JPH06101344B2

JPH06101344B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JPH06101344B2
Application number: JP60099531A
Authority: JP
Inventors: 一仁小山; 成久杉田; 晴一郎坂口; 倫夫黒田; 孝次椎名; 芳樹野口; 勝邦久野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-05-13
Filing date: 1985-05-13
Publication date: 1994-12-12
Anticipated expiration: 2009-12-12
Also published as: JPS61259461A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は燃料電池に係り、特に高温流体を扱う内部改質
型燃料電池に好適な燃料電池に関するものである。

〔発明の背景〕

燃料電池には燃料が供給されるアノードと酸化剤が供給
されるカソードとが設けられ、それぞれ電池反応が起こ
るが、次の理由により、アノードガスおよびカソードガ
スの再循環が必要となる。すなわち、高効率な燃料電池
発電システムの特徴をさらに生かすためにできるだけ必
要なものは系内で賄うシステムとすることを前提とした
上に、燃料電池の有する性質から、アノードではカーボ
ンの析出を防止するためにアノードガスの再循環が必要
であり、カソードでは効果的に電池の発生する熱を奪
い、電池温度を安定させるためにカソードガスの再循環
が必要である。また、システムの面から電池の燃料利用
率および酸化剤利用率の最適化を図る上でも、それぞれ
アノードガスおよびカソードガスの再循環が極めて有用
となるからである。この他、カソードガスの再循環のメ
リットとして新しくカソードに供給すべき酸化剤の量が
減らせること、新しくカソードに入って来る酸化剤を再
循環ガスにより予熱できること、カソードでのネルンス
ト電位を改善できることが挙げられる。特に内部改質型
燃料電池では、内部改質用の水蒸気の供給がアノードガ
スの再循環によって行なえるため、アノードガスの再循
環が有用な手段となる。

以上の点から、アノードガスおよびカソードガスの再循
環部が燃料電池発電システム内に組み込まれているが、
これまで燃料電池に係る流体再循環機器としては再循環
ブロワが主に考えられてきた。ところが、溶融炭酸塩燃
料電池のように作動温度が650℃程度と高い場合には、
再循環ブロワで再循環される流体温度も650℃程度と高
く、回転機器である再循環ブロワの温度的な保守が必要
となる。これに対応するため、再循環流体の温度を低下
させると、システムの熱効率をも低下させることにな
る。また、システムの簡素化といった面からも電池周辺
の機器の削減は重要である。これらの観点から、エジェ
クタを用いて燃料電池のカソードガスを再循環する装置
の概略図が特開昭58−61576号公報に示されており、ま
た再循環ブロワを使用する燃料電池発電システムと再循
環ブロワの代わりにエジェクタを使用する燃料電池発電
システムとの構成の比較検討について、EPRIレポートEM
−3307（1983年）におけるエネルギーリサーチコーポレ
ーションとフルアエンジニアズアンドコンストラクター
ズインコーポレイテッドによる“アセスメント・オブ・
ア・6500−Btu/kWh・ヒート・レイト・ディスパースド
・ジェネレイター”と題する文献において論じられてい
る。

第12図及び第13図は、それぞれ従来の燃料電池における
再循環機構を模式的に描いた説明図である。

第12図の従来例では電池収納圧力容器38の外側へエジェ
クタ18および熱交換器112を設けて再循環部を構成して
いる。第13図の従来例は再循環ブロワ113を設けて再循
環部を構成している。第12図及び第13図に示した110は
燃料電池本体、９はアノードガス入口マニホールド、10
はアノードガス出口マニホールド、29は据付板、111は
バルブ、114は燃料供給管、115は再循環ガス配管であ
る。

本発明において、アノードとカソードとを対向配置して
なる電気的エネルギー発生部分を燃料電池本体110と呼
び、付属機器を含めた装置全体を燃料電池と呼ぶものと
する。

第12図，第13図に示したように、再循環用のエジェクタ
18若しくはブロワ113を圧力容器38の外部に設けて配管
を引き回すと、燃料電池設置所要スペースが大きく、そ
の上、熱の放散が大きくて熱効率を低下させるという不
具合が有る。

