電後の空気オフガスから凝縮水を生成して回収できる。このため貯湯水は、空気オフガスの温度よりも低ければ、積層構造体５０のうちで相対的に高温であるときであっても、発電後の空気オフガスから水分を熱交換により除去して回収できる。このため本実施例によれば、発電後の空気オフガスは、スタック２から吐出された後に、積層構造体５０のうち第３熱交換器５３の上部の第３入口５３ｓから第３熱交換器５３の第３熱交換路５３ｒ内に流入し、第３熱交換器５３内で貯湯水９ｄと熱交換されて冷却され、第３熱交換器５３の下部の第３出口５３ｐから外方に排出される。このように積層構造体５０の第３熱交換器５３において発電後の空気オフガスから凝縮水が生成される。凝縮水は第３熱交換器５３の底に貯留され、底から回収される。ここで、図２に示すように、第３熱交換器５３は、積層構造体５０のうち第４熱交換器５４よりも入水口５０ｉ側（上流側）に配置されている。
【００２９】
また、スタック２の燃料出口から吐出された発電後の燃料オフガスの温度は、燃料電池１の作動温度相当か、あるいは、それよりもやや低い温度である。このため、発電後の燃料オフガスからの水分回収、熱回収を行うためには、発電後の燃料オフガスと熱交換する貯湯水の温度は、相対的に低温であることが好ましい。そこで本実施例によれば、発電後の燃料オフガスに含まれている水分及び熱を回収するため、図２に示すように、発電後の燃料オフガスは、第３開閉バルブ２３を経て、積層構造体５０の第２熱交換器５２の上部の第２入口５２ｓから第２熱交換器５２内に流入され、第２熱交換器５２の第２熱交換路５２ｒ内において貯湯水９ａと熱交換されて冷却され、第２熱交換器５２の下部の第２出口５２ｐから吐出される。これにより発電後の燃料オフガスから第２熱交換器５２において凝縮水が生成されて回収されると共に、発電後の燃料オフガスから熱が貯湯水に回収される。ここで、発電後の燃料オフガスに含まれている水分及び熱を回収する第２熱交換器５２は、図２及び図３に示すように、積層構造体５０のうち最も入水口５０ｉ側（上流側）、つまり相対的に最も低温側に配置されている。その理由としては、スタック２の燃料出口から吐出される発電後の燃料オフガスの温度は低いため、発電後の燃料オフガスからの水分回収、熱回収を行うためには、貯湯水の温度はできるだけ低温であることが好ましいからである。なお、発電後の燃料オフガスは未燃焼成分を有するため、熱交換ユニット５で水分及び熱が回収された後に、改質器２５に送られ、改質器２５の燃焼器で燃焼されて再利用される。
【００３０】
図４は、第１プレート６付近を模式的に示す。図４には、熱交換ユニット５を構成する共通プレート６０が示されている。共通プレート６０は、第１熱交換器５１、第２熱交換器５２、第３熱交換器５３、第４熱交換器５４、第５熱交換器５５を構成する要素である。共通プレート６０は四角形状をなす薄いシート形状であり、熱伝導性及び耐食性に優れた金属で形成されている。図４に示すように、熱交換用の共通プレート６０の一方の表面及び他方の表面の中央域には、多数の膨出壁６０ａ及び多数の陥没壁６０ｂが交互に繰り返して形成されており、熱交換機能を高めるように熱交換面積が増加している。
【００３１】
図４に示すように、共通プレート６０の一方の表面及び他方の表面の周縁に沿って、凹状または凸状のシール係合部６１が形成されている。図４に示すように、熱交換用の共通プレート６０の上辺部６０ｕには、一端から他端にかけて、第４入口５４ｓ、第１出口５１ｐ、第２入口５２ｓ、第５入口５５ｓ、第３入口５３ｓが厚み方向に貫通して順に形成されており、且つ、出水口５０ｈに連通する連通路５０ｈｏが厚み方向に貫通して形成されている。
【００３２】
また図４に示すように、熱交換用の共通プレート６０の下辺部６０ｄには、一端から他端にかけて、入水口５０ｉに連通する連通路５０ｉｏ、第３出口５３ｐ、第５出口５５ｐ、第２出口５２ｐ、第１入口５１ｓ、第４出口５４ｐが厚み方向に貫通して順に形成されている。
