JP5220097B2 - 燃料電池モジュールおよび燃料電池装置 - Google Patents
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Description
また、セルスタックを収納する発電室の上方に空気室を設け、空気室よりセルスタック間に空気を挿入するように空気導入管が設けられている収納容器(例えば、特開2007−242626号公報参照)等が提案されている。
特開2007−59377号公報および特開2007−242626号公報に示された従来の収納容器においては、発電室内に複数のセルスタックを収納する場合にあたっては好適な収納容器となるが、発電室内にセルスタックを1つだけ収納する場合においては、反応ガス導入部材や空気導入管が収納容器の上方より垂下して配置されているため、無駄な空間を生じることとなり、燃料電池モジュールが大型化するという問題がある。またセルスタックの一方側より反応ガスを供給するため、発電効率の点で改善の余地がある。
本発明の燃料電池モジュールは、内部にガス流路を有する柱状の燃料電池セルを複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるセルスタックを直方体状の収納容器内に設けられた発電室内に収納してなる燃料電池モジュールである。前記収納容器は、前記セルスタックを構成する前記燃料電池セルの配列方向に沿う側部と該側部に対向する前記収納容器の外壁との間に、該収納容器の前記外壁と該外壁の内側に所定間隔をあけて配置された第1の壁との間に形成され、前記収納容器の下方側より供給される反応ガスを上方へ流すための第1の流路と、前記第1の壁の内側に所定間隔をあけて配置された第2の壁と該第2の壁の内側に所定間隔をあけて配置された第3の壁との間に形成され、前記第1の流路を通って上方に流れた反応ガスを下方へ流して前記発電室内へ供給するための第2の流路と、前記第1の壁と前記第2の壁との間に形成され、前記第1の流路と前記第2の流路との間に設けられた、前記発電室内の排ガスを上方から下方へ流すための第3の流路とを備える。
また、本発明の燃料電池モジュールは、前記収納容器の上壁と該上壁の内側に所定間隔をあけて配置された前記発電室の上壁との間に形成され、前記第1の流路を流れる反応ガスを、前記収納容器の上壁に沿って流した後に、前記第2の流路に供給するための第4の流路を備えるとともに、前記発電室の上方に、該発電室内の排ガスを収集した後、前記第3の流路に流すための排ガス収集室を備える。
さらにまた、本発明の燃料電池モジュールは、前記収納容器の上壁と該上壁の内側に所定間隔をあけて配置された前記発電室の上壁との間に形成され、前記第1の流路を流れた反応ガスを、前記燃料電池セルの配列方向と直交する方向の中央部へ流すための往路と、前記反応ガスを前記往路から折り返して前記第2の流路へ流すための復路とを有してなる第4の流路を備える。
さらにまた、本発明の燃料電池モジュールは、前記収納容器の上壁と該上壁の内側に所定間隔をあけて配置された前記発電室の上壁との間に形成され、前記燃料電池セルの配列方向に沿う一方側に位置する前記第1の流路を流れた反応ガスを、前記燃料電池セルの配列方向と直交する方向に流した後に、前記燃料電池セルの配列方向に沿う他方側に位置する前記第2の流路に流すための第4の流路を備える。
さらにまた、本発明の燃料電池モジュールは、前記第1の壁と前記第2の壁との間および前記第2の壁と前記第3の壁との間のうち少なくとも一方に、前記第2の流路を流れる反応ガスと前記第3の流路を流れる排ガスとの熱交換を抑制するための熱交換抑制部を備える。
また、本発明の燃料電池装置は、外装ケースと、該外装ケース円に収納される、上述した燃料電池モジュールのうちいずれかと、該燃料電池モジュールを作動させるための補機とを含む。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態の燃料電池モジュール1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。
図1に示す燃料電池モジュール1においては、収納容器2の内部に、内部をガスが流通するガス流路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してセルスタック4を構成し、セルスタック4の両端部側にセルスタック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5が配置され、各燃料電池セル3および導電部材5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6に固定してなるセルスタック装置9を収納して構成されている。なお、図1においては収納容器2の内部に、セルスタック4を1つのみ収納する場合を示している。
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を得るために、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7をセルスタック4(燃料電池セル3)の上方に配置している。そして、改質器7で生成された燃料ガスは、燃料ガス流通管8によりマニホールド6に供給され、マニホールド6を介して燃料電池セル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9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る。
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9を後方に取り出した状態を示している。ここで、図1に示した燃料電池モジュール1においては、セルスタック装置9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。
以降において、まず収納容器2内に収納するセルスタック装置9の構成について説明する。
図2は、セルスタック装置9を概略的に示す側面図、図3は図2に示したセルスタック装置9の一部拡大平面図であり、図2で示した鎖線枠で囲った部分を抜粋して示している。さらに、図4は図2で示すセルスタック装置9を概略的に示す平面図であり、燃料電池セル3間に配置される集電部材10を省略して示している。
ここで、改質器7を除くセルスタック装置9は、一対の対向する平坦面をもつ柱状の導電性支持基板14(以下、支持基板14と略す場合がある)の一方の平坦面上に燃料側電極層11、固体電解質層12及び空気側電極層13を順次積層してなる柱状の燃料電池セル3の複数個を、隣接する燃料電池セル3間に集電部材10を介装して電気的に直列に接続してセルスタック4を形成し、燃料電池セル3の下端を、燃料電池セル3に燃料ガスを供給するためのマニホールド6に固定して形成されている。そして、下端がマニホールド6に固定され、燃料電池セル3の配列方向の両端部から集電部材10を介してセルスタック4を挟持するように電流引き出し部を有する導電部材5が配置されている。なお、導電部材5が有する電流引き出し部は、燃料電池セル3の配列方向に沿って、外側に向けて延びた形状として設けられている。なお、図4においては1つのマニホールド6に1つのセルスタック4が配置されている例を示している。
さらに、燃料電池セル3の他方の平坦面上にはインターコネクタ16が設けられており、支持基板14の内部には、燃料電池セル3に反応ガスを流すためのガス流路15が設けられている。なお、図1に示すセルスタック装置9においては、ガス流路15にマニホールド6より燃料ガス(水素含有ガス)を供給する場合の例を示している。
また、インターコネクタ16の外面(上面)にはP型半導体17を設けることもできる。集電部材10を、P型半導体17を介してインターコネクタ16に接続させることにより、両者の接触がオーム接触となり、電位降下を少なくし、集電性能の低下を有効に回避することが可能となる。
また、支持基板14を燃料側電極層11を兼ねるものとし、その表面に固体電解質層12および空気側電極層13を順次積層して燃料電池セル3を構成することもできる。
なお、燃料電池セル3としては、各種燃料電池セルが知られているが、燃料電池モジュール1を収納してなる燃料電池装置を小型化する上で、固体酸化物形燃料電池セルとすることができる。それにより、燃料電池装置を小型化することができるとともに、家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従する負荷追従運転を行なうことができる。なお、燃料電池セル3は一般に知られている材料等を用いて作製することができる。
以上の構成により、マニホールド6上に1列のセルスタック4を配置してなるセルスタック装置9が構成される。そして、このようなセルスタック装置9を収納容器2の内部に収納することにより、燃料電池モジュール1が構成される。
図5は、図1に示す改質器7を抜粋して示す断面図であり、改質器7は、原燃料もしくは水を気化するための気化部19と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒21を備える改質部20とから構成されている。なお、気化部19には原燃料を供給するための原燃料供給管18が接続されており、改質器7において水蒸気改質を行なう場合には、別途水供給管を設けることもできる。なお、原燃料供給管18と水供給管とを二重管として構成することもできる。なお、気化部19と改質部20とは、通気性のある壁で分離されている。
さらに、改質部20(改質器7)の端部側には、改質部20にて生成された燃料ガスをマニホールド6に供給するための燃料ガス流通管8が接続されている。
図6は、図1に示した燃料電池モジュール1を概略的に示す断面図であり、図7は図6で示す収納容器2のうちの側面側および底面側を一部抜粋して示す外観斜視図である。
収納容器2では、外壁22にて収納容器2の外枠が形成され、内部に燃料電池セル3(セルスタック装置9)を収納する発電室29が形成されている。
このような収納容器2においては、セルスタック4を構成する燃料電池セル3の配列方向に沿う両側部と、該両側部に対向する収納容器2の外壁22との間に、反応ガスや排ガスを流すための流路を備えている。
ここで、収納容器2では、外壁22の内側に所定間隔をあけて第1の壁23が形成されており、第1の壁23の内側に所定間隔をあけて第2の壁24が配置されており、さらに第2の壁24の内側に所定間隔をあけて第3の壁25が配置されている。
それにより、外壁22と第1の壁23とで形成された空間が第1の流路26となり、第2の壁24と第3の壁25とで形成された空間が第2の流路27となり、第1の壁23と第2の壁24とで形成された空間が第3の流路28となる。
なお、図6に示した収納容器2においては、第1の壁23の上端が第2の壁24に接続されており、第2の壁24の上端が収納容器2の上壁(外壁22)と接続されており、第3の壁25の上端が第1の壁23と第2の壁24との接続部よりも収納容器2の上壁側にて第2の壁24と接続されている。なお、第3の壁25の上端を収納容器2の上壁と接続させることもできる。
また、収納容器2の底部には、反応ガス(空気)を収納容器2内に供給するための反応ガス供給管30が接続されており、反応ガス供給管30より供給される反応ガスは反応ガス導入部36に流れる。反応ガス導入部36は反応ガス導入口37を介して第1の流路26とつながっているため、反応ガス導入部36を流れる反応ガスは、反応ガス導入口37を通して、第1の流路26に流れる。第1の流路26を上方に向けて流れた反応ガスは、第2の壁24に設けられた反応ガス流通口31を通して、第2の流路27に流れる。そして、第2の流路27を下方に向けて流れた反応ガスは、第3の壁25に設けられた反応ガス吹き出し口33を通して、発電室29内に供給される。なお、燃料電池セル3(セルスタック4)の両側面側および底面に断熱材35が配置されている。
一方、燃料電池セル3より排出される排ガスや、燃料電池セル3の上端部側で余剰の燃料ガスを燃焼させることにより生じる排ガスは、第2の壁24と第3の壁25との間に設けられた排ガス流通路32を通して第3の流路28に流入する。そして、第3の流路28を下方に向けて流れた排ガスは、排ガス収集口39を通して排ガス収集部38に流れた後、排ガス収集部38に接続された排ガス排気管34(図1参照)を通して収納容器2の外部に排気される。