〔発明の目的〕

本発明は上述の不具合を解消すべく為されたものであっ
て、コンパクトで、しかも放熱損の少ない燃料電池を提
供しようとするものである。

〔発明の概要〕

本発明は、燃料電池周辺の配管、特に流体再循環部を構
成するエジェクタと配管がシステム内で占める大きさと
それに伴う放熱損失に着目し、コンパクトで放熱損失の
少ない燃料電池を構成する手段として、燃料電池のマニ
ホールドとエジェクタとを一体化構造とし、流体再循環
部全体と燃料電池とを含めて電池収納圧力容器内へ収納
するようにしたものである。

第２図は本発明装置の基本的原理を説明するための模式
図であって、従来例における第12図，第13図に対応する
図である。本発明装置（第２図）の特徴を更に要約する
と、圧力容器38の中にエジェクタ18を収納して、全体構
成をコンパクトにすると共に、熱の放散を少なからしめ
ている。

上述の原理に基づいて前記の目的を達成するため、本発
明に係る燃料電池は、電池収納圧力容器内に設置されて
ガス状燃料の供給を受けるアノードと、該電池収納圧力
容器内に設置されてガス状酸化剤の供給を受けるカソー
ドと、前記アノードを取り囲むように設けたアノードガ
スマニホールド及び該アノードガスマニホールドにガス
状燃料を供給するアノードガス流路と、前記カソードを
取り囲むように設けたカソードガスマニホールド及び該
カソードガスマニホールドにガス状酸化剤を供給するア
ノードガス流路とを具備し、前記アノードガス流路内を流通するアノードガス及びカ
ソードガス流路内を流通するカソードガスの少なくとも
何れか一方に、エジェクタによって流動力を与えて再循
環せしめる構造であり、かつ、上記エジェクタは、先端が細く絞られた二次流体
導入管と、上記絞り部の中心線と同心状に該絞り部内に
挿入固定された高圧ノズルと、前記絞り部の先端に対向
せしめて同心状に連結されたディフューザとよりなるも
のである燃料電池において、前記エジェクタ、及び、該エジェクタによって再循環せ
しめられるガス状流体の再循環流路を、前記の電池収納
圧力容器内の前記燃料電池積層体の頭頂部と前記圧力容
器の頭頂部とで囲まれた空間部、また、前記圧力容器内
の前記アノードガス入口マニホールド部に設置したこと
を特徴とする。

なお、本発明において積層方向とは、アノードとカソー
ドとが交互に積み重ねられている並び方向を言い、例え
ば第２図に示した燃料電池本体110における積層方向は
図の上下方向である。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を、メタンを原燃料とする直交流
式の内部改質型溶融炭酸塩燃料電池について説明する
が、本発明は他の原燃料や流体の流し方の場合あるいは
外部改質型の場合もしくは電解質が異なる場合の燃料電
池にも同様かつ容易に応用できるものである。

第１図は、本発明を適用して構成した燃料電池の一実施
例を備えた燃料電池の、据付状態を部分的に破断して描
いた斜視図である。内部改質型の燃料電池はカソード１
と改質触媒を保持したアノード２により電解質３を挾ん
で成る単セルをセパレータを用いて積層して構成され
る。燃料電池は端板4,5およびタイロッド６をワッシャ
7,ナット８により締め付けることによって、挟持され、
圧着固定される。燃料電池にはさらにアノードガス入口
マニホールド9,アノードガス出口マニホールド10,カソ
ードガス入口マニホールド11およびカソードガス出口マ
ニホールド12が燃料電池を取り囲むようにマニホールド
支持体13によって取り付けられる。カソードガス入口マ
ニホールド11には、フランジ14を持つ酸化剤供給管15が
取り付けられ、カソードガス出口マニホールド12には、
フランジ16を持つカソードガス排出管17が取り付けられ
ている。一方、アノードガス入口マニホールド９の、端
板４に最も近い部分には、フランジ接合によって、エジ
ェクタ18のディフューザ20が接続されている。上記ディ
フューザ20の他端には、フランジ19が設けられている。