【００３３】
図４にハッチングを付して示すように、ゴムまたは樹脂等の軟質シール材料で形成された四角枠形状をなすシール枠６２が設けられている。シール枠６２はシール係合部６１に嵌めた状態で取り付けられ、共通プレート６０に保持されるものであり、図５に示すように積層方向（矢印Ｘ方向）において隣接する共通プレート６０間をシールする。
【００３４】
図６にハッチングを付して示すように、燃料含有ガス用の第１熱交換器５１に装備されるシール枠６２には、第１入口５１ｓ及び第１出口５１ｐに対面する部分に切欠部６５ａが形成されている。この結果、燃料含有ガスが矢印Ｍ１方向（上向き）に通過できるように、第１入口５１ｓ及び第１出口５１ｐが第１熱交換路５１ｒに連通している。
【００３５】
図７に示すように、電池冷却水用の第４熱交換器５４に装備されるシール枠６２には、第４入口５４ｓ及び第４出口５４ｐに対面する部分には切欠部６５ｂが形成されている。この結果、電池冷却水が矢印Ｍ４方向（下向き）に通過できるように、第４入口５４ｓ及び第４出口５４ｐが第４熱交換路５４ｒに連通している。
【００３６】
図８に示すように、燃料オフガス用の第２熱交換器５２に装備されるシール枠６２には、第２入口５２ｓ及び第２出口５２ｐに対面する部分には切欠部６５ｃが形成されている。この結果、燃料オフガスが矢印Ｍ２方向（下向き）に通過できるように、第２入口５２ｓ及び第２出口５２ｐが第２熱交換路５２ｒに連通している。
【００３７】
図９に示すように、空気オフガス用の第３熱交換器５３に装備されるシール枠６２には、第３入口５３ｓ及び第３出口５３ｐに対面する部分には切欠部６５ｄが形成されている。この結果、空気オフガスが矢印Ｍ３方向（下向き）に通過できるように、第３入口５３ｓ及び第３出口５３ｐを第３熱交換路５３ｒに連通させている。
【００３８】
図１０に示すように、燃焼排ガス用の第５熱交換器５５に装備されるシール枠６２には、第５入口５５ｓ及び第５出口５５ｐに対面する部分には切欠部６５ｅが形成されている。この結果、燃焼排ガスが矢印Ｍ５方向（下向き）に通過できるように、第５入口５５ｓ及び第５出口５５ｐを第５熱交換路５５ｒに連通させている。
【００３９】
図１１に示すように、貯湯水を通過させる通路を形成するシール枠６２Ｂが共通プレート６０の裏面側に装備されている。シール枠６２Ｂにおいて、入水口５０ｉに繋がる連通路５０ｉｏ、出水口５０ｈに繋がる連通路５０ｈｏに対面する部分には切欠部６５ｆが形成されている。この結果、貯湯水等の流体が矢印Ｍ６方向に沿って通過できるように、連通路５０ｉｏ、５０ｈｏが連通している。なお、図１１は貯湯水が下から上向きに流れる形態を示すが、図３に示すように貯湯水が上から下向きに流れる形態もある。
【００４０】
（実施例の主な特徴）
次に本実施例に係る主な特徴について図１２〜図１６を参照して説明を加える。図１２は第１プレート６の概念を模式的に示す（細部は一部省略）。図１３は第１プレート６の内部構造を示し、図１２のＸ３−Ｘ３線に沿った矢視図である。図１４は第１プレート６の内部構造を示し、図１２のＸ４−Ｘ４線に沿った矢視図である。図１５は第１プレート６の内部構造を示し、図１２のＸ５−Ｘ５線に沿った矢視図である。図１６は第１プレート６の内部構造を示し、図１２のＸ６−Ｘ６線に沿った矢視図である。
【００４１】
