JP6809884B2 - Fuel cell module and fuel cell device - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell module and a fuel cell device.
近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルが複数配列されたセルスタック装置を収納装置内に収納してなる燃料電池モジュールや燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている（例えば、特許文献１）。 In recent years, as next-generation energy, a cell stack device in which a plurality of fuel cell cells capable of obtaining electricity by using fuel gas (hydrogen-containing gas) and air (oxygen-containing gas) are arranged is stored in the storage device. Various fuel cell devices and fuel cell devices in which the fuel cell module is housed in an outer case have been proposed (for example, Patent Document 1).
燃料電池モジュールは、収納容器内の収納室内にセルスタック装置が収納された構成であり、セルスタック装置に酸素含有ガスを供給するための流路および外部へと排ガスを排出するための流路が収納容器内に形成されている。酸素含有ガスと排ガスとは互いに隣接する流路を流れることで、酸素含有ガスと排ガスとで効率よく熱交換することができる。 The fuel cell module has a configuration in which the cell stack device is housed in the storage chamber inside the storage container, and has a flow path for supplying oxygen-containing gas to the cell stack device and a flow path for discharging exhaust gas to the outside. It is formed in the storage container. Since the oxygen-containing gas and the exhaust gas flow through the flow paths adjacent to each other, the oxygen-containing gas and the exhaust gas can efficiently exchange heat.
ところで、上記特許文献１においては、収納容器の底から供給された酸素含有ガスは燃料電池セルの配列方向に沿って対をなす側方に分岐して収納容器の上方まで流れ、収納室の上方から排出される排ガスは燃料電池セルの配列方向に沿って対をなす側方に分岐して収納容器の下方まで流れる流路構成とされている。このような構成とすることで、酸素含有ガスと排ガスとの熱交換面積を大きくとることができるが、酸素含有ガス及び排ガスを均等に分流することは困難であった。それゆえ、一方側の側方に酸素含有ガスが多く流れ、他方側の側方に排ガスが多く流れる場合には、酸素含有ガスと排ガスとで効率よく熱交換することができないおそれがあった。 By the way, in the above-mentioned Patent Document 1, the oxygen-containing gas supplied from the bottom of the storage container branches to the paired side along the arrangement direction of the fuel cell and flows to the upper part of the storage container, and is above the storage chamber. The exhaust gas discharged from the fuel cell has a flow path configuration in which the exhaust gas is branched into a pair of sides along the arrangement direction of the fuel cell and flows to the lower part of the storage container. With such a configuration, the heat exchange area between the oxygen-containing gas and the exhaust gas can be increased, but it is difficult to evenly distribute the oxygen-containing gas and the exhaust gas. Therefore, when a large amount of oxygen-containing gas flows to one side and a large amount of exhaust gas flows to the other side, there is a risk that heat exchange between the oxygen-containing gas and the exhaust gas cannot be performed efficiently.
本発明の目的は、簡単な構成で、効率よく排ガスと酸素含有ガスとの熱交換を行うことのできる燃料電池モジュールおよび、それを用いた燃料電池装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a fuel cell module capable of efficiently exchanging heat between an exhaust gas and an oxygen-containing gas with a simple configuration, and a fuel cell device using the same.
本開示の燃料電池モジュールは、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう複数の燃料電池セルが、互いに電気的に接続され、配列されてなるセルスタックと、
底壁、上壁、燃料電池セルの配列方向に沿って対をなす第一側壁と第二側壁とを含む側壁から構成され、前記セルスタックを収納する収納室を有する収納容器と、
外部から該収納容器内へと酸素含有ガスを送入する酸素含有ガス送入口と、
前記酸素含有ガス送入口から送入された酸素含有ガスが流れる酸素含有ガス流路と、
前記収納室より排出された排ガスが流れる排ガス流路と、を備え、
前記酸素含有ガス流路は、前記底壁に沿う流路、前記第一側壁に沿う流路及び前記上壁に沿う流路から構成され、
前記排ガス流路は、前記第一側壁及び前記底壁において前記酸素含有ガス流路と隣接して対向流路となるように、かつ前記排ガス流路を流過した排ガスが、前記第二側壁を介して前記収納容器外へ送出されるように配置されている。
The fuel cell module of the present disclosure includes a cell stack in which a plurality of fuel cell cells that generate electricity from a fuel gas and an oxygen-containing gas are electrically connected to each other and arranged.
A storage container composed of a bottom wall, an upper wall, and a side wall including a first side wall and a second side wall paired along the arrangement direction of the fuel cell, and having a storage chamber for storing the cell stack.
An oxygen-containing gas inlet that feeds oxygen-containing gas from the outside into the storage container,
An oxygen-containing gas flow path through which the oxygen-containing gas sent from the oxygen-containing gas inlet flows, and
An exhaust gas flow path through which the exhaust gas discharged from the storage chamber flows is provided .
It said oxygen-containing gas flow path is a flow path along the bottom wall is constituted by Yan Uryuro the flow path and the upper wall along the first side wall,
The exhaust gas flow path is such that the first side wall and the bottom wall are adjacent to the oxygen-containing gas flow path and become an opposite flow path, and the exhaust gas that has flowed through the exhaust gas flow path forms the second side wall. It is arranged so as to be sent out of the storage container via.
また、本開示の燃料電池装置は、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、前記燃料電池モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースとを備える。 Further, the fuel cell device of the present disclosure includes a fuel cell module, an auxiliary machine for operating the fuel cell module, and an outer case for accommodating the fuel cell module and the auxiliary machine.
本開示の燃料電池装置によれば、簡単な構成で、排ガスと酸素含有ガスとの熱交換の効率を向上することができる。 According to the fuel cell device of the present disclosure, the efficiency of heat exchange between the exhaust gas and the oxygen-containing gas can be improved with a simple configuration.
また、本開示の燃料電池装置によれば、上記の燃料電池モジュールを備えることで発電効率を向上させることができる。 Further, according to the fuel cell device of the present disclosure, the power generation efficiency can be improved by providing the above-mentioned fuel cell module.