それゆえ、反応ガス供給管30より供給される反応ガスは、反応ガス導入部36を流れる間に、排ガス収集部38を流れる排ガスと熱交換され、第1の流路26を流れる間に、第3の流路28を流れる排ガスと熱交換され、第2の流路27を流れる間に、発電室29内の熱と熱交換されることとなる。
それにより、効率よく反応ガスの温度を高めることができることから、燃料電池セル3の発電効率を向上することができる。
また、図7において、反応ガス流通口31および排ガス流通路32を複数個設けている例を示している。それにより、第1の流路26を流れる反応ガスは、効率よく第2の流路27に流れて発電室29内に供給される。また発電室29内の排ガスは、効率よく第3の流路28を流れて、収納容器2の外部に排気することができる。
なお、セルスタック4(燃料電池セル3)の両側面側に配置されている断熱材35(図中において断熱材35は斜線にて示している)において、反応ガス吹き出し口33に対応して、反応ガスを燃料電池セル3側に流すための孔が設けられている。
そして反応ガス吹き出し口33より発電室29内に供給された空気は、燃料電池セル3の下端側から上端部側に向けて流れることとなり、効率よく燃料電池セル3の発電を行なうことができる。
なお、断熱材35は、収納容器2内の熱が極端に放熱され、燃料電池セル3(セルスタック4)の温度が低下して発電量が低減しないように適宜設けることができ、図6においては、マニホールド6の底部、燃料電池セル3(セルスタック4)の両側面側に設けている例を示している。
なお、図6においては一列のセルスタック4を有するセルスタック装置9を発電室29内に収納した例を示しており、この場合、燃料電池セル3の両側面側より反応ガスが導入されることとなる。
また、図6において、反応ガス供給管30と排ガス排気管34とは、それぞれ位置をずらして設けた例を示しているが、反応ガス供給管30の内部に排ガス排気管34が位置するように設けることもできる。
図8は、図6で示す収納容器2のうちの側面側および底面側を一部抜粋して示す外観斜視図であり、第3の壁25に設けられた反応ガス吹き出し口の他の一例を示している。
図8においては、反応ガスをセルスタック4に導入するための反応ガス吹き出し口40を複数設けており、特に燃料電池セル3の配列方向における中央部側に対応する反応ガス吹き出し口40はその間隔を狭く、燃料電池セル3の配列方向における端部側に対応する反応ガス吹き出し口40はその間隔を広くして設けている。それにより、セルスタック4の中央部側に多くの反応ガスが供給されることで、セルスタック4の燃料電池セル3の配列方向における中央部側の熱を端部側に比べて放熱することができ、セルスタック4の燃料電池セル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。
(第2の実施形態)
図9は、収納容器42内にセルスタック装置9を収納してなる、本発明の第2の実施形態の燃料電池モジュール41を示す外観斜視図である。なお、図9においては、改質器7を収納容器42の上壁の内面に断熱材35を介して接続している。
また、図9に示す燃料電池モジュール41においては、収納容器42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9を後方に取り出した状態を示している。
図10は、図9に示す燃料電池モジュール41の断面図であり、収納容器42の上壁の内面に断熱材35を介して改質器43が接続されている以外は、図6に示した燃料電池モジュール1の断面図と同様である。また、図11は、図9に示した燃料電池モジュール41のうち、セルスタック装置9と、改質器43が接続された収納容器42の上壁44とを抜粋して示した外観斜視図である。
このような燃料電池モジュール41においては、改質器43が燃料電池セル3の上方に配置され、かつ収納容器42の上壁44の内面側に設けられている。具体的には、改質器43は、断熱材35を介して収納容器42の上壁44の内面に接続されている。なお、以下の実施形態において、改質器が収納容器の上壁の内面側に設けられている場合において、同様に改質器は断熱材を介して収納容器の上壁の内面に接続されている例を示している。
ここで、改質器43にて生成された燃料ガスをマニホールド6に供給するための燃料ガス流通管8は、改質器43に接続された改質器側燃料ガス流通管45と、マニホールド6に接続されたマニホールド側燃料ガス流通管46とから構成されている。
ここで、改質器43が上壁44の内面に接続されていることから、燃料電池モジュール41の組み立てにあたり、改質器43の位置決めが容易となるとともに、セルスタック装置9の位置決めも容易となる。それにより、燃料電池モジュール41の組み立てが容易となる。
またこのような燃料電池モジュール41においては、改質器側燃料ガス流通管45とマニホールド側燃料ガス流通管46とを取り外すとともに、上壁44を収納容器42から取り外すことで、改質器43を収納容器42から容易に取り出すことができることから、改質器43を容易に脱着することが可能となる。
また、改質器43を容易に脱着することができることから、燃料電池モジュール41を組み立てるにあたり、セルスタック装置9を収納容器42内にスライドして収納し、その後、改質器43が接続された上壁44を収納容器42に取り付けることで、容易に燃料電池モジュール41を組み立てることができる。
なお、改質器側燃料ガス流通管45とマニホールド側燃料ガス流通管46とを取り付けるにあたっては、改質器43から供給される燃料ガスが漏出しにくいよう、改質器側燃料ガス流通管45がマニホールド側燃料ガス流通管46の内側に接続されるようにすることが好ましい。
さらに、改質器側燃料ガス流通管45とマニホールド側燃料ガス流通管46を容易に脱着することができる構造とすることが好ましく、例えばワンタッチ式で脱着することができる構造とすることが好ましい。
このような構造を採用することにより、改質器43を燃料電池セル3の上方に容易に配置することが可能となり、燃料電池セル3の上端部側で余剰の燃料ガスを燃焼させる場合においては、改質器43の温度を効率よく上昇させることができ、改質器43の改質効率を向上することができる。
図12は、原燃料供給管18が接続された改質器43を抜粋して示す断面図である。図5に示した改質器7と対比して、原燃料供給管18が、改質器43の上面に接続されている点で異なっている。
ここで、改質器43において水蒸気改質を行なう場合において、原燃料供給管18と水供給管とを二重管として構成することもできる。この場合において、改質器43の上方より水が供給されることから、供給された水が気化部19の底部にたまりやすくなるおそれがある。それゆえ、気化部19の底部を改質部20に向けて下る傾斜面とすることができる。それにより、水供給管より供給された水を効率よく気化させることができる。
(第3の実施形態)
図13は、本発明の第3の実施形態の燃料電池モジュール50を概略的に示す断面図であり、図14は図13で示す収納容器47のうちの側面側および底面側を一部抜粋して示す外観斜視図である。
図13に示した収納容器47においては、第1の壁23の上端が収納容器47の上壁(外壁22)と接続されており、第1の壁23に、第1の流路26と第2の流路27とをつなぐための反応ガス流通口48が設けられている。そして、第2の壁24の上端が、第1の壁23の反応ガス流通口48よりも下方に接続されている。また、第3の壁25の上端は収納容器47の上壁(外壁22)と接続されており、第2の壁24と第3の壁25との間に、発電室29と第3の流路28とをつなぐ排ガス流通路49が設けられている。なお、第3の壁25は、第1の壁23と第2の壁24との接続部よりも収納容器47の上壁側(反応ガス流通口48よりも上方側)で第1の壁23と接続することもできる。
このような収納容器47においては、反応ガス導入部36より第1の流路26に流入した反応ガスは、第1の流路26を上方に向けて流れた後、第1の壁23に設けられた反応ガス流通口48を通して、第2の流路27に流れる。そして、第2の流路27を下方に向けて流れた反応ガスは、第3の壁25に設けられた反応ガス吹き出し口33を通して、発電室29内に供給される。
一方、燃料電池セル3より排出される排ガスや、燃料電池セル3の上端部側で余剰の燃料ガスを燃焼させることにより生じる排ガスは、第2の壁24と第3の壁25との間に設けられた排ガス流通路49を通して第3の流路28に流れる。そして、第3の流路28を下方に向けて流れた排ガスは、排ガス収集口39を通して排ガス収集部38に流れた後、排ガス収集部38に接続された排ガス排気管34(図9参照)を通して収納容器2の外部に排気される。
それゆえ、このような構成からなる収納容器47においても、反応ガス供給管30より供給される反応ガスは、反応ガス導入部36を流れる間に、排ガス収集部38を流れる排ガスと熱交換され、第1の流路26を流れる間に、第3の流路28を流れる排ガスと熱交換され、第2の流路27を流れる間に、発電室29内の熱と熱交換されることとなる。
それにより、効率よく反応ガスの温度を高めることができることから、燃料電池セル3の発電効率を向上することができる。
また、図14において、反応ガス流通口48および排ガス流通路49を複数個設けている例を示している。それにより、第1の流路26を流れる反応ガスは、効率よく第2の流路27に流れて発電室29内に供給される。また発電室29内の排ガスは、効率よく第3の流路28を流れて、収納容器2の外部に排気することができる。
さらに、第3の壁25が収納容器47の上壁(外壁22)に接続されている場合においては、発電室29内の排ガスが、改質器43の近傍の空間にとどまることを抑制でき、発電室29内の排ガスを効率よく第3の流路28に流すことができる。
(第4の実施形態)
図15は、本発明の第4の実施形態の燃料電池モジュール53を概略的に示す断面図であり、図16は図15で示す収納容器54のうちの側面側および底面側を一部抜粋して示す外観斜視図である。
図15に示した収納容器54においては、第1の壁23の上端が収納容器54の上壁(外壁22)と接続されている。また、第2の壁24の上端が収納容器54の上壁(外壁22)に接続されている。なお、第2の壁24には、発電室29と第3の流路28とをつなぐ排ガス流通口52が設けられている。そして、第1の壁23と第2の壁24との間に、第1の流路26と第2の流路27とをつなぐ反応ガス流通路51が設けられている。また、第3の壁25はその上端が第2の壁の排ガス流通口52の下方で、かつ反応ガス流通路51の上端と同じ位置もしくはそれより高い位置で、第2の壁24に接続されている。なお、第2の壁24の上端は、反応ガス流通路51よりも収納容器2の上壁側にて第1の壁23に接続することもできる。
このような収納容器54においては、反応ガス導入部36より第1の流路26に流入した反応ガスは、第1の流路26を上方に向けて流れた後、第1の壁23と第2の壁24との間に設けられた反応ガス流通路51を通して第2の流路27に流れる。そして、第2の流路27を下方に向けて流れた反応ガスは、第3の壁25に設けられた反応ガス吹き出し口33を通して、発電室29内に供給される。
一方、燃料電池セル3より排出される排ガスや、燃料電池セル3の上端部側で余剰の燃料ガスを燃焼させることにより生じる排ガスは、第3の壁25に設けられた排ガス流通口52を通して第3の流路28に流れる。そして、第3の流路28を下方に向けて流れた排ガスは、排ガス収集口39を通して排ガス収集部38に流れた後、排ガス収集部38に接続された排ガス排気管34(図9参照)を通して収納容器2の外部に排気される。
それゆえ、このような構成からなる収納容器54においても、反応ガス供給管30より供給される反応ガスは、反応ガス導入部36を流れる間に、排ガス収集部38を流れる排ガスと熱交換され、第1の流路26を流れる間に、第3の流路28を流れる排ガスと熱交換され、第2の流路27を流れる間に、発電室29内の熱と熱交換されることとなる。
それにより、効率よく反応ガスの温度を高めることができることから、燃料電池セル3の発電効率を向上することができる。
また、図16において、反応ガス流通路51および排ガス流通口52を複数個設けている例を示している。それにより、第1の流路26を流れる反応ガスは、効率よく第2の流路27に流れて発電室29内に供給される。また発電室29内の排ガスは、効率よく第3の流路28を流れて、収納容器2の外部に排気することができる。