図１２〜図１６に示すように、第１プレート６は、第１合わせ面６１ａをもつ板状または盤状の第１積層プレート６１０と、第１合わせ面６１ａに対面する第２合わせ面６２ａをもつ板状または盤状の第２積層プレート６２０と、第２積層プレート６２０に対面する第３合わせ面６３ａをもつ板状または盤状の第３積層プレート６３０とを有する。そして、図１３、図１６に示すように、第１合わせ面６１ａ及び第２合わせ面６２ａが合わさるように、第１積層プレート６１０及び第２積層プレート６２０は厚み方向に積層されている。第１積層プレート６１０の透孔６１ｒ及び第２積層プレート６２０の透孔６２ｒにボルト状の連結具６５が挿通されている。この連結具６５の先端６５ｒがスタック２または熱交換ユニット５の螺子孔２ｒに螺着されている。これにより第１積層プレート６１０及び第２積層プレート６２０がスタック２の端面に一体的に連結されている。なお、第１積層プレート６１０は、スタック２に対面して当接する当接面６１ｍと、熱交換ユニット５に対面して当接する当接面６１ｎとを有する。
【００４２】
図１３〜図１６に示すように、第１積層プレート６１０の第１合わせ面６１ａと第１積層プレート６１０の第２合わせ面６２ａとの境界域に、ゴムまたは樹脂等のシール材料で形成されたシール部材６７（図面では模式化して示す）が介在しており、境界域からのガス漏れ及び水漏れが防止されている。
【００４３】
図１６に示すように、第２積層プレート６２０及び第３積層プレート６３０は厚み方向に積層され、ボルト状の連結具６６により両者は一体的に連結されている。第２積層プレート６２０の合わせ面６２ｂと第３積層プレート６３０の合わせ面６３ａとが合わさっている。第２積層プレート６２０の合わせ面６２ｂ及び第３積層プレート６３０の合わせ面６３ａの境界域は、水やガスが漏れないようにシール部材でシールされている。第１積層プレート６１０、第２積層プレート６２０、第３積層プレート６３０はそれぞれ、ガスが透過しにくいように、ガスバリヤ性の高い樹脂で型成形により成形されている。この樹脂としてはノリル樹脂を例示でき、他の樹脂でも良い。なお、連結具６５，６６を外せば、第１積層プレート６１０、第２積層プレート６２０、第３積層プレート６３０は分離可能とされている。
【００４４】
図１２から理解できるように、第２積層プレート６２０の外面に形成された第１取付凹部６２１には、燃料含有ガスを流す第１開閉バルブ２１の着座部が嵌め込まれ、第１取付具６３１により固定されている。第２積層プレート６２０の外面に形成された第２取付凹部６２２には、第２開閉バルブ２２の着座部が嵌め込まれ、第２取付具６３２により固定されている。第２積層プレート６２０の外面に形成された第３取付凹部６２３には、燃料オフガスを流す第３開閉バルブ２３の着座部が嵌め込まれ、第３取付具６３３により固定されている。第２積層プレート６２０の外面に形成された第４取付凹部６２４には、燃料含有ガスを流す第４開閉バルブ２４の着座部が嵌め込まれ、第４取付具６３４により固定されている。なお図１２に示すように、第１開閉バルブ２１、第２開閉バルブ２２、第３開閉バルブ２３、第４開閉バルブ２４は、第２積層プレート６２０に露出した状態で一体的に取り付けられている。
【００４５】
図１３に示すように、第２積層プレート６２０の外面には第５取付凹部６２５、第６取付凹部６２６が形成されている。第５取付凹部６２５には貯湯水用の第１ポンプ１４の着座部が嵌め込まれ、第５取付具６３５により固定されている。第６取付凹部６２６には電池冷却水用の第２ポンプ２０の着座部が嵌め込まれ、第６取付具６３６により固定されている。図１３に示すように、第１ポンプ１４、第２ポンプ２０は第２積層プレート６２０に露出した状態で一体的に取り付けられている。
【００４６】
図１２に示すように、空洞状のリザーバ１００が第１プレート６に内蔵されている。リザーバ１００の上部に形成された注水口１００ｍを開閉するキャップ１００ｎが着脱可能に設けられている。図１４に示すように、リザーバ１００は偏平状をなしており、第１積層プレート６１０と第２積層プレート６２０との境界域に位置している。リザーバ１００は電池冷却水を貯留するものであり、リザーバ１００の周囲は、水漏れを抑えるべく、シール部材６７（６７ａ）によりシールされている。
【００４７】