図１は燃料電池モジュールの内部構成を示す縦方向の断面図であり、図２は燃料電池モジュールの分解斜視図である。なお、図２は、モジュール組み立て作業のために、燃料電池モジュール１０を作業台等に容器開口（第二側壁１Ａｄ側の側方）を上にして載置した状態（いわゆる「横倒し」あるいは「寝かせた」状態）を示しており、組み立て後に輸送や使用される場合は、図１のように、容器開口を側面にしてセルスタック２Ａを正立させた状態（立てた状態）で用いられる。 FIG. 1 is a vertical cross-sectional view showing the internal configuration of the fuel cell module, and FIG. 2 is an exploded perspective view of the fuel cell module. In addition, FIG. 2 shows a state in which the fuel cell module 10 is placed on a workbench or the like with the container opening (side of the second side wall 1Ad side) facing up (so-called “sideways” or “laying down”) for module assembly work. When transported or used after assembly, the cell stack 2A is used in an upright state (upright state) with the container opening as a side surface, as shown in FIG.
図１に示す実施形態の燃料電池モジュール１０は、収納容器１の内側に、断熱材を配設してその内部空間が収納室１２とされている。収納室１２には、セルスタック装置２及び酸素含有ガス導入板３が収容されている。 In the fuel cell module 10 of the embodiment shown in FIG. 1, a heat insulating material is arranged inside the storage container 1, and the internal space thereof is a storage chamber 12. The storage chamber 12 houses the cell stack device 2 and the oxygen-containing gas introduction plate 3.
収納容器１は、外壁１Ａ及び内壁１Ｂから構成される直方体形状の容器である。外壁１Ａは、セルスタック装置２の下方に位置する底壁１Ａａと、セルスタック装置２の上方に位置する上壁１Ａｃと、セルスタック装置２の側方に位置し、燃料電池セルの配列方向に沿って対をなす第一側壁１Ａｂ及び第二側壁１Ａｄを有している。また、内壁１Ｂは、第二側壁１Ａｄを除く各外壁の内側に、所定の空間を配して設けられている。 The storage container 1 is a rectangular parallelepiped container composed of an outer wall 1A and an inner wall 1B. The outer wall 1A is located on the side of the bottom wall 1Aa located below the cell stack device 2, the upper wall 1Ac located above the cell stack device 2, and the cell stack device 2 in the direction of arrangement of the fuel cell cells. It has a pair of first side wall 1Ab and second side wall 1Ad along the line. Further, the inner wall 1B is provided by arranging a predetermined space inside each outer wall except for the second side wall 1Ad.
図１で示すように、収納容器１は内壁１Ｂより内側に、燃料電池セルの配列方向に沿って配置される第一側部断熱材７Ａ及び第二側部断熱材７Ｂと、底壁１Ａａに沿って配置される底部断熱材６を有している。 As shown in FIG. 1, the storage container 1 is placed inside the inner wall 1B on the first side heat insulating material 7A and the second side heat insulating material 7B and the bottom wall 1Aa arranged along the arrangement direction of the fuel cell. It has a bottom insulation 6 arranged along it.
ここで、底部断熱材６、第一側部断熱材７Ａ、第二側部断熱材７Ｂの「底部」、「側部」とは、組み立て後の稼動状態（図１）で底部側、側部側に位置するという意味であり、図２のように組み立て中の場合は、底部断熱材６は横倒しになったセルスタック２Ａの側方に位置し、第一側部断熱材７Ａ及び第二側部断熱材７Ｂは、横倒しになったセルスタック２Ａの下側に相当する第一側壁１Ａｂ側と、横倒しになったセルスタック２Ａ上側の第二側壁１Ａｄ側とに位置する。 Here, the "bottom" and "side" of the bottom heat insulating material 6, the first side heat insulating material 7A, and the second side heat insulating material 7B are the bottom side and the side portion in the operating state after assembly (FIG. 1). It means that it is located on the side, and when assembling as shown in FIG. 2, the bottom heat insulating material 6 is located on the side of the cell stack 2A that has been laid down, and the first side heat insulating material 7A and the second side. The partial heat insulating material 7B is located on the first side wall 1Ab side corresponding to the lower side of the laid-down cell stack 2A and the second side wall 1Ad side on the upper side of the laid-down cell stack 2A.
図１で示す第二側部断熱材７Ｂの内側面（セルスタック装置２側）には、溝状凹部７ｃ，７ｄが形成されており、これら溝状凹部７ｃ，７ｄに嵌入されたセルスタック保持用断熱材８Ｃ，８Ｄが、所定の適切な位置で、セルスタック装置２を支持するようになっている。一方で、セルスタック保持用断熱材８Ａ，８Ｂは、酸素含有ガス導入板３に設けられた断熱材固定部材９により保持され、所定の適切な位置で、セルスタック装置２を支持するようになっている。なお、断熱材としては、一般的に使用される断熱材料を用いることができ、たとえば、アルミナ系、シリカ系、アルミナシリカ系材料から構成された断熱材を用いることができる。 Groove-shaped recesses 7c and 7d are formed on the inner surface (cell stack device 2 side) of the second side heat insulating material 7B shown in FIG. 1, and the cell stack is held in the groove-shaped recesses 7c and 7d. The heat insulating materials 8C and 8D are adapted to support the cell stack device 2 at a predetermined appropriate position. On the other hand, the heat insulating materials 8A and 8B for holding the cell stack are held by the heat insulating material fixing member 9 provided on the oxygen-containing gas introduction plate 3, and support the cell stack device 2 at a predetermined appropriate position. ing. As the heat insulating material, a generally used heat insulating material can be used. For example, a heat insulating material composed of alumina-based, silica-based, or alumina-silica-based material can be used.