ところで、発電室29において、燃料電池セル3の発電により生じる熱や燃料電池セル3の上端部側で余剰の燃料ガスを燃焼させることなどにより、上部側の温度が高くなる。ここで、第3の壁25に設けられた排ガス流通口52が発電室29の上部側に位置することから、温度の高い排ガスを効率よく第3の流路に流入させることができる。
それにより、第3の流路を流れる排ガスと反応ガスとで効率よく熱交換を行なうことができ、効率よく反応ガスの温度を高めることができることから、燃料電池セル3の発電効率を向上することができる。
図17は、図15に示した収納容器54の発電室29内に、セルスタック4を2つ並置している燃料電池モジュール55の例を示している断面図である。なお、2つのセルスタック4は1つのマニホールド6上に配置されている。
この場合において、反応ガス吹き出し口33よりそれぞれのセルスタック4の一方側の側面に反応ガスが供給されることから、2つのセルスタックを並置した場合であっても、効率よく燃料電池セル3の発電を行なうことができる。
なお、反応ガス吹き出し口33より供給される反応ガスが、セルスタック4を構成する燃料電池セル3間を効率よく下端部側から上端部側へ流通するように、互いのセルスタック4の間に、セルスタック4の一方の側面側(反応ガス吹き出し口33側)より供給された反応ガスが、セルスタック4の他方の側面側より流出しないように、セルスタック4の他方の側面側に、例えば断熱材(ボード状や綿状の断熱材)等を配置することができる。この場合においては、反応ガス吹き出し口33より供給された反応ガスが、セルスタック4の他方の側面方向に流れた場合であっても、反応ガスが断熱材に沿って上方へ流れることとなることから、燃料電池セル3間を効率よく反応ガスが流れることができる。
(第5の実施形態)
図18は、収納容器62内にセルスタック装置9を収納してなる、本発明の第5の実施形態の燃料電池モジュール61を示す外観斜視図である。
図18に示した収納容器62においては、収納容器62の底面に、燃料電池セル3に供給する酸素含有ガス(通常は空気である)を供給するための反応ガス供給管30と、燃料電池セル3の発電等により生じた排ガスを収納容器62の外部に排気するための排ガス排気管34とが接続されている。反応ガス供給管30と排ガス排気管34とは二重管とすることもできる。
図19は、図18に示した燃料電池モジュール61を概略的に示す断面図であり、図20は燃料電池モジュール61の一部を抜粋して示す分解斜視図である。
収納容器62では、収納容器62の外壁22の内側に所定の間隔をあけて発電室29を形成するための上壁63が配置されており、上壁63と外壁22(収納容器62の上壁)との間が、第1の流路26を流れる反応ガスを第2の流路27に流すための第4の流路64となる。
また、収納容器62の底部には、反応ガス(空気)を収納容器62内に供給するための反応ガス供給管30が接続されており、反応ガス供給管30より供給される反応ガスは反応ガス導入部36に流れる。反応ガス導入部36は反応ガス導入口37を介して第1の流路26とつながっているため、反応ガス導入部36に供給された反応ガスは、反応ガス導入口37を通して第1の流路26に流れる。第1の流路26を上方に流れた反応ガスは、続いて、後述する第4の流路64を流れ、第2の流路流入口65を介して第2の流路27に流れる。そして、第2の流路27を上方から下方に流れた反応ガスは、第3の壁25に設けられた反応ガス吹き出し口33を通して、発電室29内(燃料電池セル3)に供給される。
一方、燃料電池セル3より排出される排ガスや、燃料電池セル3の上端部側で余剰の燃料ガスを燃焼させることにより生じる排ガスは、その温度が高温であるため、特に第1の流路26を流れる反応ガスの温度を効率よく上昇させるために使用されることが好ましい。
そこで、図19に示す収納容器62においては、発電室29の上方に、発電室29内の排ガスを収集した後、第3の流路28に流すための排ガス収集室66を備えることを特徴とする。
ここで、特に高温となる発電室29内の上方に排ガス収集室66を備えることから、高温の排ガスが排ガス収集室66に収集される。排ガス収集室66に流れた排ガスは、第2の流路27を貫通する排ガス流通路67を介して第3の流路28に流れる。第3の流路28に流れた排ガスは、第3の流路28を上方から下方に向けて流れ、排ガス収集口39を通して反応ガス導入部36の上部に設けられた排ガス収集部38に流れた後、排ガス収集部38に接続された排ガス排気管34(図18参照)を通して収納容器62の外部に排気される。
それゆえ、反応ガス供給管30より供給される反応ガスは、反応ガス導入部36を流れる間に、排ガス収集部38を流れる排ガスと熱交換され、第1の流路26を上方に流れる間に、第3の流路28を下方に流れる排ガスと熱交換され、第2の流路27を下方に流れる間に、発電室29内の熱と熱交換されることとなる。
特に本発明の収納容器62においては、特に高温となる発電室29の上方に、排ガス収集室66を備えることにより、高温の排ガスを第3の流路28に流すことができ、燃料電池セル3に供給される反応ガスと効率よく熱交換を行なうことができる。それにより、燃料電池セル3の発電効率を向上することができる。
また、収納容器62をこのような構成とすることにより、発電室29内にセルスタック4(セルスタック装置9)を1つ収納する場合において特に有用な燃料電池モジュール61とすることができる。
ところで、第1の流路26と第4の流路64とを流れて第2の流路27に流れる反応ガスは、その流通過程において発電室29内の熱と熱交換され高温となる。また、第3の流路28を流れる排ガスは、第1の流路26を流れる反応ガスと熱交換されることで温度が低下する。ここで、第2の流路27を流れる反応ガスの熱が、第3の流路28を流れる排ガスに伝熱し、反応ガスの温度が低下するおそれがある。
それゆえ、第1の壁23と第2の壁24との間および第2の壁24と第3の壁25との間のうち少なくとも一方に(第2の流路27と第3の流路28との間、もしくは第2の流路27および第3の流路28の少なくとも一方の流路内に)、第2の流路27を流れる反応ガスと第3の流路28を流れる排ガスとの熱交換を抑制するための熱交換抑制部材を備えることが好ましい。図19においては、第3の流路28のうち、第2の流路27側に、断熱材35を配置している。それにより、第2の流路27を流れる反応ガスと第3の流路28を流れる排ガスとの熱交換を抑制することができ、第2の流路27を流れる反応ガスの温度が低下することを抑制できる。それにより、燃料電池セル3の発電効率が低下することを抑制できる。なお、熱交換抑制部材は、第2の流路27を流れる反応ガスと第3の流路28を流れる排ガスとの熱交換を抑制することができる部材であればよく、例えば断熱材、コンクリート、ガラス等を用いることができる。
図21は、図19に示した収納容器62の発電室29内に、セルスタック4を2つ併置している燃料電池モジュール68の例を示している断面図である。なお2つのセルスタック4は1つのマニホールド6上に配置されている。
この場合において、反応ガス吹き出し口33よりそれぞれのセルスタック4の一方側の側面に反応ガスが供給されることから、2つのセルスタックを並置した場合であっても、効率よく燃料電池セル3の発電を行なうことができる。
なお、反応ガス吹き出し口33より供給される反応ガスが、セルスタック4を構成する燃料電池セル3間を効率よく下端部側から上端部側へ流通するように、互いのセルスタック4の間に、セルスタック4の一方の側面側(反応ガス吹き出し口33)より供給された反応ガスが、セルスタック4の他方の側面側より流出しないように、セルスタック4の他方の側面側に、例えば断熱材(ボード状や綿状の断熱材)等を配置することができる。この場合においては、反応ガス吹き出し口33より供給された反応ガスが、セルスタック4の他方の側面方向に流れた場合であっても、反応ガスが断熱材に沿って上方へ流れることとなることから、燃料電池セル3間を効率よく反応ガスが流れることができる。
(第6の実施形態)
図22は、本発明の第6の実施形態の燃料電池モジュール71を示す断面図であり、図22に示した燃料電池モジュール71においては、収納容器72内の第4の流路64内に仕切部材73が設けられている。
図19に示した収納容器62のように、第2の流路27(第2の流路流入口65)が側壁(外壁22)側に配置されている場合に、燃料電池セル3の配列方向に沿う一方側に位置する(以下、単に一方側と略す場合がある。)第1の流路26を流れて、一方側の第4の流路64内に流れる反応ガスの一部が、一方側の第2の流路流入口65に流れずに、燃料電池セル3の配列方向と直交する方向に流れる場合がある。
この場合において、第4の流路64内を燃料電池セル3の配列方向と直交する方向に流れた反応ガスは、燃料電池セル3の配列方向に沿う他方側に位置する(以下、単に他方側と略す場合がある。)第1の流路26を流れて燃料電池セル3の配列方向と直交する方向に流れる反応ガスの影響や、第4の流路64を介して第2の流路27に流れる反応ガスの影響により、第4の流路64内に滞留し、燃料電池セル3の発電効率が低下するおそれがある。またこの場合に、収納容器62の上壁(外壁)22が高温となるおそれもある。
また、第4の流路64に流れた反応ガスが、一方側もしくは他方側の第2の流路27に多く流れ込み、燃料電池セル3の両側面側より供給される反応ガス量が不均一となり、燃料電池セル3の発電量が低下するほか、劣化等の悪影響を及ぼすおそれもある。
それゆえ、図22に示した燃料電池モジュール71においては、収納容器72内の第4の流路64内に、一方側の第1の流路26を流れた反応ガスを一方側の第2の流路27に流すとともに、他方側の第1の流路26を流れた反応ガスを他方側の第2の流路27に流すための仕切部材73を設けている。
それにより、第1の流路26を流れて第4の流路64に流れた反応ガスが、第4の流路64内に滞留することを抑制でき、燃料電池セル3の発電効率が低下することを抑制できる。またあわせて、収納容器72の上壁(外壁)22が高温となることを抑制できる。
さらに、第4の流路64内に仕切部材73を設けることで、一方側の第1の流路26を流れる反応ガスは、一方側の第2の流路27内を流れて燃料電池セル3の一方側側面より供給され、また他方側の第1の流路26を流れる反応ガスは、他方側の第2の流路27内を流れて燃料電池セル3の他方側側面より供給される。それにより、燃料電池セル3の両側面から供給される反応ガスの量が不均一となることを抑制でき、燃料電池セル3の発電量の低下や、劣化等の悪影響が生じることを抑制できる。
また、発電室29内の上方側は、燃料電池セル3の発電により生じる熱や、燃料電池セル3の上端側で発電に利用されなかった余剰の燃料ガスを燃焼させる場合の燃焼熱などにより特に高温となる。それゆえ、燃料電池セル3に供給する反応ガスを、発電室29の上方の空気(排ガス)と効率よく熱交換することにより、さらに高温の反応ガスを燃料電池セル3に供給することができ、燃料電池モジュール71(燃料電池セル3)の発電効率を向上させることができる。
(第7の実施形態)
図23は、本発明の第7の実施形態の燃料電池モジュール81を示す断面図であり、図23に示した燃料電池モジュール81においては、収納容器82内における第4の流路64と第2の流路27との間に、排ガス収集室66の上方で第4の流路64を流れた反応ガスを収集した後、第2の流路27に流すための第5の流路83を備える例を示している。なお、図23においては第5の流路83を排ガス収集室66と対向するように配置している。
このような燃料電池モジュール81においては、一方側の第1の流路26を上方に向けて流れた反応ガスは、収納容器82の上壁に沿って第4の流路64を燃料電池セル3の配列方向と直交する方向に流れたのち、第5の流路流入口84を介して、第5の流路83に流入する。なお、第5の流路流入口84は、一方側の第1の流路26を流れる反応ガスと他方側の第1の流路26を流れる反応ガスが効率よく収集できるように、第4の流路64のうち、燃料電池セル3の配列方向と直交する方向の中央部に設けることが好ましい。