図１２に示すように、スタック２に供給される発電前の燃料含有ガスが流れる燃料通路１０２が、第２開閉バルブ２２と第４開閉バルブ２４との間に位置するように第１プレート６の内部に空洞状に内蔵されている。即ち、燃料通路１０２は、図１４に示すように、熱交換ユニット５の第１出口５１ｐに連通するように第１積層プレート６１０に形成された空洞部１０２ａと、第２積層プレート６２０に形成された空洞部１０２ｂと、第２積層プレート６２０と第３積層プレート６３０の境界域に形成された空洞部１０２ｃと、第２積層プレート６２０に形成された空洞部１０２ｄと、スタック２に燃料含有ガスを供給すべく第１積層プレート６１０に形成されスタック２に向かう空洞部１０２ｅとを有する。
【００４８】
図１４に示すように、燃料通路１０２及びリザーバ１００は、第１プレート６を構成する第１積層プレート６１０及び第２積層プレート６２０の積層方向（矢印Ｐ１方向）において、重合状態に形成されており、互いに隣設されている。
【００４９】
燃料電池の通常の運転時に燃料含有ガスをスタック２に供給するときには、第２開閉バルブ２２を閉鎖すると共に、第４開閉バルブ２４を開放する。すると、熱交換ユニット５の第１出口５１ｐから吐出された燃料含有ガスは燃料通路１０２、第４開閉バルブ２４を経てスタック２に供給される。なお、燃料電池装置の起動直後では、改質器２５の温度が充分ではなく、燃料含有ガスは発電に充分なガス組成となっていないことが多いため、起動直後の燃料含有ガスはスタック２に供給しないことが好ましい。故に起動直後においては、第４開閉バルブ２４を閉鎖すると共に、第２開閉バルブ２２を開放し、燃料含有ガスを第２開閉バルブ２２を経て改質器２５に戻す。
【００５０】
図１２に示すように、スタック２から吐出された発電後の燃料オフガスが流れる燃料オフガス通路１０４が第１プレート６の内部に空洞状に内蔵されている。即ち、図１５に示すように、燃料オフガス通路１０４は、熱交換ユニット５の第２入口５２ｓに連通するように第１積層プレート６１０に形成された空洞部１０４ａと、第２積層プレート６２０に形成された空洞部１０４ｂと、第２積層プレート６２０と第３積層プレート６３０との境界域に形成された空洞部１０４ｃと、第２積層プレート６２０に形成された空洞部１０４ｄと、スタック２に連通するように第１積層プレート６１０に形成された空洞部１０４ｅとを有する。
【００５１】
図１２に示すように、貯湯槽１０に貯留されている貯湯水が流れる貯湯水通路１０６が第１プレート６の内部に空洞状に内蔵されている。即ち、図１３に示すように、貯湯水通路１０６は、熱交換ユニット５の出水口５０ｈに連通するように第１積層プレート６１０に形成された空洞部１０６ａと、第１積層プレート６１０に形成された空洞部１０６ｂと、第２積層プレート６２０に形成された空洞部１０６ｃとを有する。
【００５２】
図１２に示すように、スタック２を冷却する電池冷却水が流れる電池冷却水通路１０７、１０８が第１プレート６の内部に空洞状に内蔵されている。即ち、図１３に示すように、電池冷却水通路１０７は、熱交換ユニット５の第４出口５４ｐに連通するように第１積層プレート６１０に形成された空洞部１０７ａと、第１積層プレート６１０と第２積層プレート６２０との境界域に形成された空洞部１０７ｂとを有する。また図１６に示すように、電池冷却水通路１０８は、熱交換ユニット５の第４入口５４ｓに連通するように第１積層プレート６１０に形成された空洞部１０８ａを有する。なお、上記した燃料通路１０２、燃料オフガス通路１０４、電池冷却水通路１０７、１０８、貯湯水通路１０６の内壁面は、樹脂製の第１プレート６の樹脂面で形成されているが、場合によっては無電解メッキ被膜などの被膜を積層させても良い。
【００５３】
（実施例の主効果）