図１で示すように、収納室１２に収容されたセルスタック装置２は、セルスタック２Ａ，マニホールド２Ｂおよび改質器２Ｃを組み合わせて構成されている。セルスタック２Ａは、内部を燃料ガスが長手方向（稼動時上下方向）に流過する燃料ガス流路（図示せず）を有する中空平板型の柱状燃料電池セルを立設させた状態で一列に配列し、隣接する燃料電池セル間が集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続されている。セルスタック２Ａを構成する各燃料電池セルの下端は、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２Ｂに固定されている。なお、燃料電池セルとしては、柱状のものであればよく、たとえば円筒型や横縞型としてもよい。 As shown in FIG. 1, the cell stack device 2 housed in the storage chamber 12 is configured by combining the cell stack 2A, the manifold 2B, and the reformer 2C. The cell stack 2A is arranged in a row in a state where hollow flat plate type columnar fuel cell cells having a fuel gas flow path (not shown) through which fuel gas flows in the longitudinal direction (vertical direction during operation) are erected inside. They are arranged and adjacent fuel cell cells are electrically connected in series via a current collecting member (not shown). The lower ends of the fuel cell cells constituting the cell stack 2A are fixed to the manifold 2B with an insulating joining material (not shown) such as a glass sealing material. The fuel cell may be a columnar one, for example, a cylindrical type or a horizontal stripe type.
セルスタック２Ａの上方には、天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質器２Ｃが配設されており、この改質器２Ｃで生成された燃料ガスが、燃料ガス供給管２ｄを通じてマニホールド２Ｂに供給される。 Above the cell stack 2A, a reformer 2C for reforming raw fuel such as natural gas or kerosene to generate fuel gas to be supplied to the fuel cell is arranged, and the reformer 2C is arranged. The fuel gas generated in (1) is supplied to the manifold 2B through the fuel gas supply pipe 2d.
マニホールド２Ｂに供給された燃料ガスは、各燃料電池セル（セルスタック２Ａ）の内部に設けられたガス流路を下端より上端に向けて流れ、各燃料電池セルでは、この燃料ガスと、側方に位置する酸素含有ガス導入板３から供給される酸素含有ガス（空気）とで、発電が行なわれる。 The fuel gas supplied to the manifold 2B flows through the gas flow path provided inside each fuel cell (cell stack 2A) from the lower end to the upper end, and in each fuel cell, this fuel gas and the side Power is generated by the oxygen-containing gas (air) supplied from the oxygen-containing gas introduction plate 3 located in.
なお、セルスタック装置２においては、各燃料電池セル（セルスタック２Ａ）の上端において燃料ガス流路の終端より排出される、発電に寄与しなかった余剰の燃料ガスと酸素含有ガスとを混合して、セルスタック２Ａと改質器２Ｃの間に位置する燃焼部１１ｃにおいて、着火ヒーター（図示せず）により着火して燃焼させ、その燃焼熱を改質器２Ｃの加熱および原燃料の改質に利用している。なお、収納室１２における、セルスタック２Ａより改質器２Ｃ側の上側空間（高温部）を燃焼室１１Ｂ、セルスタック２Ａ側の下側空間（低温部）を発電室１１Ａと呼称する。 In the cell stack device 2, the surplus fuel gas that did not contribute to power generation and the oxygen-containing gas, which are discharged from the end of the fuel gas flow path at the upper end of each fuel cell (cell stack 2A), are mixed. Then, in the combustion unit 11c located between the cell stack 2A and the reformer 2C, the combustion heater (not shown) ignites and burns, and the combustion heat is used to heat the reformer 2C and reform the raw material fuel. I am using it for. In the storage chamber 12, the upper space (high temperature portion) on the reformer 2C side of the cell stack 2A is referred to as the combustion chamber 11B, and the lower space (low temperature portion) on the cell stack 2A side is referred to as the power generation chamber 11A.
図１で示すように、セルスタック装置２に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス流路（１３，１４，１５）が、収納容器１における底壁１Ａａ、第一側壁１Ａｂ及び上壁１Ａｃに沿って設けられている。また、収納容器１の底壁１Ａａには、外部から酸素含有ガス流路（１３，１４，１５）へ酸素含有ガスを送入する酸素含有ガス送入口１３ａが設けられている。さらに、セルスタック装置２から排出される排ガスをモジュール外の熱交換器等へ輸送するための排ガス流路（１６，１７，１８）が第一側壁１Ａｂ及び底壁１Ａａに沿って設けられた酸素含有ガス流路１３，１４と隣接して対向流路となるように設けられている。また、収納容器１の第二側壁１Ａｄの外側に設けられる熱交換器（図示せず）へと排ガスを流すための排ガス流路１９及び排ガス流出口２０が第二側壁１Ａｄの外側に設けられている。なお、各断面図は模式図であるため、流路の厚みを実際より誇張して描いており、流路の、容器の厚み方向（紙面表裏方向）の重なりや蛇行、迂回等、三次元的な形状を、必ずしも反映させているものではない。また、他の部材の厚みや寸法も、実際のものとは異なる。 As shown in FIG. 1, the oxygen-containing gas flow paths (13, 14, 15) for supplying the oxygen-containing gas to the cell stack device 2 are along the bottom wall 1Aa, the first side wall 1Ab, and the upper wall 1Ac in the storage container 1. It is provided. Further, the bottom wall 1Aa of the storage container 1 is provided with an oxygen-containing gas inlet 13a for feeding oxygen-containing gas from the outside to the oxygen-containing gas flow paths (13, 14, 15). Further, oxygen flow paths (16, 17, 18) for transporting the exhaust gas discharged from the cell stack device 2 to a heat exchanger or the like outside the module are provided along the first side wall 1Ab and the bottom wall 1Aa. It is provided so as to be an opposite flow path adjacent to the contained gas flow paths 13 and 14. Further, an exhaust gas flow path 19 and an exhaust gas outlet 20 for flowing exhaust gas to a heat exchanger (not shown) provided outside the second side wall 1Ad of the storage container 1 are provided outside the second side wall 1Ad. There is. Since each cross-sectional view is a schematic view, the thickness of the flow path is exaggerated from the actual one, and the flow path is three-dimensional, such as overlapping, meandering, and detouring in the thickness direction of the container (front and back directions of the paper). It does not necessarily reflect the shape. Also, the thickness and dimensions of other members are different from the actual ones.