そして、第5の流路流入口84を介して第5の流路83に流入した反応ガスは、排ガス収集室66と対向するように配置された第5の流路83を流れる間に、排ガス収集室66を流れる高温の排ガスとで効率よく熱交換される。そして、この温められた反応ガスが、第5の流路83とつながっている第2の流路27を流れた後、燃料電池セル3に供給されることから、より高温の反応ガスを燃料電池セル3に供給することができ、燃料電池セル3の発電効率を向上することができる。
(第8の実施形態)
図24は、収納容器92内にセルスタック装置9を収納してなる、本発明の第8の実施形態の燃料電池モジュール91の一例を示す外観斜視図である。図25は、図24に示した燃料電池モジュール91を概略的に示す断面図であり、図26は図25で示す燃料電池モジュール91のうち、鎖線で囲んだ部分Aを抜粋して示した図である。
収納容器92の底部には、反応ガス(空気)を収納容器92内に供給するための反応ガス供給管30が接続されており、反応ガス供給管30より供給される反応ガスは反応ガス導入部36に流れる。反応ガス導入部36は反応ガス導入口37を介して第1の流路26とつながっているため、反応ガス導入部36に供給された反応ガスは、反応ガス導入口37を通して第1の流路26に流れる。第1の流路26を上方に流れた反応ガスは、続いて、後述する第4の流路93を介して第2の流路27に流れる。そして、第2の流路27を上方から下方に流れた反応ガスは、第3の壁25に設けられた反応ガス吹き出し口33を通して、発電室29内(燃料電池セル3)に供給される。
一方、燃料電池セル3より排出される排ガスや、燃料電池セル3の上端部側で余剰の燃料ガスを燃焼させることにより生じる排ガスは、第2の壁24に設けられた排ガス流通路32を通して第3の流路28に流入する。そして、第3の流路28を上方から下方に流れた排ガスは、排ガス収集口39を通して反応ガス導入部36の上部に設けられた排ガス収集部38に流れた後、排ガス収集部38に接続された排ガス排気管34(図24参照)を通して収納容器92の外部に排気される。
それゆえ、反応ガス供給管30より供給される反応ガスは、反応ガス導入部36を流れる間に、排ガス収集部38を流れる排ガスと熱交換され、第1の流路26を上方に流れる間に、第3の流路28を下方に流れる排ガスと熱交換され、第2の流路27を下方に流れる間に、発電室29内の熱と熱交換されることとなる。
ところで、発電室29内は、燃料電池セル3の発電により生じる熱や、燃料電池セル3の上端側で発電に利用されなかった余剰の燃料ガスと空気とを燃焼させる場合の燃焼熱などにより高温となる。それゆえ、反応ガスを発電室29の熱と熱交換することにより、さらに高温の反応ガスを燃料電池セル3に供給することができ、燃料電池モジュール91(燃料電池セル3)の発電効率を向上させることができる。
ここで、本発明の燃料電池モジュール91においては、第1の流路26を上方に流れた反応ガスを、燃料電池セル3の配列方向と直交する方向に流した後に、燃料電池セル3の配列方向と直交する方向の中央部で折り返して、第2の流路27に流すように構成された第4の流路93を設けることで、燃料電池セル3に供給される反応ガスの温度をさらに高めることができ、燃料電池セル3(燃料電池モジュール91)の発電効率を向上することができる。
なお、第4の流路93は、反応ガスを燃料電池セル3の配列方向と直交する方向の中央部へ流すための往路と、反応ガスを往路から折り返して第2の流路27に流すための復路とで構成することができる。
ところで、燃料電池セル3の発電により生じる熱や、燃料電池セル3の上端側での燃焼熱は、発電室29内で対流することにより、発電室29の上方が特に高温となる。それゆえ、燃料電池セル3に反応ガス(空気)を供給するにあたり、発電室29の上方側の熱を利用することが好ましく、上述した往路および復路のうち少なくとも一方は、発電室29の上方側の熱を有効に利用すべく、収納容器92を構成する外壁(上壁)22に沿って配置されていることが好ましい。なお、図25に示す収納容器92においては、第4の流路93を構成する往路および復路の両方が、発電室29の上壁94と収納容器92の上壁22との間に形成されている。往路および復路の構成については、図26を用いて詳述する。
また、第4の流路93の中央部には、一方の第1の流路26より流れる反応ガスが一方の第2の流路27に流れ、かつ他方の第1の流路26より流れる反応ガスが他方の第2の流路27に流れるように仕切板95が設けられている。
すなわち、第1の流路26を上方に流れた反応ガスは、第4の流路93を構成する往路を、収納容器92を構成する上壁(外壁)22に沿って燃料電池セル3の配列方向に直交する方向の中央部側に流れて、収納容器92を構成する上壁22における燃料電池セル3の配列方向と直交する方向の中央部に設けられた仕切板95により往路から折り返して、第4の流路93を構成する復路を流れて、反応ガス流通口31を介して第2の流路27に流れることとなる。それゆえ、燃料電池セル3に供給される反応ガスは、第4の流路93を構成する往路および復路を流れる間に発電室29の上方の高温の熱と熱交換でき、燃料電池セル3に高温の反応ガスを供給することができる。それゆえ、燃料電池セル3(燃料電池モジュール91)の発電効率を向上することができる。
図26を用いて反応ガスの第4の流路93の往路および復路について説明する。なお、図26は収納容器92の外壁(上壁)22を取り外した状態を示している。第1の流路26を流れた反応ガスは、平面視でU字状の複数の折り返し流路形成部材96の間を、燃料電池セル3の配列方向に直交する方向の中央部側に流通する。この折り返し流路形成部材96の間の流路が第4の流路93の往路97となる。そして、往路97を流れた反応ガスは、その後仕切部材95によって往路97から折り返して、流路形成部材96の内側を流れる。この流路形成部材96の内側が第4の流路93の復路98となる。復路98を流れた反応ガスは、復路98と第2の流路27とを接続する反応ガス流通口31(発電室29の上壁94に設けられている)を介して第2の流路27へ流れる。
以上の構成により、燃料電池セル3に供給する反応ガスの熱交換において、反応ガスが第4の流路93の往路97と復路98を流れる間に、発電室29の上方の高温の熱と効率よく熱交換することができることから、燃料電池セル3に高温の反応ガスを供給することができ、発電効率の向上した燃料電池モジュール91とすることができる。
(第9の実施形態)
図27は、本発明の第9の実施形態の燃料電池モジュール101を概略的に示す断面図であり、図28は図27で示す燃料電池モジュール101のうち、鎖線で囲んだ部分Bを抜粋して示した図である。
図27に示す燃料電池モジュール101においては、発電室29の上方と収納容器102の上壁22との間に、折り返し流路形成部材103が設けられており、第4の流路93のうち、往路97が収納容器102の上壁22に沿って配置され、その下方に復路98が配置されている。すなわち、往路97と復路98がそれぞれ上下に配置されている。
それにより、第1の流路26を上方に流れた反応ガスは、収納容器102の上壁22と折り返し流路形成部材103との間に形成された往路97を、燃料電池セル3の配列方向に直交する方向の中央部側に流れた後、中央部に設けられた仕切板95によって下方へ折り返される。下方に折り返された反応ガスは、発電室29の上壁94と折り返し流路形成部材103とで形成された復路98に流通し、第2の流路27へ流れる。詳細は図28を用いて詳述する。
ここで、第1の流路26を上方に流れた反応ガスは、発電室29の上方に位置する往路97を流れる間に温められるとともに、復路98を流れる間に、発電室29の上方の高温の熱とでさらに熱交換されることでより温められる。そしてその温められた反応ガスが、第2の流路27を介して燃料電池セル3(発電室29内)に供給されることから、燃料電池セル3(燃料電池モジュール101)の発電効率を向上することができる。
図28を用いて反応ガスの往路97および復路98の流通について説明する。なお図28は収納容器102の外壁(上壁)22を取り外した状態を示している。第1の流路26を流れた反応ガスは、折り返し流路形成部材103と収納容器102の外壁(上壁)22とで形成される往路97を、燃料電池セル3の配列方向に直交する方向の中央部側に流通し、中央部に設けられた仕切板95によって下方に折り返される。折り返された反応ガスは、流入口104より復路98に流れる。復路98を流れた反応ガスは、復路98と第2の流路27とを接続する反応ガス流通口31(発電室29の上壁94に設けられている。図27参照。)を介して第2の流路27へ流れる。
以上の構成により、燃料電池セル3に供給する反応ガスの熱交換において、発電室29の上方の熱を有効に利用することができることから、燃料電池セル3に高温の反応ガスを供給することができ、発電効率の向上した燃料電池モジュール101とすることができる。
なお、折り返し流路形成部材103は、図28に示したような箱状の部材でもよく、また板状の部材の一部を折り曲げて形成することもできる。なお、折り返し流路形成部材103を板状の部材の一部を折り曲げて形成する場合には、折り返し流路形成部材103の変形を抑制すべく、変形抑制部材(例えば、折り返し流路形成部材103を支える支持部材等)を併用することが好ましい。
(第10の実施形態)
図29は、収納容器112内に、セルスタック装置9を収容してなる、本発明の第10の実施形態の燃料電池モジュール111を示す外観斜視図である。図30および図31は、図29に示した燃料電池モジュール111を概略的に示す断面図であり、反応ガスが燃料電池セル3の配列方向に沿う一方側より他方側へ流れることを示している。なお、図30および図31は、収納容器112の異なる部位における断面図である。
収納容器112の底部には、反応ガス(図30および図31においては空気)を収納容器112内に供給するための反応ガス供給管30が接続されており、反応ガス供給管30より供給される反応ガスは反応ガス導入部36に流れる。反応ガス導入部36は反応ガス導入口37を介して第1の流路26とつながっているため、反応ガス導入部36に供給された反応ガスは、反応ガス導入口37を通して燃料電池セル第1の流路26に流れる。
ここで、燃料電池セル3の配列方向に沿う一方側に位置する第1の流路26(以下、一方側に位置する第1の流路と略す場合がある。)を上方に向けて流れた反応ガスは、後述する第4の流路113を、燃料電池セル3の配列方向と直交する方向に流れて、燃料電池セル3の配列方向に沿う他方側に位置する第2の流路27(以下、他方側に位置する第2の流路と略す場合がある。)に流れる。そして、他方側に位置する第2の流路27を上方から下方に流れた反応ガスは、第3の壁25に設けられた反応ガス吹き出し口33を通して、発電室29内(燃料電池セル3)に供給される。
一方、燃料電池セル3より排出される排ガスや、燃料電池セル3の上端部側で余剰の燃料ガスを燃焼させることにより生じる排ガスは、第2の壁24と第3の壁25との間に設けられた排ガス流通路32を通して第3の流路28に流入する。そして、第3の流路28を上方から下方に流れた排ガスは、排ガス収集口39を通して反応ガス導入部36の上部に設けられた排ガス収集部38に流れた後、排ガス収集部38に接続された排ガス排気管34(図29参照)を通して収納容器112の外部に排気される。
それゆえ、反応ガス供給管30より供給される反応ガスは、反応ガス導入部36を流れる間に、排ガス収集部38を流れる排ガスと熱交換され、第1の流路26を上方に流れる間に、第3の流路28を下方に流れる排ガスと熱交換され、第2の流路27を下方に流れる間に、発電室29内の熱と熱交換されることとなる。
ここで、図30においては、燃料電池セル3の配列方向に沿う一方側に位置する第1の流路26を燃料電池セル3の右側(図面に向かって右側、以下右側という場合には同意。)に位置する第1の流路26とし、他方側に位置する第2の流路27を燃料電池セルの左側(図面に向かって左側、以下左側という場合には同意。)に位置する第2の流路27とした例を示しており、図31においては、燃料電池セル3の配列方向に沿う一方側に位置する第1の流路26を燃料電池セル3の左側に位置する第1の流路26とし、他方側に位置する第2の流路27を燃料電池セルの右側に位置する第2の流路27とした例を示している。すなわち、本発明において一方側、他方側とは、燃料電池セル3をはさんで一方側、他方側とよび、いずれかを一方側とした場合に、他方を他方側とよぶものとする。