アノードガス出口マニホールド10の、端板５に最も近い
部分にはフランジ21を持つ燃料ガス供給管22が設けら
れ、さらにその燃料ガス供給管22は燃料電池とアノード
ガス出口マニホールド10とで囲まれる空間内を端板４を
いくらか越える位置まで伸びた形でアノードガス出口マ
ニホールド10に設けられている。

また、アノードガス出口マニホールド10には、フランジ
23を有するアノードガス排出管24が取り付けられてい
る。前記のガス供給管22の端板４側の端部には、一次流
体を噴出する高圧ノズル25が形成されていて、エジェク
タ18の構成部分をなしている。エジェクタ18を構成する
もうひとつの部材は二次流体導入管26であり、この二次
流体導入管26はアノードガス出口マニホールド10の端板
４に最も近い部分とフランジ接合により一体化されてい
る。二次流体導入管26は高圧ノズル25を取り囲む形とな
り、二次流体導入管26のもう一方の端部にあるフランジ
27はディフューザ20の絞り部側に設けたフランジ19と、
ガスケット，ボルト，ナットなどにより接合されてい
る。これにより、エジェクタ18がアノードガス入口マニ
ホールド９とアノードガス出口マニホールド10間を燃料
電池積層体の頭頂部と圧力容器頭頂部とで囲む空間部に
おいて連結する構造となる。このようにして構成される
燃料電池の据え付け板28には、燃料電池の各マニホール
ドに取り付けられた酸化剤供給管15のフランジ14,カソ
ードガス排出管17のフランジ16,燃料ガス供給管22のフ
ランジ21,それにアノードガス排出管24のフランジ23の
各々に接続されるフランジ29を持つ酸化剤供給管30,フ
ランジ31を持つカソードガス排出管32,フランジ33を持
つ燃料ガス供給管34それにフランジ35を持つアノードガ
ス排出管36が貫通固着されている。燃料電池の端板５が
据え付け板28に据え付けられ、前記した各々のフランジ
対がガスケット，ボルト，ナットなどにより接合されて
各流体の流路が構成される。そうして据え付け板28の最
外周付近に設けられたいくつかのボルト穴37に合致する
フランジ部を有する電池収納圧力容器38が、燃料電池を
包み込むように据え付け板28と接合されて、燃料電池の
ひとつのスタックの据え付けが完了する。

第３図に、第１図で示した構成の側面図を示す。

エジェクタ18は、燃料電池を挟んで取り付けられている
アノードガス入口マニホールド９とアノードガス出口マ
ニホールド10を支持体として、端板４をまたいだ形に構
成されている。ここでは、エジェクタ18は定面積混合ベ
ンチュリ型のものを例にに挙げた。すなわち、二次流体
導入管26ではフランジ27が取り付けられている一部分が
絞られて定断面積の管となっており、ディフューザ20の
フランジ19に接合されている。ディフューザ20は、該デ
ィフューザ20内を流れる流体の流れ方向の絞り部側から
出口側に断面積が大きくなっていく。

各マニホールド9,10,11は、マニホールド支持体13によ
って燃料電池に押圧されて取り付けられる他に、端板４
および５付近はワッシャ47とナット48などによってネジ
止めされている。

第４図に、エジェクタ18の二次流体導入管26とアノード
ガス出口マニホールド10との接合部の詳細図を示す。燃
料電池にアノードガス出口マニホールド10を取り付ける
ために、燃料電池と端板４との間にネジ構造の突起物49
を持つマニホールド用取り付け板50が設けられている。
アノードガス出口マニホールド10には、そのネジ構造の
突起物49に対応して嵌合する切り込み51が設けられてお
り、この切り込み51に突起物49を入れて、ワッシャ47お
よびナット48にてネジ止めすることによって、燃料電池
にアノードガス出口マニホールド10が取り付けられてい
る。また、燃料ガス供給管22は、支持体52によりアノー
ドガス出口マニホールド10に固定されている。アノード
ガス出口マニホールド10と二次流体導入管26との接合部
はそれぞれのフランジ53と54であり、ワッシャ55、ナッ
ト56およびボルト57で締め付けられる。ここでは二次流
体導入管26とアノードガス出口マニホールド10との接合
部の構造について説明したが、ディフューザ20とアノー
ドガス入口マニホールド９との接合部の構造についても
同様である。また、マニホールド用取り付け板50と同じ
ものが、燃料電池と端板５との間にも設けられており、
各マニホールドが前記同様にネジ止めされ、取り付けら
れている。