なお、以下では、底壁１Ａａに沿った酸素含有ガス流路を第一流路１３、第一側壁に沿った酸素含有ガス流路を第二流路１４、上壁に沿った酸素含有ガス流路を第三流路１５、第一側壁沿った排ガス流路を第四流路１７、底壁に沿った排ガス流路を第五流路１８、第二側壁に沿った排ガス流路を第六流路１９とする場合がある。 In the following, the oxygen-containing gas flow path along the bottom wall 1Aa is the first flow path 13, the oxygen-containing gas flow path along the first side wall is the second flow path 14, and the oxygen-containing gas flow path along the upper wall. The third flow path 15, the exhaust gas flow path along the first side wall is the fourth flow path 17, the exhaust gas flow path along the bottom wall is the fifth flow path 18, and the exhaust gas flow path along the second side wall is the sixth flow path. Road 19 may be used.
図１で示すように、第三流路１５を構成する収納容器１の内壁１Ｂには、第三流路１５から下方のマニホールド２Ｂ部位に向けて垂下する、酸素含有ガス導入板３が接続されている。 As shown in FIG. 1, an oxygen-containing gas introduction plate 3 that hangs down from the third flow path 15 toward the lower manifold 2B portion is connected to the inner wall 1B of the storage container 1 that constitutes the third flow path 15. ing.
酸素含有ガス導入板３は、例えば、２つの板状部材を、隙間を空けて外周を接合したものであって、第三流路１５と連通する部分とセルスタック２Ａに対して酸素含有ガスである空気を供給するための酸素含有ガス吐出口３ｃのみが開放され、それ以外は閉塞されている。なお、セルスタック２Ａのセル配列方向長さに相当する板幅を有している。 The oxygen-containing gas introduction plate 3 is, for example, formed by joining two plate-shaped members to the outer periphery with a gap, and uses oxygen-containing gas for a portion communicating with the third flow path 15 and the cell stack 2A. Only the oxygen-containing gas discharge port 3c for supplying a certain air is opened, and the others are closed. The cell stack 2A has a plate width corresponding to the length in the cell arrangement direction.
図２の分解斜視図で示すように、燃料電池モジュール１０は、以下の順で各部材が収納容器１に収容されている。第二側壁１Ａｄ側の側方が開口した収納容器１に、第一側部断熱材７Ａと、燃料電池セルに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス導入板３と、酸素含有ガス導入板３の上面に配置されたリブ状のセルスタック保持用断熱材８Ａ，８Ｂと、セルスタック２Ａおよび改質器２Ｃを含むセルスタック装置２と、セルスタック装置２の側方（マニホールド２Ｂ側）に配設される底部断熱材６と、セルスタック保持用断熱材８Ｃ，８Ｄと、第二側部断熱材７Ｂとを収納する。そして、収納容器１に各部材を収納した後に、収納容器１をペーパーガスケット４及び第二側壁１Ａｄにて閉口することにより燃料電池モジュール１０を組み立てることが可能となる。 As shown in the exploded perspective view of FIG. 2, each member of the fuel cell module 10 is housed in the storage container 1 in the following order. The first side heat insulating material 7A, the oxygen-containing gas introduction plate 3 for supplying the oxygen-containing gas to the fuel cell, and the oxygen-containing gas introduction plate 3 are placed in the storage container 1 whose side is open on the second side wall 1Ad side. Arranged on the side (manifold 2B side) of the rib-shaped cell stack holding heat insulating materials 8A and 8B arranged on the upper surface, the cell stack device 2 including the cell stack 2A and the reformer 2C, and the cell stack device 2. The bottom heat insulating material 6, the cell stack holding heat insulating materials 8C and 8D, and the second side heat insulating material 7B are housed. Then, after storing each member in the storage container 1, the fuel cell module 10 can be assembled by closing the storage container 1 with the paper gasket 4 and the second side wall 1Ad.
次に、図１及び２で示す燃料電池モジュール１０における酸素含有ガスおよび排ガスの流れについて、図３および図４を加えてそれぞれの流路の構成とともに以下で説明する。図３は燃料電池モジュール１０の酸素含有ガス流路を示す図である。図３で示すように、酸素含有ガスを収納容器１内に送入するための酸素含有ガス送入口１３ａは、第一流路１３に連通されており、酸素含有ガス送入口１３ａから送入された酸素含有ガスの全量が、第一流路１３から第二流路１４へと流れる。第二流路１４を上方へ向かって流れた酸素含有ガスは第三流路１５に流れる。第三流路１５へと流れた酸素含有ガスは酸素含有ガス導入板３に流れる。酸素含有ガス流入側の基端部３ｂは、燃料電池セルの配列方向に延びてスリット状に開口する導入部３ｄとなっており、第三流路１５を流れる酸素含有ガスは導入部３ｄから酸素含有ガス導入板３に流れる。 Next, the flow of oxygen-containing gas and exhaust gas in the fuel cell module 10 shown in FIGS. 1 and 2 will be described below with reference to FIGS. 3 and 4 together with the configuration of each flow path. FIG. 3 is a diagram showing an oxygen-containing gas flow path of the fuel cell module 10. As shown in FIG. 3, the oxygen-containing gas inlet 13a for feeding the oxygen-containing gas into the storage container 1 communicates with the first flow path 13, and is fed from the oxygen-containing gas inlet 13a. The entire amount of oxygen-containing gas flows from the first flow path 13 to the second flow path 14. The oxygen-containing gas that has flowed upward through the second flow path 14 flows into the third flow path 15. The oxygen-containing gas that has flowed into the third flow path 15 flows into the oxygen-containing gas introduction plate 3. The base end portion 3b on the oxygen-containing gas inflow side is an introduction portion 3d that extends in the arrangement direction of the fuel cell and opens in a slit shape, and the oxygen-containing gas flowing through the third flow path 15 is oxygen from the introduction portion 3d. It flows to the contained gas introduction plate 3.