そして、図30および図31において示したように、収納容器112内において、収納容器112の底部に接続された反応ガス供給管30より供給され、燃料電池セル3の右側に位置する第1の流路26を流れた反応ガスは燃料電池セル3の左側より発電室29内に供給され、燃料電池セル3の左側に位置する第1の流路26を流れた反応ガスは燃料電池セル3の右側より発電室29内に供給される。
それにより、燃料電池セル3の配列方向に沿う両側の反応ガス吹き出し口33より供給される反応ガスの温度を均一に近づけることができ、発電効率を向上した燃料電池モジュール111とすることができる。
ところで、発電室29内は、燃料電池セル3の発電により生じる熱や、燃料電池セル3の上端側で発電に利用されなかった余剰の燃料ガスと空気とを燃焼させる場合の燃焼熱などにより高温となる。それゆえ、反応ガスを発電室29の熱と熱交換することにより、さらに高温の反応ガスを燃料電池セル3に供給することができ、燃料電池モジュール111(燃料電池セル3)の発電効率を向上させることができる。
それゆえ、図30および図31で示した燃料電池モジュール111においては、収納容器112の上部側(改質器7の上方)に、一方側に位置する第1の流路26を流れる反応ガスを、他方側に位置する第2の流路27に流すための流路である第4の流路113を設けている。
ここで、図30を用いて第4の流路113について説明する。燃料電池セル3の右側に位置する第1の流路26を上方に向けて流れた反応ガスは、第4の流路113を構成する上部第1の流路114に流れ、燃料電池セル3の配列する方向と直交する方向(中央部側)に流れる。上部第1の流路114を流れた反応ガスは、中央部に位置する反応ガス流れ方向変更部Cにおいて、第4の流路113を構成する上部第2の流路115に流れる。上部第2の流路115を流れた反応ガスは、燃料電池セル3の左側に位置する第2の流路27に流れた後、反応ガス吹き出し口33より発電室29内に流れる。
そして、一方側に位置する第1の流路26と他方側に位置する第2の流路27とを接続する第4の流路113において、上部第1の流路114が収納容器112を構成する上壁(外壁)22に沿って配置され、その下方に上部第2の流路115が配置されていることから、反応ガスが第4の流路113を構成する上部第1の流路114および上部第2の流路115を流れる間に発電室29の上方の高温の熱と熱交換でき、燃料電池セル3に高温の反応ガスを供給することができる。それゆえ、燃料電池セル3(燃料電池モジュール111)の発電効率を向上することができる。なお、図31においても同様である。
図32および図33を用いて、反応ガス流れ方向変更部Cについて説明する。なお、図32および図33においては、収納容器112を構成する上壁(外壁)22を取り外した状態を示している。図32においては、上部第2の流路115は仕切板116により左右に仕切られており、仕切板116の上方に、反応ガス流れ方向変更部材117が配置されている。この反応ガス流れ方向変更部材117により、上部第1の流路114が左右に仕切られている。なお、図32においては反応ガス流れ方向変更部材117の形状として、L字状の板部材を、長辺側が対向するように連続して接続してなる形状を示している。
そして、一方側に位置する第1の流路26を上方に流れた反応ガスは、その一方側に位置する第1の流路26に接続された上部第1の流路114に流れる。上部第1の流路114を流れた反応ガスは、L字状の板部材で囲まれた部位(奥行き方向)に流れ、その奥行き部位(他方側に位置する第1の流路26側)に設けられた反応ガス流通孔118より、他方側に位置する(他方側に位置する第1の流路26側)上部第2の流路115に流れる。他方側に位置する上部第2の流路115を流れた反応ガスは、その他方側に位置する上部第2の流路115に接続される他方側に位置する第2の流路27に流れた後、発電室29内に供給される。それにより、一方側に位置する第1の流路26を上方に流れた反応ガスが、他方側に位置する第2の流路27を流れることとなる。
なお、反応ガス流れ方向変更部材117を、燃料電池セル3の配列方向に沿って、図32に向かって右側から左側へ流れる反応ガスと、左側から右側へ流れる反応ガスとが、順次入れ替わる構成とすることにより、第2の流路27により均一に反応ガスが供給され、セルスタック4を構成する燃料電池セル3に均一に反応ガスが供給される。それにより、発電効率を向上することができる。
なお、この反応ガス流れ方向変更部材117におけるL字状の板部材の対向する長辺同士の間隔は、セルスタック4を構成する燃料電池セル3の大きさや数により適宜設定することができる。
図33に示した反応ガス流れ方向変更部Cは、上部第2の流路115は仕切板116により左右に仕切られており、仕切板116の上方に、反応ガス流れ方向変更部材119が配置されている。この反応ガス流れ方向変更部材119により、上部第1の流路114が左右に仕切られている。なお、図33においては反応ガス流れ方向変更部材119の形状として、直方体状の部材の内部に、一方側に位置する上部第1の流路114を流れた反応ガスを、他方側に位置する上部第2の流路115に流すための反応ガス流通孔120が設けられている。なお、図33において、反応ガス流通孔120は筒状の一部が折れ曲がった形状として形成されている。
そして、一方側に位置する第1の流路26を上方に流れた反応ガスは、その一方側に位置する第1の流路26に接続された上部第1の流路114に流れる。一方側に位置する第1の流路26より上部第1の流路114を流れた反応ガスは、反応ガス流通孔120の流入部(入口)121より反応ガス流通孔120を流れ、反応ガス流通孔120の流出部(出口)122より他方側に位置する上部第2の流路115に流れる。他方側に位置する(他方側に位置する第1の流路26側)上部第2の流路115を流れる反応ガスは、その他方側に位置する上部第2の流路115に接続される他方側に位置する第2の流路27に流れた後、発電室29内に供給される。それにより、一方側に位置する第1の流路26を上方に流れた反応ガスが、他方側に位置する第2の流路27を流れることとなり、燃料電池セル3の側方より供給される反応ガスの温度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。
なお、図32に示した反応ガス流れ方向変更部材117と同様に、図33に示した反応ガス流れ方向変更部材119においても、燃料電池セル3の配列方向に沿って、図33に向かって右側から左側へ流れる反応ガスと、左側から右側へ流れる反応ガスとが、順次入れ替わる構成とすることにより、第2の流路27により均一に反応ガスが供給され、セルスタック4を構成する燃料電池セル3に均一に反応ガスが供給される。それにより、発電効率を向上することができる。あわせて、筒状の一部が折れ曲がった形状の反応ガス流通孔120は、セルスタック4を構成する燃料電池セル3の大きさや数により、その間隔を適宜設定することができる。
そして、反応ガス流れ方向変更部Cを上述したような構成とすることにより、一方側に位置する第1の流路26を上方に流れた反応ガスが、他方側に位置する第2の流路27に容易に流れることとなる。
(第11の実施形態)
図34は、収納容器132内にセルスタック装置9を収納してなる、本発明の燃料電池モジュール131を示す外観斜視図である。図35は、図34に示した燃料電池モジュール131を概略的に示す断面図であり、図36は、収納容器138内にセルスタック装置9を収納してなる、本実施形態の他の例の燃料電池モジュール137を概略的に示す断面図であり、後述する熱交換抑制部134を具備している。
収納容器132において、外壁22の内側に所定間隔をあけて第1の壁23が形成されており、第1の壁23の内側に所定間隔をあけて第4の壁133が配置されており、第4の壁133の内側に所定間隔をあけて第2の壁24が配置されており、第2の壁24の内側に所定間隔をあけて第3の壁25が配置されている。
それにより、外壁22と第1の壁23とで形成された空間が第1の流路26となり、第2の壁24と第3の壁25とで形成された空間が第2の流路27となり、第1の壁23と第4の壁133とで形成された空間が第3の流路28となり、第4の壁133と第2の壁24とで形成された空間が熱交換抑制部134となる。それゆえ、熱交換抑制部134は、第2の流路27と第3の流路28との間に形成されることとなる。
なお、図35に示した収納容器132においては、第1の壁23の上端が第2の壁24に接続されており、第2の壁24の上端が収納容器132の上壁(外壁22)と接続されており、第3の壁25の上端が第1の壁23と第2の壁24との接続部よりも収納容器132の上壁側にて第2の壁24と接続されている。なお、第3の壁25の上端を収納容器132の上壁(外壁22)と接続させることもできる。また、第4の壁133の上端は、第1の壁23の上端部に接続されている例を示しているが、第4の壁133の上端を、後述する発電室29と第3の流路28とを接続する排ガス流通路135の下方で、第2の壁24と接続するように構成することもできる。
また、収納容器132,138の底部には、反応ガス(空気)を収納容器132内に供給するための反応ガス供給管30が接続されており、反応ガス供給管30より供給される反応ガスは反応ガス導入部36に流れる。反応ガス導入部36は反応ガス導入口37により第1の流路26とつながっているため、反応ガス導入部36を流れる反応ガスは、反応ガス導入口37を通して、第1の流路26に流れる。第1の流路26を上方に向けて流れた反応ガスは、第2の壁24に設けられた反応ガス流通口31(図36においては、反応ガス流通路136に相当)を通して、第2の流路27に流れる。そして、第2の流路27を下方に向けて流れた反応ガスは、第3の壁25に設けられた反応ガス吹き出し口33を通して、発電室29内に供給される。
一方、燃料電池セル3より排出される排ガスや、燃料電池セル3の上端部側で余剰の燃料ガスを燃焼させることにより生じる排ガスは、第4の壁133(第4の壁133の形状によっては第2の壁24)と第3の壁25との間に設けられた発電室29と第3の流路28とをつなぐ排ガス流通路135を通して第3の流路28に流入する。そして、第3の流路28を下方に向けて流れた排ガスは、排ガス収集口39を通して排ガス収集部38に流れた後、排ガス収集部38に接続された排ガス排気管34(図34参照)を通して収納容器132,138の外部に排気される。
それゆえ、反応ガス供給管30より供給される反応ガスは、反応ガス導入部36を流れる間に、排ガス収集部38を流れる排ガスと熱交換され、第1の流路26を流れる間に、第3の流路28を流れる排ガスと熱交換され、第2の流路27を流れる間に、発電室29内の熱とで熱交換されることとなる。
それにより、効率よく反応ガスの温度を高めることができることから、発電効率の高い燃料電池モジュール131,137とすることができる。
なお、第1の流路26、第2の流路27および第3の流路28のそれぞれは、それぞれの流路を流れる反応ガスや排ガスとの熱交換を効率よく行なうため、セルスタック4を構成する燃料電池セル3の配列方向に沿う側部の外形以上の大きさであることが好ましい。
そして反応ガス吹き出し口33より発電室29内に供給された反応ガスは、燃料電池セル3の下端側から上端部側に向けて流れることとなり、効率よく燃料電池セル3の発電を行なうことができる。
なお、図35においては一列のセルスタック4を有するセルスタック装置9を発電室29内に収納した例を示しており、この場合、燃料電池セル3の両側面側より反応ガスが導入されることとなる。それゆえ、発電室29内の両側面側に位置する反応ガス吹き出し口33より反応ガスが発電室29内に供給されることより、発電室29に垂下する反応ガス導入部材が不要となることから、発電室29内にセルスタック4を1つ配置する場合において特に有用な燃料電池モジュール131とすることができる。
ここで、反応ガス供給管30より供給される反応ガスは、第1の流路26および第2の流路27を流れて発電室29内に供給されるが、第2の流路27を流れる反応ガスは、発電室29内の熱とで熱交換され高温となる。一方、発電室29より第3の流路28を流れる排ガスは、第1の流路26を流れる高温ではない反応ガスと熱交換されることから、第2の流路27を流れる反応ガスの温度よりも低くなるおそれがある。それに伴い、第2の流路27を流れる反応ガスと第3の流路28を流れる排ガスとの熱交換により、第2の流路27を流れる反応ガスの温度が低下し、燃料電池セル3の発電量が低減するおそれがある。