以上の説明から理解できるように本実施例によれば、発電前の燃料含有ガスが流れる燃料通路１０２と、発電後の燃料オフガスが流れる燃料オフガス通路１０４と、電池冷却水が流れる電池冷却水通路１０７、１０８と、貯湯水が流れる貯湯水通路１０６とは、第１プレート６の内部に空洞状に内蔵されている。つまり、燃料通路１０２と、発電後の燃料オフガスが流れる燃料オフガス通路１０４と、電池冷却水が流れる電池冷却水通路１０７、１０８と、貯湯水が流れる貯湯水通路１０６とは、第１プレート６を構成する第１積層プレート６１０と第２積層プレート６２０（または第３分割プレート６３０）との境界域に空洞状に内蔵されているため、配管スペースが少なくて済み、燃料電池装置の小型化に有利となる。
【００５４】
更に本実施例によれば、配管スペースが少なくて済むと共に、配管が少なくて済むため、部品点数の削減を図り得、部品コストの低減、組み付けコストの低減に有利となる。更に本実施例によれば、上記した通路１０２、１０４、１０７、１０８、１０６は第１プレート６の内部に隠蔽状態に内蔵されているため、外部に露出する配管が少なくなり、外観見栄えの向上も図り得る。
【００５５】
更に本実施例によれば、第１プレート６を形成する第１積層プレート６１０と第２積層プレート６２０との境界域に、電池冷却水を貯留するリザーバ１００が空洞状に内蔵されているため、リザーバ１００が第１プレート６の内部に隠蔽され、燃料電池装置の小型化に一層有利となる。このようにリザーバ１００が第１プレート６に内蔵されているため、リザーバ１００に繋ぐ配管も短縮または廃止され、燃料電池装置の小型化に一層有利となる。
【００５６】
更に本実施例によれば、第１開閉バルブ２１〜第４開閉バルブ２４、電池冷却水用のポンプ２０、貯湯水用のポンプ１４は、第１プレート６に組み付けられているため、これらの配管スペースが一層短くなり、燃料電池装置の小型化に一層有利となる。
【００５７】
加えて本実施例によれば、図２、図３に示すように、熱交換ユニット５を構成する積層構造体５０は、これの始端５０ａ側から終端５０ｂ側にかけて、つまり矢印Ｘ１方向に沿って、第２熱交換器５２、第５熱交換器５５、第１熱交換器５１、第３熱交換器５３、第４熱交換器５４が順に積層されて集中的に一体化されて構成されている。このため各熱交換器５１〜５５を繋ぐ配管の構造、長さが簡略化されると共に、配管スペースが小さくなり、スペース効率が向上し、燃料電池装置の小型化に一層有利である。また各熱交換器５１〜５５を繋ぐ配管の長さが短縮化されるため、各熱交換器５１〜５５を繋ぐ配管からの放熱が少なくて済み、熱交換ユニット５による熱回収量を増加させるのに有利となる。また各熱交換器５１〜５５を繋ぐ配管の構造が簡略化されるため、部品点数が減少し、部品コストが低減されると共に、組み付けコストが低減される。
【００５８】
また燃料電池１が熱交換ユニット５の積層構造体５０よりも上側に位置すれば、災害や事故等により浸水等があったとしても、白金などの触媒物質を有しており高価な燃料電池１に対する保護性が高められる。更に、貯湯水を熱交換ユニット５に入水させる前に貯湯水を冷却するラジエータ８が設けられており、図１に示すように、熱交換ユニット５の積層構造体５０はラジエータ８に隣設されている。このように熱交換ユニット５の積層構造体５０がラジエータ８に隣設されていれば、熱交換ユニット５に入水させる前の貯湯水をラジエータ８で冷却できる。従って熱交換ユニット５の熱交換機能が良好に確保される。
【００５９】
（その他）上記した実施例によれば、電池冷却水通路１０７、１０８、貯湯水通路１０６、燃料通路１０２、燃料オフガス通路１０４は、第１プレート６に内蔵されているが、これに限らず、この中の一つ、または２つ、または３つが第１プレート６に内蔵することにしても良い。熱交換ユニット５は上記した構造に限定されるものではないことは勿論である。上記した実施例によれば、定置形の燃料電池装置に適用しているが、これに限らず、車両搭載用の燃料電池に適用することもできる。本発明は上記した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