図４は、上記燃料電池モジュール１０内部の酸素含有ガス導入板３の形状を説明する半断面図（カットモデル）である。図４で示すように、酸素含有ガス導入板３は、セルスタック２Ａ側の下端部３ａであって、その下端（縁部）より少し距離をおいた位置に、酸素含有ガス吐出口３ｃが設けられており、一方の薄板状部材を貫通する小孔状で、幅方向に所定の間隔を開けて複数個形成されている。これにより、酸素含有ガス導入板３を流れる酸素含有ガスは柱状のセルスタック２Ａの下端部に供給される。その後、酸素含有ガスは、各燃料電池セルの柱状の外形に沿って、セルスタック２Ａの上端（燃焼室１２）の方向へ移動する。また、各燃料電池セル（セルスタック２Ａ）の上端において燃料ガス流路の終端より排出される、発電に寄与しなかった余剰の燃料ガスと酸素含有ガスとが混合されて、セルスタック２Ａと改質器２Ｃの間に位置する燃焼部１１ｃにおいて、着火ヒーター（図示せず）により着火して燃焼された高温の排ガスが収納室１２から排出される。 FIG. 4 is a half cross-sectional view (cut model) for explaining the shape of the oxygen-containing gas introduction plate 3 inside the fuel cell module 10. As shown in FIG. 4, the oxygen-containing gas introduction plate 3 is provided at the lower end portion 3a on the cell stack 2A side, and the oxygen-containing gas discharge port 3c is provided at a position slightly distant from the lower end (edge portion) thereof. It has a small hole shape that penetrates one of the thin plate-shaped members, and a plurality of small holes are formed at predetermined intervals in the width direction. As a result, the oxygen-containing gas flowing through the oxygen-containing gas introduction plate 3 is supplied to the lower end of the columnar cell stack 2A. After that, the oxygen-containing gas moves toward the upper end (combustion chamber 12) of the cell stack 2A along the columnar outer shape of each fuel cell. Further, the surplus fuel gas that did not contribute to power generation and the oxygen-containing gas discharged from the end of the fuel gas flow path at the upper end of each fuel cell (cell stack 2A) are mixed and modified into the cell stack 2A. In the combustion unit 11c located between the pawns 2C, the high-temperature exhaust gas ignited and burned by the ignition heater (not shown) is discharged from the storage chamber 12.
図４に示すように、酸素含有ガス導入板３における導入部３ｄ側（または基端部３ｂ側）の上部には、燃料電池セルの配列方向に延びる貫通口（排ガス流通口３ｆ）が設けられている。なお、本実施形態においては、排ガス流通口３ｆは改質器２Ｃの気化部２Ｃ１側と改質部２Ｃ２側の２箇所に設けられているが、少なくとも気化部２Ｃ１側に設けられていればよい。これにより、高温の排ガスは改質器２Ｃの気化部２Ｃ１近傍を流れるため、気化部２Ｃ１の温度を高温に維持することができる。 As shown in FIG. 4, a through port (exhaust gas flow port 3f) extending in the arrangement direction of the fuel cell is provided above the introduction portion 3d side (or the base end portion 3b side) of the oxygen-containing gas introduction plate 3. ing. In the present embodiment, the exhaust gas flow port 3f is provided at two locations, the vaporizing section 2C1 side and the reforming section 2C2 side of the reformer 2C, but it may be provided at least on the vaporizing section 2C1 side. .. As a result, the high-temperature exhaust gas flows in the vicinity of the vaporizing section 2C1 of the reformer 2C, so that the temperature of the vaporizing section 2C1 can be maintained at a high temperature.
図１及び図４で示すように、第一側部断熱材７Ａの上面と、収納室１２の上面である内壁１Ｂとは離間しており、酸素含有ガス導入板３を貫通する排ガス流通口３ｆ（図４参照）を通過した高温の排ガスは、第一側部断熱材７Ａ上側の空間（上部空間１６）に排出されるとともに、その空間に連通する第四流路１７へ流れる。 As shown in FIGS. 1 and 4, the upper surface of the first side heat insulating material 7A and the inner wall 1B which is the upper surface of the storage chamber 12 are separated from each other, and the exhaust gas flow port 3f penetrating the oxygen-containing gas introduction plate 3 The high-temperature exhaust gas that has passed through (see FIG. 4) is discharged into the space (upper space 16) above the first side heat insulating material 7A and flows into the fourth flow path 17 that communicates with the space.
図１で示すように、第一側部断熱材７Ａと第二流路１４との間に設けられた第四流路１７へ流れ込んだ排ガスは第五流路１８へと流れる。第二流路１４を上方向に向かって流れる酸素含有ガスは、第四流路１７を下方向に向かって流れる高温の排ガス全量との熱交換により暖められる。 As shown in FIG. 1, the exhaust gas that has flowed into the fourth flow path 17 provided between the first side heat insulating material 7A and the second flow path 14 flows into the fifth flow path 18. The oxygen-containing gas flowing upward in the second flow path 14 is warmed by heat exchange with the total amount of high-temperature exhaust gas flowing downward in the fourth flow path 17.
第五流路１８における排ガスの流れ方向における下流側には、排ガスを収納容器１外に排出する排出口１８ａを有しており、第五流路１８へ流れ込んだ排ガスは、排出口１８ａを通過して、言い換えれば第二側壁１Ａｄを介して、収納容器１外へ排出される。排出口１８ａを通過した排ガスは、第二側壁１Ａｄの外側に設けられた第六流路１９に流れ、その後排ガス流出口２０から熱交換器へと流れる。 A discharge port 18a for discharging the exhaust gas to the outside of the storage container 1 is provided on the downstream side in the flow direction of the exhaust gas in the fifth flow path 18, and the exhaust gas flowing into the fifth flow path 18 passes through the discharge port 18a. Then, in other words, it is discharged to the outside of the storage container 1 via the second side wall 1Ad. The exhaust gas that has passed through the exhaust port 18a flows into the sixth flow path 19 provided outside the second side wall 1Ad, and then flows from the exhaust gas outlet 20 to the heat exchanger.