それゆえ、本発明の燃料電池モジュール131,137においては、第1の壁23と第2の壁24との間および第2の壁24と第3の壁25との間のうち少なくとも一方に(第2の流路27と第3の流路28との間に)、第2の流路27を流れる反応ガスと第3の流路28を流れる排ガスとの熱交換を抑制するための熱交換抑制部134を有する。
それにより、第2の流路27を流れる反応ガスと第3の流路28を流れる排ガスとの熱交換を抑制でき、第2の流路27を流れる反応ガスの温度が低下することを抑制できる。それにより、高温の反応ガスを燃料電池セル3に供給することができることから、発電効率の高い燃料電池モジュール131,137とすることができる。
ここで、図35においては第2の壁24の上方に設けられた反応ガス流通口31よりも下方で接続される第4の壁133と第2の壁24とで形成される空間を、熱交換抑制部134として構成した例を示しており、図36においては、第2の壁24と第2の壁24の上方に設けられた反応ガス流通路136よりも上方で接続される第4の壁133とで形成される空間を、熱交換抑制部134として構成した例を示している。すなわち、図35においては、熱交換抑制部134は第3の流路28に沿って形成されており、図36においては、熱交換抑制部134は、第2の流路27に沿って形成されている。
そして、第2の流路27と第3の流路28との間に熱交換抑制部134を設けることにより、第2の流路27を流れる反応ガスと第3の流路28を流れる排ガスとの熱交換が抑制され、燃料電池セル3に高温の反応ガスを供給することができる。
なお、熱交換抑制部134内は、第2の流路27を流れる反応ガスと第3の流路28を流れる排ガスとの熱交換を効率よく抑制すべく、熱伝導率が低い空間とすることが好ましい。それゆえ、熱交換抑制部134内を真空とするほか、熱交換抑制部134内に、例えば空気、断熱材、コンクリート、ガラス等を配置することができ、特に燃料電池モジュール131の構成やコスト等を考慮して、断熱材を配置することが好ましい。なお、断熱材としては、熱交換抑制部134内に容易に配置することが可能な形状とすることが好ましく、たとえば粒状や板状の断熱材とすることができる。
ここで、第2の流路27を流れる反応ガスの温度が低下することを効果的に抑制するにあたっては、第2の流路27および第3の流路28が、セルスタック4を構成する燃料電池セル3の配列方向に沿う側部の外形以上の大きさであるとともに、第2の流路27と第3の流路28との間に備える熱交換抑制部134を、セルスタック4を構成する燃料電池セル3の配列方向に沿う側部の外形以上の大きさとすることが好ましい。
すなわち、熱交換抑制部134は、セルスタック4を構成する燃料電池セル3の配列方向における幅以上の幅を有し、燃料電池セル3の長手方向における幅以上の幅を有する大きさとすることが好ましい。
それにより発電室29内の熱や、燃料電池セル3の発電により生じる熱が、効率よく第2の流路27を流れる反応ガスと熱交換される(伝熱される)とともに、第2の流路27を流れる反応ガスと第3の流路28を流れる排ガスとの熱交換を抑制でき、燃料電池セル3に温度の高い反応ガスを供給することができる。さらには、熱交換抑制部134の大きさを、セルスタック4を構成する燃料電池セル3の配列方向に沿う側部の外形以上の大きさとすることにより、反応ガスが第2の流路27を流れる間に、セルスタック4の温度が低下することも抑制できる。
ここで図35および図36においては、熱交換抑制部134内に断熱材35を配置した例を示しており、図35における熱交換抑制部134に配置した断熱材35は、その下端が燃料電池セル3の下端よりも低い位置となり、かつその上端が燃料電池セル3の上端よりも高い位置となる形状として、熱交換抑制部134内に配置されている。また、図36における熱交換抑制部134に配置した断熱材35は、その上端が燃料電池セル3の上端よりも高い位置となる形状として、熱交換抑制部134内に配置されている。なお、図には示していないが、熱交換抑制部134内に配置された断熱材35は、燃料電池セル3の配列方向における幅以上の幅を有しており、セルスタック4を構成する燃料電池セル3の配列方向に沿う側部の外形以上の大きさとして構成されている。それにより、第2の流路27を流れる反応ガスと第3の流路28を流れる排ガスとの熱交換を効率よく抑制できるとともに、セルスタック4の温度が低下することも抑制でき、発電効率の高い燃料電池モジュール131,137とすることができる。
上述したように、本発明の燃料電池モジュールにおいては、収納容器132,138内に、反応ガス供給管30より供給される反応ガスを上方に流すための第1の流路26と第1の流路26を流れた反応ガスを発電室29(燃料電池セル3)内に供給するための第2の流路27と、発電室29内の排ガスを下方に向けて流すための第3の流路28を具備し、第2の流路27と第3の流路28との間に熱交換抑制部134を具備していればよく、それぞれの流路の構成は適宜設定することができる。
(第12および第13の実施形態)
図37は、収納容器142内にセルスタック装置9を収納してなる、本発明の第12の実施形態の燃料電池モジュール141を示す。図38は、収納容器152内にセルスタック装置9を収納してなる、本発明の第13の実施形態の燃料電池モジュール151を示す。図37に示す収納容器142においては、第1の壁23の上端が収納容器142の上壁(外壁22)と接続されており、第1の壁23に、第1の流路26と第2の流路27とをつなぐための反応ガス流通口143が設けられている。そして、第4の壁133および第2の壁24の上端が、第1の壁23の反応ガス流通口143よりも下方に接続されている。また、第3の壁25の上端は収納容器142の上壁と接続されており、第4の壁133と第3の壁25との間に、発電室29と第3の流路28とをつなぐ排ガス流通路144が設けられている。なお、第3の壁25は、第1の壁23と第4の壁133(第2の壁24)との接続部よりも収納容器142の上壁側(反応ガス流通口143よりも上方側)で第1の壁23と接続することもできる。なお、図37に示す収納容器142においては、熱交換抑制部134を、第3の流路28に沿って設けている例を示している。
また、図38に示す収納容器152においては、第1の壁23の上端が収納容器152の上壁(外壁22)と接続されており、第2の壁24の上端が収納容器152の上壁(外壁22)に接続されている。なお、第2の壁24に、発電室29と第3の流路28とをつなぐ排ガス流通口154が設けられている。そして、第1の壁23と第4の壁133(第2の壁24)との間に、第1の流路26と第2の流路27とをつなぐ反応ガス流通路153が設けられている。また、第3の壁25はその上端が第2の壁24の排ガス流通口154の下方で、かつ反応ガス流通路153の上端部と同じ位置もしくはそれより高い位置で、第2の壁24に接続されている。なお、第2の壁24の上端は、排ガス流通口154よりも収納容器152の上壁側にて第1の壁23に接続することもできる。なお、図38に示す収納容器152においては、熱交換抑制部134を、第2の流路27に沿って設けている例を示している。
そして、図37および図38に示した収納容器142および収納容器152においても、反応ガス供給管30より供給される反応ガスは、第1の流路26を上方に向けて流れ、第1の流路26を流れた反応ガスが続いて第2の流路27を流れた後、燃料電池セル3に流れる。また、発電室29内の排ガスが第3の流路28を流れて収納容器142および収納容器152の外部へ排気される。この際、第2の流路27と第3の流路28との間に熱交換抑制部134を備えることから、第2の流路27を流れる反応ガスと第3の流路28を流れる排ガスとの熱交換を抑制することができ、第2の流路27を流れる反応ガスの温度が低下することを抑制できる。それゆえ、高温の反応ガスを燃料電池セル3に供給することができることから、発電効率の高い燃料電池モジュールとすることができる。
(第14の実施形態)
図39は、収納容器162内にセルスタック装置9を収納してなる、本発明の第14の実施形態の燃料電池モジュール161を示す外観斜視図である。図40は、図39に示した燃料電池モジュール161を概略的に示す断面図であり、図41は、収納容器165内にセルスタック装置9を収納してなる、本実施形態の他の例の燃料電池モジュール164を概略的に示す断面図であり、後述する熱交換抑制部材163を具備している。本実施形態の燃料電池モジュール161,164および収納容器162,165は、第1の実施形態の燃料電池モジュール1および収納容器2に類似し、対応する部分には同一の参照符を付し、その説明を省略する。
収納容器162,165において、反応ガス供給管30より供給される反応ガスは、第1の流路26および第2の流路27を流れて発電室29内に供給されるが、第2の流路27を流れる反応ガスは、発電室29内の熱とで熱交換され高温となる。一方、発電室29より第3の流路28を流れる排ガスは、第1の流路26を流れる高温ではない反応ガスと熱交換されることから、第2の流路27を流れる反応ガスの温度よりも低くなるおそれがある。それに伴い、第2の流路27を流れる反応ガスと第3の流路28を流れる排ガスとの熱交換により、第2の流路27を流れる反応ガスの温度が低下し、燃料電池セル3の発電量や発電効率が低減するおそれがある。
それゆえ、本発明の燃料電池モジュール161,164においては、第1の壁23と第2の壁24との間および第2の壁24と第3の壁25との間のうち少なくとも一方に(第2の流路27および第3の流路28のうち少なくとも一方の流路に)、第2の流路27を流れる反応ガスと、第3の流路28を流れる排ガスとの熱交換を抑制するための熱交換抑制部材163を具備する。
それにより、第2の流路27を流れる反応ガスと第3の流路28を流れる排ガスとの熱交換を抑制でき、第2の流路27を流れる反応ガスの温度が低下することを抑制できる。それにより、高温の反応ガスを燃料電池セル3に供給することができることから、発電効率の高い燃料電池モジュール161,164とすることができる。
ここで、図40においては熱交換抑制部材163を第2の流路27内に具備している例を示しており、図41においては熱交換抑制部材163を第3の流路28内に具備している例を示している。なお、熱交換抑制部材163は、第2の流路27および第3の流路28の両方の流路に配置することもできる。そして、図40および図41に示す熱交換抑制部材163は、それぞれ第2の壁24に固着して配置されている。
第2の流路27を流れる反応ガスの熱は、第2の壁24を介して第3の流路28を流れる排ガスと熱交換されるため、熱交換抑制部材163を第2の壁24に固着して配置することにより、第2の流路27を流れる反応ガスと第3の流路28を流れる排ガスとの熱交換を効率よく抑制することができる。
なお、熱交換抑制部材163としては、第2の流路27流れる反応ガスと第3の流路28を流れる排ガスとの熱交換を抑制することができるもの、すなわち熱伝導率の低いものであり、かつ第2の流路27を流れる反応ガスの温度により影響を受けないものであれば特に制限はなく、例えば断熱材、コンクリート、ガラス等を用いることができる。なお、燃料電池モジュール161,164のコストや重量等を考慮して、熱交換抑制部材として断熱材を用いることが好ましい。
ここで、熱交換抑制部材163として断熱材を用いる場合において、第2の流路27および第3の流路28のうち少なくとも一方の流路に容易に配置することが可能な形状とすることが好ましく、例えば板状の断熱材とすることができる。
また、第2の流路27を流れる反応ガスの温度が低下することを効果的に抑制するにあたっては、第2の流路27および第3の流路28が、セルスタック4を構成する燃料電池セル3の配列方向に沿う側部の外形以上の大きさであるとともに、熱交換抑制部材163の形状をセルスタック4を構成する燃料電池セル3の配列方向に沿う側部の外形以上の大きさとすることが好ましい。
すなわち、熱交換抑制部材163として板状の断熱材を用いる場合においては、板状の断熱材は、セルスタック4を構成する燃料電池セル3の配列方向における幅以上の幅を有し、燃料電池セル3の長手方向における幅以上の幅を有する大きさとすることが好ましい。