以上、本発明の一実施例の構成と細部の構造を第１図，
第３図，第４図により説明した。以下、本実施例の動作
について説明する。第１図に矢印で示した酸化剤39は酸
化剤供給管30から供給され、電池収納圧力容器38内の酸
化剤供給管15を通ってカソードガス入口マニホールド11
内へ導かれる。カソードガス入口マニホールド11内へ導
かれた酸化剤39は、カソードガス40としてカソード１の
ガス流路で電池反応を行う。電池反応の終ったカソード
ガス41はカソードガス排出管17を経由し、カソードガス
排出管32を通って電池収納圧力容器38の外へ排出され
る。一方、燃料ガス供給管34からは高圧のメタン43が供
給され、電池収納圧力容器38内の燃料ガス供給管22を通
って、高圧ノズル25で増速されて噴出する。エジェクタ
18の作用により、二次流体導入管26内のアノードガス58
（第４図参照）が、高圧ノズル25から吐出されるメタン
43との圧力差により吸い込まれ、メタン43とともに、デ
ィフューザ20内へ送り込まれる。アノードガス58とメタ
ン43との混合ガスはアノードガス44としてアノード２の
ガス流路へ入り、改質反応および電池反応を行う。改質
反応および電池反応を終えたアノードガス45は、再度二
次流体導入管26へ向かうものと、アノードガス排出管24
へ向かうものとに分かれ、二次流体導入管26へ向かった
アノードガス58はすなわち再循環ガスとなり、一方、ア
ノードガス排出管24へ向かったアノードガス46は、アノ
ードガス排出管36を経て、電池収納圧力容器38の外部へ
排出される。以上のようにして、アノードガスの再循環
が行われる。

本実施例によれば、エジェクタを燃料電池積層体の頭頂
部と電池収納圧力容器の頭頂部とで囲まれた空間部のデ
ッドスペースに設けたので、エジェクタを設けても燃料
電池構成のコンパクト化が図れ、配管長を小さくしてエ
ジェクタ効果による再循環ガスの流動性が高められると
いう効果が得られる上に、燃料ガス供給管をアノードガ
ス出口マニホールド内に設けたのでメタンガスがアノー
ドガスによって予熱されて熱効率が向上するという効果
が得られ、しかも流体再循環用配管を電池収納圧力容器
内へ収納したので、放熱損失が少なくなり、熱効率の良
い燃料電池発電システムが構成できるという効果があ
る。

本発明の他の実施例を第５図により説明する。第１図の
実施例と異なる部分を部分的に取り上げて説明する。第
５図には本発明を実施した燃料電池の平面図が示してあ
る。この実施例では、エジェクタを三連一体化してマニ
ホールドに設けたことを特徴とする。すなわち、エジェ
クタ18を３つのエジェクタ18a,18b,18cから構成する。
二次流体導入管26は３つの二次流体導入管26a,26b,26c
にそれぞれフランジ27a,27b,27cを取り付けたものから
成り、ディフューザ20は３つのディフューザ20a,20b,20
cにそれぞれフランジ19a,19b,19cを取り付けたものから
成る。各二次流体導入管のフランジと各ディフューザの
フランジ、すなわちフランジ27aと19a,27bと19b,27cと1
9cとがボルト，ナット，ワッシャなどでそれぞれ接合さ
れる。二次流体導入管26a,26b,26c内にはそれぞれ高圧
ノズル25a,25b,25cが設けられている。この構造によ
り、二次流体導入管26内のアノードガス58は、３つの経
路すなわちエジェクタ18a,18b,18cを通って、アノード
ガス出口マニホールド10側からアノードガス入口マニホ
ールド９側へ送り込まれ、アノードガスの再循環が行わ
れる。

本実施例によれば、アノードガス出口マニホールド内の
アノードガスを３個所からエジェクタにより吸い込んで
アノードガス入口マニホールド内へ送り込むので、再循
環ガスの流量分布が均一化されるという効果と、高圧ノ
ズルそれぞれに送るメタンの圧力を変えることにより、
再循環ガスの流量すなわち再循環比を変えることができ
るという効果がある。