ところで、従来は、収納容器の底から供給された酸素含有ガスは燃料電池セルの配列方向に沿って対をなす側方に分岐して収納容器の上方まで流れ、収納室の上方から排出される排ガスは燃料電池セルの配列方向に沿って対をなす側方に分岐して収納容器の下方まで流れる流路構成であった。このため、酸素含有ガス及び排ガスを均等に両側方に分流することは困難であり、一方側の側方に酸素含有ガスが多く流れ、他方側の側方に排ガスが多く流れる場合には酸素含有ガスと排ガスとで効率よく熱交換することができないおそれがあった。 By the way, conventionally, the oxygen-containing gas supplied from the bottom of the storage container branches to the paired sides along the arrangement direction of the fuel cell, flows to the upper part of the storage container, and is discharged from the upper part of the storage chamber. The exhaust gas had a flow path configuration in which the exhaust gas branched into pairs on the side along the arrangement direction of the fuel cell and flowed to the lower part of the storage container. For this reason, it is difficult to evenly distribute the oxygen-containing gas and the exhaust gas to both sides, and when a large amount of oxygen-containing gas flows to one side and a large amount of exhaust gas flows to the other side, oxygen is contained. There was a risk that heat exchange between gas and exhaust gas could not be performed efficiently.
そこで、本実施形態では、酸素含有ガス流路を、底壁１Ａａ、第一側壁１Ａｂ及び上壁１Ａｃに沿って設け、排ガス流路を、第一側壁１Ａｂ及び底壁１Ａａにおいて酸素含有ガス流路と隣接して対向流路となるように、かつ排ガス流路を流過した排ガスが、第二側壁１Ａｄを介して収納容器１外へ送出される構成としている。 Therefore, in the present embodiment, the oxygen-containing gas flow path is provided along the bottom wall 1Aa, the first side wall 1Ab, and the upper wall 1Ac, and the exhaust gas flow path is provided along the first side wall 1Ab and the bottom wall 1Aa. The exhaust gas that has flowed through the exhaust gas flow path is sent out of the storage container 1 via the second side wall 1Ad so as to be adjacent to the opposite flow path.
この構成により、酸素含有ガス流路及び排ガス流路にそれぞれ酸素含有ガス及び排ガスの全量を流すことができるため、酸素含有ガスと排ガスとの熱交換の効率を向上することができる。また、底壁１Ａａに沿って設けられた排ガス流路を、第一側壁１Ａｂから第二側壁１Ａｄに亘って設けたことにより、収納容器１内における排ガス流路を長く取ることができ、酸素含有ガスと排ガスとの熱交換の効率を向上することができる。すなわち、セルスタックに供給される酸素含有ガスの温度を高くすることができ、ひいては燃料電池モジュールの発電効率を向上させることができる。 With this configuration, the entire amount of the oxygen-containing gas and the exhaust gas can flow through the oxygen-containing gas flow path and the exhaust gas flow path, respectively, so that the efficiency of heat exchange between the oxygen-containing gas and the exhaust gas can be improved. Further, by providing the exhaust gas flow path provided along the bottom wall 1Aa from the first side wall 1Ab to the second side wall 1Ad, the exhaust gas flow path in the storage container 1 can be taken long, and oxygen is contained. The efficiency of heat exchange between gas and exhaust gas can be improved. That is, the temperature of the oxygen-containing gas supplied to the cell stack can be raised, and the power generation efficiency of the fuel cell module can be improved.
酸素含有ガス流路には、結露水を貯めるための第一貯水部２８ａが設けられていてもよい。図１で示すように第一貯水部２８ａは、たとえば第一流路１３と第二流路１４との接続部に設けられる。このような構成とすると、第二流路１４が結露水により塞がれることを防止することができる。 The oxygen-containing gas flow path may be provided with a first water storage unit 28a for storing condensed water. As shown in FIG. 1, the first water storage portion 28a is provided at, for example, a connection portion between the first flow path 13 and the second flow path 14. With such a configuration, it is possible to prevent the second flow path 14 from being blocked by the condensed water.
また、排ガス流路には、結露水を貯める第二貯水部２８ｂが設けられていてもよい。この構成により、排ガス流路が結露水により塞がれることを防止することができる。具体的には、底壁１Ａａに沿った排ガス流路である第五流路１８を、第五流路１８における下流方向側が低くなるように傾斜させ、かつ第五流路１８の下流端部に結露水を貯める第二貯水部２８ｂを有していてもよい。この構成により、第五流路１８で結露した結露水によって、第五流路１８が塞がれることを防止することができる。なお、第二貯水部２８ｂを第五流路１８の下流端部に設けた場合には、さらに第六流路１９において生じる結露水も貯水することができる。また、底部に設けられた排ガス流路である第五流路１８を、第五流路１８における上流方向側が低くなるように傾斜させ、かつ第五流路１８の上流端部に結露水を貯める第二貯水部２８ｂを有していてもよい。 Further, the exhaust gas flow path may be provided with a second water storage unit 28b for storing condensed water. With this configuration, it is possible to prevent the exhaust gas flow path from being blocked by the condensed water. Specifically, the fifth flow path 18, which is an exhaust gas flow path along the bottom wall 1Aa, is inclined so as to be lower on the downstream side of the fifth flow path 18, and is located at the downstream end of the fifth flow path 18. It may have a second water storage unit 28b for storing condensed water. With this configuration, it is possible to prevent the fifth flow path 18 from being blocked by the condensed water condensed in the fifth flow path 18. When the second water storage portion 28b is provided at the downstream end of the fifth flow path 18, the condensed water generated in the sixth flow path 19 can also be stored. Further, the fifth flow path 18, which is an exhaust gas flow path provided at the bottom, is inclined so that the upstream side of the fifth flow path 18 becomes lower, and dew condensation water is stored at the upstream end of the fifth flow path 18. It may have a second water storage unit 28b.
なお、第一貯水部２８ａ及び第二貯水部２８ｂは、満水となった場合に貯水された結露水を取り除くための排水孔（図示せず）と当該排水孔を塞ぐ蓋部（図示せず）を有していてもよい。結露水が満水となった場合には蓋部を取り外し排水孔から結露水を取り除くことができる。 The first water storage unit 28a and the second water storage unit 28b have a drainage hole (not shown) for removing the condensed dew water stored when the water is full and a lid part (not shown) for closing the drainage hole. May have. When the condensed water is full, the lid can be removed and the condensed water can be removed from the drain hole.