（付記項１）電解質層と前記電解質層の片側に配置され燃料含有物質が供給される燃料極と前記電解質層の他の片側に配置され酸化剤含有物質が供給される酸化剤極とを有する燃料電池を積層したスタックと、
前記スタックに付設されたプレートと、
前記スタックを冷却する電池冷却水が流れる通路とを具備しており、
電池冷却水を貯留するリザーバが前記プレートの内部に空洞状に設けられていることを特徴とする燃料電池装置。この場合、リザーバがプレートの内部に空洞状に設けられているため、部品点数の削減、配管スペースの低減に有利である。（付記項２）電解質層と前記電解質層の片側に配置され燃料含有物質が供給される燃料極と前記電解質層の他の片側に配置され酸化剤含有物質が供給される酸化材極とを有する燃料電池のセルを積層したスタックと、
前記スタックに付設されたプレートと、
開放に伴い前記スタックに燃料含有物質を供給する開閉バルブと、
前記スタックに電池冷却水を流して燃料電池を冷却する電池冷却水用のポンプと、
電池冷却水、燃料オフガス及び空気オフガスのうちの少なくとも一方が流れる熱交換ユニットと、
貯湯槽からの水を熱交換ユニットに供給して熱交換により、電池冷却水、燃料オフガス及び空気オフガスのうちの少なくとも一方の熱を回収する貯湯水用のポンプとを具備しており、前記開閉バルブ、前記電池冷却水用のポンプ及び前記貯湯水用のポンプは、前記プレートに組み付けられていることを特徴とする燃料電池装置。開閉バルブ、電池冷却水用のポンプ及び貯湯水用のポンプは、プレートに組み付けられているため、これらの配管スペースが短くなり、燃料電池装置の小型化に有利となり、コスト低減に貢献できる。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、発電前の燃料含有物質が流れる通路と、発電前の酸化剤含有物質が流れる通路、発電後の燃料オフガスが流れる通路、発電後の酸化剤オフガスが流れる通路と、スタックを冷却する電池冷却水が流れる通路とのうちの少なくとも一つが、プレートの内部に空洞状に内蔵されているため、プレート外の配管スペースが少なくて済み、燃料電池装置の小型化に貢献できる。
【００６１】
本発明によれば、電池冷却水を貯留するリザーバがプレートの内部に空洞状に設けられている場合には、プレート外の配管スペースが一層少なくて済み、燃料電池装置の小型化に一層貢献できる。
【００６２】
本発明によれば、プレートは、少なくとも、合わせ面をもつ複数の積層プレートを厚み方向に積層して形成されており、発電前の燃料含有物質が流れる通路と、発電前の酸化剤含有物質が流れる通路、発電後の燃料オフガスが流れる通路、発電後の酸化剤オフガスが流れる通路と、スタックを冷却する電池冷却水が流れる通路とのうちの少なくとも一つが、積層プレート間の合わせ面の境界域に空洞状に形成されており、積層プレート間の合わせ面の境界域に空洞状に形成されている当該通路を流れる流体が、積層プレート間の境界域の合わせ面に沿って流れるように形成されている。この場合には、プレート外の配管スペースが少なくて済み、燃料電池装置の小型化に貢献できる。
【００６３】
本発明によれば、スタックに燃料含有物質を供給する開閉バルブと、スタックから燃料含有物質を排出する開閉バルブと、スタックに電池冷却水を流して燃料電池を冷却する電池冷却水用のポンプとが設けられており、開閉バルブ、電池冷却水用のポンプのうちの少なくとも一つが、その着座部が前記プレートの凹部に嵌め込まれた状態で組み付けられている。この場合には、プレート外の配管スペースが一層少なくて済み、燃料電池装置の小型化に一層貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池装置の側面図である。
【図２】熱交換ユニットの積層構造体付近の構成図である。