第６図に本発明の他の実施例を示す。第１図の実施例と
異なる部分を部分的に取り上げて説明する。第６図は本
発明を用いて構成した燃料電池の据え付け状態の斜視図
である。この実施例では、燃料ガス供給管59をマニホー
ルドと電池収納圧力容器38との間の空間部に設け、高圧
ノズル25のみを二次流体導入管26内へ挿入した形に設け
たことを特徴とする。すなわち、両端にフランジ21およ
び60を設けた燃料ガス供給管59において、一方のフラン
ジ21を据え付け板28に設けられた燃料ガス供給管34のフ
ランジ33と接合させ、もう一方のフランジ60は、二次流
体導入管26内へ突き入れで設けられた高圧ノズル25に連
結する配管62の端すなわち二次流体導入管26の外側へ出
ている端に設けられたフランジ61と接合させる。二次流
体導入管26内へ突き入れて設けられた高圧ノズル25に連
結する配管62は、溶接などにより二次流体導入管26と一
体化され、固定される。

この構造による作用効果は第１図の場合に準ずる。

本実施例によれば、燃料ガス供給管59を高温流体の流れ
るマニホールドの外側に設けたので、該燃料ガス供給管
59の熱伸びが緩和され、高圧ノズルに連結する管が二次
流体導入管と一体化され、固定されているので、燃料ガ
ス供給管に伸びを抑える特別な支持体（第４図の52参
照）が不必要となる効果と、エジェクタの二次流体導入
管と高圧ノズル部とが固定されているので、組み立て時
における二次流体導入管と高圧ノズル部のずれが少なく
なり、エジェクタの性能が良好に発揮できるという効果
がある。

第７図に本発明の他の実施例を示す。第１図および第３
図と異なる部分を部分的に取り上げて説明する。第７図
は本発明を用いた燃料電池の据え付け状態の側面図であ
る。この実施例では、エジェクタの外殻部分をアノード
ガス入口マニホールドと一体に構成し、アノードの流路
に流れる流体の流れ方向と同方向に再循環ガスがアノー
ドガス入口マニホールド内に入る構造としたことを特徴
とする。すなわち、アノードガス出口マニホールド10
の、端板４に最も近い部分に設けられたフランジ53に対
向当接するフランジ64を設けたアノードガス配管63があ
り、そのフランジ53とフランジ64が接合されている。ア
ノードガス配管63はさらに二股に分かれた配管構造とな
っており、その一方の端にフランジ65が、他端にフラン
ジ66が、設けられている。フランジ65は、アノードガス
排出管67の上端に設けられたフランジ68と接合される。
アノードガス排出管67の下端に設けられたフランジ23
は、据え付け板28を貫いて設けられたアノードガス排出
管36の一端に設けられたフランジ35と接合される。一
方、アノードガス配管63のフランジ66は、アノードガス
入口マニホールド９の（燃料電池を中心にして）最も外
側の面にフランジ接合により取り付けられた補助マニホ
ールド70の管部の端に設けられたフランジ71と接合され
る。アノードガス入口マニホールド９にフランジ72で取
り付けられた補助マニホールド70内には、燃料ガス供給
管73が固定バンド76によって固定されており、燃料ガス
供給管73にはいくつかの高圧ノズル75がアノードの流路
に流れる流体の流れ方向と同方向に設けられている。こ
の高圧ノズル75に対応して、アノードガス入口マニホー
ルド９の補助マニホールド70でおおわれる面に設けられ
たエジェクタの外殻69が、二次流体導入部定断面部およ
びディフューザ部を兼ねた構造となっている。すなわ
ち、ディフューザ部の絞り部側端面をアノードガス入口
マニホールド９に接合し、ディフューザ部の出口側をア
ノードガス入口マニホールド９内の空間に突出させて設
けられている。補助マニホールド70内に設けられている
燃料ガス供給管73は、補助マニホールド70から据え付け
板28側に突出しその端にフランジ74が設けられている。
上記のフランジ74は、据え付け板28を貫いて設けられた
燃料ガス供給管34の一端に設けられたフランジ33と接合
される。