図１で示すように酸素含有ガス導入板３は、上壁１Ａｃより垂下し、セルスタック２Ａよりも第一側壁１Ａｂ側に設けられている。この構成により、収納室１２から排出される高温の排ガスの全量が酸素含有ガス導入板３における排ガス流通口３ｆを通過することとなるため、酸素含有ガス導入板３を熱伝導により暖めることができ、ひいては酸素含有ガス導入板３に流れる酸素含有ガスを暖めることができる。 As shown in FIG. 1, the oxygen-containing gas introduction plate 3 hangs down from the upper wall 1Ac and is provided on the first side wall 1Ab side of the cell stack 2A. With this configuration, the entire amount of the high-temperature exhaust gas discharged from the storage chamber 12 passes through the exhaust gas flow port 3f of the oxygen-containing gas introduction plate 3, so that the oxygen-containing gas introduction plate 3 can be warmed by heat conduction. As a result, the oxygen-containing gas flowing through the oxygen-containing gas introduction plate 3 can be warmed.
図１で示すように第五流路１８の下流端部における、排ガスの流れ方向と直交する方向の断面積が、第五流路１８の他の部分における排ガスの流れ方向と直交する方向の断面積より小さくなるように構成することができる。このような構成とすると、高温の排ガスを排ガス流路１８に滞留させることができるため、収納容器１底部において、排ガスと酸素含有ガスとの熱交換の効率を向上することができる。 As shown in FIG. 1, the cross-sectional area at the downstream end of the fifth flow path 18 in the direction orthogonal to the exhaust gas flow direction is cut off in the direction orthogonal to the exhaust gas flow direction in the other portion of the fifth flow path 18. It can be configured to be smaller than the area. With such a configuration, the high-temperature exhaust gas can be retained in the exhaust gas flow path 18, so that the efficiency of heat exchange between the exhaust gas and the oxygen-containing gas can be improved at the bottom of the storage container 1.
図１で示すように排ガスの流れ方向と直交する方向における、第五流路１８の断面積は、第四流路１７の断面積より大きくなっていてもよい。この構成により、収納容器１底部において、排ガスと酸素含有ガスとの熱交換の効率を向上することができる。なお、第五流路１８と第四流路１７との断面積の比較は、それぞれの流路における最大の断面積を比較するものとする。 As shown in FIG. 1, the cross-sectional area of the fifth flow path 18 in the direction orthogonal to the flow direction of the exhaust gas may be larger than the cross-sectional area of the fourth flow path 17. With this configuration, the efficiency of heat exchange between the exhaust gas and the oxygen-containing gas can be improved at the bottom of the storage container 1. In addition, in the comparison of the cross-sectional area of the fifth flow path 18 and the fourth flow path 17, the maximum cross-sectional area in each flow path shall be compared.
なお、酸素含有ガス送入口１３ａは、第二側壁１Ａｄに設けられていてもよい。この構成により、酸素含有ガスが第一流路１３を流れる距離が長くなることから、収納容器１底部において、排ガスと酸素含有ガスとの熱交換の効率を向上することができる。 The oxygen-containing gas inlet 13a may be provided on the second side wall 1Ad. With this configuration, the distance through which the oxygen-containing gas flows through the first flow path 13 becomes long, so that the efficiency of heat exchange between the exhaust gas and the oxygen-containing gas can be improved at the bottom of the storage container 1.
図５は、第２実施形態の燃料電池モジュールの断面図である。第１実施形態と重複する部分については説明を省略する。本実施形態においては、第二流路１４の途中には、酸素含有ガスの一部を分流して、セルスタックに供給する分流部である分流管２９が設けられている。この構成により、第二流路１４を流過する比較的温度の低い酸素含有ガスの一部を高温となるセルスタック２Ａの中段から上段に供給できるので、セルスタック２Ａの中段から上段の温度を効果的に下げることができ、温度分布の均一化が図れる。 FIG. 5 is a cross-sectional view of the fuel cell module of the second embodiment. The description of the portion overlapping with the first embodiment will be omitted. In the present embodiment, a diversion pipe 29, which is a diversion portion for splitting a part of the oxygen-containing gas and supplying it to the cell stack, is provided in the middle of the second flow path 14. With this configuration, a part of the oxygen-containing gas having a relatively low temperature flowing through the second flow path 14 can be supplied from the middle stage to the upper stage of the cell stack 2A having a high temperature, so that the temperature of the middle stage to the upper stage of the cell stack 2A can be adjusted. It can be lowered effectively and the temperature distribution can be made uniform.
そして、第三流路１５から下方のマニホールド２Ｂ部位に向けて垂下する酸素含有ガス導入板３が、セルスタック２Ａに対して、第二側壁１Ａｄ側の第二側部断熱材７Ｂ側に設けられる。この構成により、酸素含有ガスが第三流路１５を流れる距離が長くなることから、収納容器１上部における、排ガスと酸素含有ガスとの熱交換の効率を向上することができる。 Then, an oxygen-containing gas introduction plate 3 that hangs down from the third flow path 15 toward the lower manifold 2B portion is provided on the second side heat insulating material 7B side on the second side wall 1Ad side with respect to the cell stack 2A. .. With this configuration, the distance through which the oxygen-containing gas flows through the third flow path 15 becomes long, so that the efficiency of heat exchange between the exhaust gas and the oxygen-containing gas in the upper part of the storage container 1 can be improved.
なお、排ガスの排出口１８ａは第五流路１８の下流側に設けられている必要なく、例えば、第五流路１８と接続する第六流路１９が第二側壁１Ａｄの内側に設けられ、第六流路１９の排ガスの流れ方向の下端に排出口１８ａが設けられていてもよい。 The exhaust gas discharge port 18a does not need to be provided on the downstream side of the fifth flow path 18, and for example, the sixth flow path 19 connected to the fifth flow path 18 is provided inside the second side wall 1Ad. A discharge port 18a may be provided at the lower end of the sixth flow path 19 in the flow direction of the exhaust gas.
図６は、燃料電池モジュール１０と、この燃料電池モジュール１０を作動させるための補機とを、外装ケース５０内に収納した燃料電池装置６０の一例を示す透過斜視図である。なお、図６においては、モジュールの運転に用いる補機や、各種センサ類、配管・配線等と、外装板（化粧パネル）とを図示していない。 FIG. 6 is a transmission perspective view showing an example of a fuel cell device 60 in which a fuel cell module 10 and an auxiliary device for operating the fuel cell module 10 are housed in an outer case 50. Note that FIG. 6 does not show auxiliary equipment used for operating the module, various sensors, piping / wiring, and the exterior plate (decorative panel).