【図３】熱交換ユニットの積層構造体付近の構成図である。
【図４】第１プレートを熱交換ユニットと共に模式的に示す構成図である。
【図５】熱交換ユニットの積層構造体の要部の断面図である。
【図６】熱交換ユニットの積層構造体における第１熱交換器の主要部を示す正面図である。
【図７】熱交換ユニットの積層構造体における第４熱交換器の主要部を示す正面図である。
【図８】熱交換ユニットの積層構造体における第２熱交換器の主要部を示す正面図である。
【図９】熱交換ユニットの積層構造体における第３熱交換器の主要部を示す正面図である。
【図１０】熱交換ユニットの積層構造体における第５熱交換器の主要部を示す正面図である。
【図１１】熱交換ユニットの積層構造体における熱交換器の貯湯水が流れる通路部分を示す正面図である。
【図１２】第１プレートの概念を模式的に示す正面図である。
【図１３】図１２のＸ３−Ｘ３線に沿った矢視図である。
【図１４】図１２のＸ４−Ｘ４線に沿った矢視図である。
【図１５】図１２のＸ５−Ｘ５線に沿った矢視図である。
【図１６】図１２のＸ６−Ｘ６線に沿った矢視図である。
【符号の説明】
図中、１は燃料電池、２はスタック、５は熱交換ユニット、９は貯湯装置、１０は貯湯槽、１４は第１ポンプ（貯湯水用のポンプ）、２０は第２ポンプ（電池冷却水用のポンプ）、２５は改質器、６は第１プレート、６１０は第１分割プレート、６２０は第２分割プレート、６３０は第３分割プレート、６１ａは第１合わせ面、６２ａは第２合わせ面、１００はリザーバ、１０２は燃料通路、１０４は燃料オフガス通路、１０６は貯湯水通路、１０７は電池冷却水通路を示す。

Claims (4)

1. 電解質層と前記電解質層の片側に配置され燃料含有物質が供給される燃料極と前記電解質層の他の片側に配置され酸化剤含有物質が供給される酸化剤極とを有する燃料電池を積層したスタックと、
   前記スタックを挟むように付設されたプレートと、
   発電前の燃料含有物質が流れる通路と、発電前の酸化剤含有物質が流れる通路、発電後の燃料オフガスが流れる通路、発電後の酸化剤オフガスが流れる通路と、前記スタックを冷却する電池冷却水が流れる通路とを具備しており、
   前記プレートは、少なくとも、合わせ面をもつ複数の積層プレートを厚み方向に積層して形成されており、且つ、
   前記複数の通路のうちの少なくとも一つが前記複数の積層プレート間の境界域に空洞状に形成されており、
   前記積層プレート間の境界域に空洞状に形成されている当該通路を流れる流体が、前記積層プレート間の境界域の前記合わせ面の延設方向に沿って流れるように形成されており、
   前記燃料含有物質を前記スタックに供給する開閉バルブ、前記燃料含有物質を前記スタックから排出する開閉バルブおよび前記電池冷却水を前記スタックに流して前記スタックを冷却する電池冷却水用のポンプのうちの少なくとも一方は、その着座部が前記プレートに嵌め込まれた状態で組み付けられていることを特徴とする燃料電池装置。
2. 請求項１において、電池冷却水を貯留するリザーバが前記プレートの内部に空洞状に設けられていることを特徴とする燃料電池装置。
3. 請求項１または請求項２において、発電前の燃料含有物質、発電前の酸化剤含有物質、発電後の燃料オフガス、発電後の酸化剤オフガス、電池冷却水のうちの少なくとも一方が流れる熱交換器ユニットが設けられており、
   前記プレートは前記スタック及び前記熱交換ユニットを連結していることを特徴とする燃料電池装置。
4. 請求項３において、貯湯水を前記熱交換ユニットに流して熱交換を行う貯湯水用のポンプが設けられており、
   前記貯湯水用のポンプは、その着座部が前記プレートに嵌め込まれた状態で組み付けられていることを特徴とする燃料電池装置。

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