それにより発電室29内の熱や、燃料電池セル3の発電により生じる熱が、効率よく第2の流路27を流れる反応ガスと熱交換される(伝熱される)とともに、第2の流路27を流れる反応ガスと第3の流路28を流れる排ガスとの熱交換を抑制でき、燃料電池セル3に温度の高い反応ガスを供給することができる。さらには、熱交換抑制部材163の大きさを、セルスタック4を構成する燃料電池セル3の配列方向に沿う側部の外形以上の大きさとすることにより、反応ガスが第2の流路27を流れる間に、セルスタック4の温度が低下することも抑制できる。
ここで、図40に示す熱交換抑制部材163は、その上端が燃料電池セル3の上端よりも高い位置となる形状として第2の流路27内に配置しており、図41に示す熱交換抑制部材163は、その下端が燃料電池セル3の下端よりも低い位置となり、かつその上端が、燃料電池セル3の上端よりも高い位置となる形状として第3の流路28内に配置されている。なお、図示していないが、熱交換抑制部材163は、セルスタック4を構成する燃料電池セル3の配列方向における幅以上の幅を有しており、セルスタック4を構成する燃料電池セル3の配列方向に沿う側部の外形以上の大きさとして構成されている。
また第2の流路27を流れる反応ガスの温度が低下することを効率よく抑制するにあたっては、第2の流路27または第3の流路28において、それぞれの流路を構成する第2の壁24の面積が大きい方の流路に熱交換抑制部材163を具備することが好ましく、その際、それぞれの流路を構成する第2の壁24の全面に熱交換抑制部材163を固着することもできる。
それにより、第2の流路27を流れる反応ガスの温度が低下することを抑制でき、高温の反応ガスを燃料電池セル3に供給することができ、発電効率の高い燃料電池モジュール161とすることができる。
なお、熱交換抑制部材163を第2の壁24に固着するにあたり、第2の壁24に熱交換抑制部材163を固着するための固着部材を設けることや、第1の壁23や第3の壁25に熱交換抑制部材163を第2の壁24に固着するための固着部材を設けることもできる。
上述したように、本発明の燃料電池モジュールにおいては、収納容器162,165内に、反応ガス供給管30より供給される反応ガスを上方に流すための第1の流路26と、第1の流路26を流れた反応ガスを発電室29(燃料電池セル3)内に供給するための第2の流路27と、発電室29内の排ガスを下方に向けて流すための第3の流路28を具備し、第2の流路27および第3の流路28のうち少なくとも一方に熱交換抑制部材163を具備していればよく、それぞれの流路の構成は適宜設定することができる。
(第15および第16の実施形態)
図42は、収納容器172内にセルスタック装置9を収納してなる、本発明の第15の実施形態の燃料電池モジュール171を示す。図43は、収納容器182内にセルスタック装置9を収納してなる、本発明の第16の実施形態の燃料電池モジュール181を示す。図42に示す収納容器172においては、第1の壁23の上端が収納容器172の上壁(外壁22)と接続されており、第1の壁23に、第1の流路26と第2の流路27とをつなぐための反応ガス流通口173が設けられている。そして、第2の壁24の上端が、第1の壁23の反応ガス流通口173よりも下方に接続されている。また、第3の壁25の上端は収納容器172の上壁と接続されており、第2の壁24と第3の壁25との間に、発電室29と第3の流路28とをつなぐ排ガス流通路174が設けられている。なお、第3の壁25は、第1の壁23と第2の壁24との接続部よりも収納容器172の上壁側(反応ガス流通口173よりも上方側)で第1の壁23と接続することもできる。なお、図42に示す収納容器172においては、熱交換抑制部材163を第2の流路27に配置している例を示している。
また、図43に示す収納容器182においては、第1の壁23の上端が収納容器182の上壁(外壁22)と接続されており、第2の壁24の上端が収納容器182の上壁(外壁22)に接続されている。なお、第2の壁24と第3の壁25との間に、発電室29と第3の流路28とをつなぐ排ガス流通口184が設けられている。そして、第1の壁23と第2の壁24との間に、第1の流路26と第2の流路27とをつなぐ反応ガス流通路183が設けられている。また、第3の壁25はその上端が第2の壁24の排ガス流通口184の下方で、かつ反応ガス流通路183の上端と同じ位置もしくはそれより高い位置で、第2の壁24に接続されている。なお、第2の壁24の上端は、排ガス流通口184よりも収納容器182の上壁側にて第1の壁23に接続することもできる。なお、図43に示す収納容器182においては、熱交換抑制部材163を第2の流路27に配置している例を示している。
そして、図42および図43に示した収納容器172および収納容器182においても、反応ガス供給管30より供給される反応ガスは、第1の流路26を上方に向けて流れ、第1の流路26を流れた反応ガスが続いて第2の流路27を流れた後、燃料電池セル3に流れる。また、発電室29内の排ガスが第3の流路28を流れて収納容器172および収納容器182の外部へ排気される。この際、第2の流路27に熱交換抑制部材163を具備することから、第2の流路27を流れる反応ガスと第3の流路28を流れる排ガスとの熱交換を抑制することができ、第2の流路27を流れる反応ガスの温度が低下することを抑制できる。それゆえ、高温の反応ガスを燃料電池セル3に供給することができることから、発電効率の高い燃料電池モジュールとすることができる。
(第17の実施形態)
図44は、本発明の第17の実施形態の燃料電池装置を示す斜視図である。なお、図44においては一部構成を省略して示している。
図44に示す燃料電池装置191は、支柱192と外装板193から構成される外装ケース内を仕切板194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1,41,50,53,55,61,68,71,81,91,101,111,131,137,141,151,161,164,171,181を収納するモジュール収納室195とし、下方側を燃料電池モジュール1,41,50,53,55,61,68,71,81,91,101,111,131,137,141,151,161,164,171,181を作動させるための補機を収納する補機収納室196として構成されている。なお、図44では、補機収納室196に収納する補機を省略している。
また、仕切板194には、補機収納室196の空気をモジュール収納室195側に流すための空気流通口197が設けられており、モジュール収納室195を構成する外装板193の一部に、モジュール収納室195内の空気を排気するための排気口198が設けられている。
このような燃料電池装置191においては、上述したように、発電効率を向上することができる燃料電池モジュール1,41,50,53,55,61,68,71,81,91,101,111,131,137,141,151,161,164,171,181をモジュール収納室195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191とすることができる。
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、第2の流路における反応ガス吹き出し口33の近傍に位置する第2の壁24と第3の壁25との間に、第2の流路を流れる反応ガスをより効率よく発電室29内に流すための板状の反応ガス流通方向調整部材を設けることもできる。それにより、第2の流路を流れる反応ガスが、効率よく発電室29内に流れることとなり、燃料電池セル3の発電効率を向上することができる。
上述の実施形態においては、収納容器内の各流路内を反応ガスとして酸素含有ガス(空気)を流す場合を例示したが、例えば収納容器内の各流路内を反応ガスとして水素含有ガス(燃料ガス)を流すこともできる。この場合、マニホールド6に供給する空気を別の構成により温めるとともに、改質器7は収納容器の外部に配置すればよい。
上述の第8および第9の実施形態において、例えば、第1の流路26を流れた反応ガスを発電室29の上方で複数回折り返すように往路97と復路98を構成することもできる。この場合においても、燃料電池セル3に供給される反応ガスと発電室29の上方の熱とで効率よく熱交換させることができ、燃料電池セル3(燃料電池モジュール91,101)の発電効率を向上させることができる。
上述の第10の実施形態において、例えば、上部第1の流路114を収納容器112の上壁22に沿って配置し、その下方に上部第2の流路115を設けた例を示したが、上部第1の流路114と上部第2の流路115の配置を逆とすることもできる。
上述の第11〜第13の実施形態の燃料電池モジュールにおいては、収納容器132,138,142,152内に、反応ガス供給管30より供給される反応ガスを上方に流すための第1の流路26と、第1の流路26を流れた反応ガスを発電室29(燃料電池セル3)に供給するための第2の流路27と、発電室29内の排ガスを下方に向けて流すための第3の流路28を具備するとともに、第1の壁23と第2の壁24との間および第2の壁24と第3の壁25との間(第2の流路27と第3の流路28)のうち少なくとも一方に熱交換抑制部134を備えていればよい。
そのため、燃料電池セル3に供給される反応ガスの温度をより高温とするにあたり、収納容器132,138,142,152の構成を上述の例以外の実施形態にも適用することができる。
例えば、収納容器132,138,142,152の構成を、第1の流路26を上方に向けて流れた反応ガスが、収納容器132,138,142,152の上壁に沿って発電室29の中央部側まで流通させた後に、折り返して第2の流路27に流れるような構成とすることもできる。すなわち、本発明の第8の実施形態および第9の実施形態に適用することもできる。
このような構成においては、発電室29において特に高温となる上部側の熱を利用することができることから、燃料電池セル3に供給する反応ガスの温度をより高温とすることができるとともに、第2の流路27と第3の流路28との間に熱交換抑制部134を備えることで、第2の流路27を流れる反応ガスと第3の流路28を流れる排ガスとの熱交換を抑制することができ、燃料電池セル3に高温の反応ガスを供給することができる。それにより、発電効率の高い燃料電池モジュールとすることができる。
また、例えば、収納容器132,138,142,152の構成を、セルスタック4の一方側側面に位置する第1の流路26を上方に向けて流れた反応ガスが、収納容器132,138,142,152の上壁に沿って流れた後に、セルスタック4の他方側側面に位置する第2の流路27に流れた後に、燃料電池セル3に供給されるような構成とすることもできる。すなわち、本発明の第10の実施形態に適用することもできる。
このような構成においては、発電室29において特に高温となる上部側の熱を利用することができるとともに、セルスタック4の一方側側面に位置する第1の流路26を流れる反応ガスが、他方側側面に位置する第2の流路27に流れることから、燃料電池セル3の両側面側から供給されるそれぞれの反応ガスの温度を均一に近づけることができ、発電効率の高い燃料電池モジュールとすることができる。
上述の第14〜第16の実施形態の燃料電池モジュールにおいては、収納容器162,165,172,182内に、反応ガス供給管30より供給される反応ガスを上方に流すための第1の流路26と、第1の流路26を流れた反応ガスを発電室29(燃料電池セル3)に供給するための第2の流路27と、発電室29内の排ガスを下方に向けて流すための第3の流路28を具備するとともに、第1の壁23と第2の壁24との間および第2の 壁24と第3の壁25との間(第2の流路27および第3の流路28)のうち少なくとも一方に熱交換抑制部材163を具備していればよい。
そのため、燃料電池セル3に供給される反応ガスの温度をより高温とするにあたり、収納容器162,165,172,182の構成を上述の例以外の実施形態にも適用することができる。
例えば、収納容器162,165,172,182の構成を、第1の流路26を上方に向けて流れた反応ガスが、収納容器162,165,172,182の上壁に沿って発電室29の中央部側まで流通させた後に、折り返して第2の流路27に流れるような構成とすることもできる。すなわち、本発明の第8の実施形態および第9の実施形態に適用することもできる。