燃料電池装置６０は、各支柱５１と外装板（図示省略）から構成される外装ケース５０内に、前述（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５０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等の補機類が配設される。 The fuel cell device 60 includes the fuel cell module 10 of the above-mentioned (embodiment) in an exterior case 50 composed of each support column 51 and an exterior plate (not shown). In the exterior case 50, in addition to the illustrated fuel cell module 10, a tank for heat storage, a power conditioner for supplying generated electric power to the outside, and auxiliary equipment such as a pump and a controller are arranged.
このような燃料電池装置６０においては、本実施形態の燃料電池モジュールを備えることで、燃料電池モジュールの底部において容易に熱交換が可能な燃料電池装置とすることができる。 By providing the fuel cell module of the present embodiment in such a fuel cell device 60, it is possible to obtain a fuel cell device capable of easily exchanging heat at the bottom of the fuel cell module.
１ 収納容器
２Ａ セルスタック
３ 酸素含有ガス導入板
７Ａ 第一側部断熱材
７Ｂ 第二側部断熱材
１０ 燃料電池モジュール
１２ 収納室
１３ 第一流路
１３ａ 酸素含有ガス送入口
１４ 第二流路
１５ 第三流路
１７ 第四流路
１８ 第五流路
１９ 第六流路
２０ 流出口
２８ 貯水部
２９ 分流管
５０ 外装ケース
６０ 燃料電池装置
1 Storage container 2A Cell stack 3 Oxygen-containing gas introduction plate 7A First side heat insulating material 7B Second side heat insulating material 10 Fuel cell module 12 Storage room 13 First flow path 13a Oxygen-containing gas inlet 14 Second flow path 15th Three flow paths 17 Fourth flow path 18 Fifth flow path 19 Sixth flow path 20 Outlet 28 Water storage section 29 Divine flow pipe 50 Exterior case 60 Fuel cell device
Claims (11)
底壁、上壁、燃料電池セルの配列方向に沿って対をなす第一側壁と第二側壁とを含む側壁から構成され、前記セルスタックを収納する収納室を有する収納容器と、
外部から該収納容器内へと酸素含有ガスを送入する酸素含有ガス送入口と、
前記酸素含有ガス送入口から送入された酸素含有ガスが流れる酸素含有ガス流路と、
前記収納室より排出された排ガスが流れる排ガス流路と、を備え、
前記酸素含有ガス流路は、前記底壁に沿う流路、前記第一側壁に沿う流路及び前記上壁に沿う流路から構成され、
前記排ガス流路は、前記第一側壁及び前記底壁において前記酸素含有ガス流路と隣接して対向流路となるように、かつ前記排ガス流路を流過した排ガスが、前記第二側壁を介して前記収納容器外へ送出されるように配置されている
ことを特徴とする燃料電池モジュール。 A cell stack in which a plurality of fuel cell cells that generate electricity from a fuel gas and an oxygen-containing gas are electrically connected to each other and arranged in an array.
A storage container composed of a bottom wall, an upper wall, and a side wall including a first side wall and a second side wall paired along the arrangement direction of the fuel cell, and having a storage chamber for storing the cell stack.
An oxygen-containing gas inlet that feeds oxygen-containing gas from the outside into the storage container,
An oxygen-containing gas flow path through which the oxygen-containing gas sent from the oxygen-containing gas inlet flows, and
An exhaust gas flow path through which the exhaust gas discharged from the storage chamber flows is provided .
It said oxygen-containing gas flow path is a flow path along the bottom wall is constituted by Yan Uryuro the flow path and the upper wall along the first side wall,
The exhaust gas flow path is such that the first side wall and the bottom wall are adjacent to the oxygen-containing gas flow path so as to be an opposite flow path, and the exhaust gas flowing through the exhaust gas flow path forms the second side wall. A fuel cell module characterized in that it is arranged so as to be sent out of the storage container via the above.
該側壁側断熱材と、前記収納室の上面とは離間していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池モジュール。 Further provided with a side wall heat insulating material provided between the cell stack and the first side wall.
The fuel cell module according to any one of claims 1 to 5 , wherein the side wall side heat insulating material and the upper surface of the storage chamber are separated from each other.
前記酸素含有ガス導入板は、前記収納室の上面より垂下し、前記セルスタックよりも前記第二側壁側に設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の燃料電池モジュール。 An oxygen-containing gas introduction plate that is connected to the oxygen-containing gas flow path and supplies oxygen-containing gas to the cell stack is further provided.
The invention according to any one of claims 1 to 6, wherein the oxygen-containing gas introduction plate hangs down from the upper surface of the storage chamber and is provided on the second side wall side of the cell stack. Fuel cell module.
前記酸素含有ガス導入板は、前記収納室の上面より垂下し、前記セルスタックよりも前記第一側壁側に設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の燃料電池モジュール。 An oxygen-containing gas introduction plate that is connected to the oxygen-containing gas flow path and supplies oxygen-containing gas to the cell stack is further provided.
The invention according to any one of claims 1 to 6, wherein the oxygen-containing gas introduction plate hangs down from the upper surface of the storage chamber and is provided on the first side wall side of the cell stack. Fuel cell module.
排ガスの流れ方向と直交する方向における断面積が、前記底壁の前記排ガス流路の他の部分の断面積より小さいことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の燃料電池モジュール。 At the downstream end of the exhaust gas flow path on the bottom wall,
The fuel cell according to any one of claims 1 to 8 , wherein the cross-sectional area in the direction orthogonal to the flow direction of the exhaust gas is smaller than the cross-sectional area of the other portion of the exhaust gas flow path of the bottom wall. module.
前記底壁の前記排ガス流路の断面積は、前記第一側壁の前記排ガス流路の断面積より大きいことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池モジュール。 In the direction orthogonal to the flow direction of the exhaust gas,
The fuel cell module according to claim 9 , wherein the cross-sectional area of the exhaust gas flow path on the bottom wall is larger than the cross-sectional area of the exhaust gas flow path on the first side wall.
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