このような構成においては、発電室29において特に高温となる上部側の熱を利用することができることから、燃料電池セル3に供給する反応ガスの温度をより高温とすることができるとともに、熱交換抑制部材163を第1の壁23と第2の壁24との間および第2の壁24と第3の壁25との間(第2の流路27および第3の流路28)のうち少なくとも一方に具備することで、第2の流路27を流れる反応ガスと第3の流路28を流れる排ガスとの熱交換を抑制することができ、燃料電池セル3に高温の反応ガスを供給することができる。それにより、発電効率の高い燃料電池モジュールとすることができる。
また、例えば、収納容器162,165,172,182の構成を、セルスタック4の一方側側面に位置する第1の流路26を上方に向けて流れた反応ガスが、収納容器162,165,172,182の上壁に沿って流れた後に、セルスタック4の他方側側面に位置する第2の流路27に流れた後に、燃料電池セル3に供給されるような構成とすることもできる。すなわち、本発明の第10の実施形態に適用することもできる。
このような構成においては、発電室29において特に高温となる上部側の熱を利用することができるとともに、セルスタック4の一方側側面に位置する第1の流路26を流れる反応ガスが、他方側側面に位置する第2の流路27に流れることから、燃料電池セル3の両側面側から供給されるそれぞれの反応ガスの温度を均一に近づけることができ、発電効率の高い燃料電池モジュールとすることができる。
また、上述の第6〜第16の実施形態において、発電室29内にセルスタック4を1列として配置する例を示したが、本発明の燃料電池モジュールは、発電室29内に、セルスタック4を2つ並置することもできる。この場合においては、それぞれのセルスタック4の一方側の側面(吹き出し口33)より高温の反応ガスが供給されることから、2つのセルスタック4を並置した場合であっても、効率よく燃料電池セルの発電を行うことができる。
本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本発明の範囲は特許請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、特許請求の範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。
Claims (26)
- 内部にガス流路を有する柱状の燃料電池セルを複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるセルスタックを直方体状の収納容器内に設けられた発電室内に収納してなる燃料電池モジュールであって、前記収納容器は、前記セルスタックを構成する前記燃料電池セルの配列方向に沿う側部と該側部に対向する前記収納容器の外壁との間に、
該収納容器の前記外壁と該外壁の内側に所定間隔をあけて配置された第1の壁との間に形成され、前記収納容器の下方側より供給される反応ガスを上方へ流すための第1の流路と、
前記第1の壁の内側に所定間隔をあけて配置された第2の壁と該第2の壁の内側に所定間隔をあけて配置された第3の壁との間に形成され、前記第1の流路を通って上方に流れた反応ガスを下方へ流して前記発電室内へ供給するための第2の流路と、
前記第1の壁と前記第2の壁との間に形成され、前記第1の流路と前記第2の流路との間に設けられた、前記発電室内の排ガスを上方から下方へ流すための第3の流路とを備えることを特徴とする燃料電池モジュール。 - 前記第1の壁の上端が前記第2の壁と接続され、該第2の壁の上端が前記収納容器の上壁と接続され、前記第3の壁の上端が、前記収納容器の前記上壁または前記第1の壁と前記第2の壁との接続部よりも前記収納容器の前記上壁側にて前記第2の壁と接続されているとともに、前記第2の壁に、前記第1の流路と前記第2の流路とをつなぐ反応ガス流通口を備え、前記第2の壁と前記第3の壁との間に、前記発電室と前記第3の流路とをつなぐ排ガス流通路を備え、前記第3の壁の下端部側に、前記発電室内に反応ガスを供給するための反応ガス吹き出し口を備え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1の壁の上端が前記収納容器の上壁と接続され、前記第2の壁の上端が前記第1の壁と接続され、前記第3の壁の上端が、前記収納容器の前記上壁または前記第1の壁と前記第2の壁との接続部よりも前記収納容器の前記上壁側にて前記第1の壁と接続されているとともに、前記第1の壁に、前記第1の流路と前記第2の流路とをつなぐ反応ガス流通口を備え、前記第2の壁と前記第3の壁との間に、前記発電室と前記第3の流路とをつなぐ排ガス流通路を備え、前記第3の壁の下端部側に、前記発電室内に反応ガスを供給するための反応ガス吹き出し口を備え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1の壁の上端が前記収納容器の上壁と接続され、前記第2の壁の上端が、前記第1の壁または前記収納容器の前記上壁と接続され、前記第3の壁の上端が前記第2の壁と接続されているとともに、前記第1の壁と前記第2の壁との間に、前記第1の流路と前記第2の流路とをつなぐ反応ガス流通路を備え、前記第2の壁の前記第3の壁との接続部よりも前記収納容器の前記上壁側に、前記発電室と前記第3の流路とをつなぐ排ガス流通口を備え、前記第3の壁の下端部側に、前記発電室内に反応ガスを供給するための反応ガス吹き出し口を備え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。
- 前記反応ガス流通口が複数個設けられているとともに、前記排ガス流通路が複数個設けられていることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の燃料電池モジュール。
- 前記反応ガス流通路が複数個設けられているとともに、前記排ガス流通口が複数個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。
- 前記燃料電池セルに燃料ガスを供給するための改質器が、前記収納容器の上壁の内面に接続されているとともに、前記改質器に原燃料を供給するための原燃料供給管が接続されていることを特徴とする請求項1乃至請求項6のうちいずれかに記載の燃料電池モジュール。
- 前記収納容器の上壁と該上壁の内側に所定間隔をあけて配置された前記発電室の上壁との間に形成され、前記第1の流路を流れる反応ガスを、前記収納容器の上壁に沿って流した後に、前記第2の流路に供給するための第4の流路を備えるとともに、前記発電室の上方に、該発電室内の排ガスを収集した後、前記第3の流路に流すための排ガス収集室を備え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4の流路内に、前記燃料電池セルの配列方向に沿う一方側に位置する前記第1の流路を流れた反応ガスを、前記燃料電池セルの配列方向に沿う一方側に位置する前記第2の流路に流すとともに、前記燃料電池セルの配列方向に沿う他方側に位置する前記第1の流路を流れた反応ガスを、前記燃料電池セルの配列方向に沿う他方側に位置する前記第2の流路に流すための仕切部材を備えることを特徴とする請求項8に記載の燃料電池モジュール。
- 前記排ガス収集室の上方に位置し、前記第4の流路を流れた反応ガスを収集した後、前記第2の流路に流すための第5の流路を備えることを特徴とする請求項8に記載の燃料電池モジュール。
- 前記収納容器の上壁と該上壁の内側に所定間隔をあけて配置された前記発電室の上壁との間に形成され、前記第1の流路を流れた反応ガスを、前記燃料電池セルの配列方向と直交する方向の中央部へ流すための往路と、前記反応ガスを前記往路から折り返して前記第2の流路へ流すための復路とを有してなる第4の流路を備え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。
- 前記往路および前記復路のうち少なくとも一方が、前記収納容器を構成する上壁に沿って配置されていることを特徴とする請求項11に記載の燃料電池モジュール。
- 前記復路が、前記往路よりも下方に配置されていることを特徴とする請求項12に記載の燃料電池モジュール。
- 前記収納容器の上壁と該上壁の内側に所定間隔をあけて配置された前記発電室の上壁との間に形成され、前記燃料電池セルの配列方向に沿う一方側に位置する前記第1の流路を
流れた反応ガスを、前記燃料電池セルの配列方向と直交する方向に流した後に、前記燃料電池セルの配列方向に沿う他方側に位置する前記第2の流路に流すための第4の流路を備え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4の流路は、前記燃料電池セルの配列方向に沿う一方側に位置する前記第1の流路を流れた反応ガスを前記収納容器の前記燃料電池セルの配列方向と直交する方向の中央部へ流すための上部第1の流路と、該上部第1の流路を流れた前記反応ガスを前記燃料電池セルの配列方向に沿う他方側に位置する前記第2の流路へ流すための上部第2の流路とを有し、前記上部第1の流路または前記上部第2の流路が、前記収納容器を構成する上壁に沿って配置されていることを特徴とする請求項14に記載の燃料電池モジュール。
- 前記第1の壁と前記第2の壁との間および前記第2の壁と前記第3の壁との間のうち少なくとも一方に、前記第2の流路を流れる反応ガスと前記第3の流路を流れる排ガスとの熱交換を抑制するための熱交換抑制部材を備えることを特徴とする請求項1乃至請求項15のうちいずれかに記載の燃料電池モジュール。
- 前記第1の壁と前記第2の壁との間に、第4の壁が配置されているとともに該第4の壁と前記第2の壁とで形成される空間が前記熱交換抑制部として構成されていることを特徴とする請求項16に記載の燃料電池モジュール。
- 前記第2の壁と前記第3の壁との間に、第4の壁が配置されているとともに該第4の壁と前記第2の壁とで形成される空間が前記熱交換抑制部として構成されていることを特徴とする請求項17に記載の燃料電池モジュール。
- 前記第2の流路および前記第3の流路が、前記セルスタックを構成する前記燃料電池セルの配列方向に沿う側部の外形以上の大きさであるとともに、前記熱交換抑制部が、前記セルスタックを構成する前記燃料電池セルの配列方向に沿う側部の外形以上の大きさであることを特徴とする請求項17または請求項18に記載の燃料電池モジュール。
- 前記熱交換抑制部内に断熱材を有することを特徴とする請求項17乃至請求項19のうちいずれかに記載の燃料電池モジュール。
- 前記熱交換抑制部材が、前記第2の壁に固着して配置されていることを特徴とする請求項16に記載の燃料電池モジュール。
- 前記第2の流路および前記第3の流路が、前記セルスタックを構成する前記燃料電池セルの配列方向に沿う側部の外形以上の大きさであるとともに、前記熱交換抑制部材が、前記セルスタックを構成する前記燃料電池セルの配列方向に沿う側部の外形以上の大きさである板状の断熱材であることを特徴とする請求項21に記載の燃料電池モジュール。
- 前記収納容器の底部側に反応ガス導入管が接続された反応ガス導入部が形成されているとともに、前記反応ガス導入部と前記第1の流路とがつながっていることを特徴とする請求項1乃至請求項22のうちいずれかに記載の燃料電池モジュール。
- 前記反応ガス導入部の上部に、前記第3の流路を流れた排ガスを収集するための排ガス収集部が設けられているとともに、該排ガス収集部を流れた排ガスを前記収納容器の外部に排気するための排ガス排気管が前記排ガス収集部に接続されていることを特徴とする請求項23に記載の燃料電池モジュール。
- 前記発電室内に、前記セルスタックを2つ並置してなることを特徴とする請求項1乃至
請求項24のうちいずれかに記載の燃料電池モジュール。 - 外装ケースと、該外装ケース内に収納される、請求項1乃至請求項25のうちいずれかに記載の燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを作動させるための補機とを含むことを特徴とする燃料電池装置。
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