次に、本実施例（第７図）の動作をアノードガスの流れ
に関して説明する。カソードガスの流れについては、第
１図の説明に準ずる。燃料ガス供給管34から供給された
高圧のメタン43は、補助マニホールド70内の燃料ガス供
給管73を通って、高圧ノズル75により増速されて噴出さ
れる。高圧ノズル75とエジェクタの外殻69とにより、エ
ジェクタの作用が働き、補助マニホールド70内のアノー
ドガス77はアノードガス入口マニホールド９内へ送り込
まれる。アノードで改質反応および電池反応を終えたア
ノードガスはアノードガス出口マニホールド10内に到達
した後、アノードガス配管63に入って行き、再度補助マ
ニホールド70へ向かうアノードガス78と、アノードガス
排出管67へ向かうアノードガス79とに分かれ、補助マニ
ホールド70へ向かったアノードガス78はすなわち再循環
ガスとなり、一方、アノードガス排出管67へ向かったア
ノードガス79は、つづいてアノードガス排出管36を経
て、電池収納圧力容器38の外部へ排出される。以上のよ
うにして、アノードガスの再循環が行われる。

本実施例によれば、エジェクタをアノードガス入口マニ
ホールドと一体化構造として複数個設置し、アノードの
流路に流れる流体の流れ方向と同方向に、再循環ガス
が、アノードガス入口マニホールド内に入る構造とした
ので、積層されて構成されたアノード群に対してアノー
ドガスの流量分配がほぼ均等にでき、各アノードにおけ
る電池反応の負荷を平坦化することができるという効果
がある。

第８図に本発明の他の実施例を示す。第７図の実施例と
異なる部分を部分的に取り上げて説明する。第８図は本
発明を用いた燃料電池の据え付け状態の側面図である。
この実施例では、第７図の実施例において、アノードガ
ス入口マニホールド９′内に孔82および83をそれぞれ設
けた整流板80および81を設けたことを特徴とする。すな
わち、その構成と動作を説明すると、アノードガス入口
マニホールド９内に送り込まれたアノードガス84が、高
圧ノズル75から噴出される流体の流れ方向に対して垂直
に設けられた整流板80および81によって整流されながら
整流板80に設けられた複数の孔82につづいて整流板81に
設けられた複数の孔83を通ってアノードへ導入されると
いうものである。

本実施例によれば、整流板を設けて、エジェクタから吐
出される流体の流れを均一化するとともに、流れによる
圧力分布をも均一ならしめるようにしたので、積層され
て構成されたアノード群に対してアノードガスの流量分
布および圧力分布を平準化することができ、各アノード
における電池反応の負荷を平坦化し、信頼性を向上する
という効果がある。

第９図に本発明の他の実施例を示す。第７図の実施例と
異なる部分を部分的に取り上げて説明する。第９図は本
発明を用いた燃料電池の据え付け状態の側面図である。
この実施例では、アノードガス入口マニホールド９の、
端板４に最も近い部分に、フランジ接合によりエジェク
タ85の一部を構成するディフューザ部86が設けられてい
ることを特徴とする。すなわち、アノードガス入口マニ
ホールド９に設けられたエジェクタ85の二次流体導入部
87の端にはフランジ88が設けられており、アノードガス
配管63のフランジ66と接合されている。高圧ノズル89を
有する配管90は、高圧ノズル89を二次流体導入部87内へ
突き入れた形で設けられている。このとき、高圧ノズル
89の方向は、二次流体導入部87とディフューザ86とでエ
ジェクタの作用が行える方向に向けられている。配管90
の端に設けられているフランジ91は、マニホールドと電
池収納圧力容器38との間の空間部に設けられた燃料ガス
供給管92と上端に設けられたフランジ93と接合される。
燃料ガス供給管92の下端に設けられたフランジ94は、据
え付け板28を貫いて設けられた燃料ガス供給管34のフラ
ンジ33と接合される。

次にアノードガスの流れについて動作を説明する。燃料
ガス供給管34から供給された高圧のメタン43は、電池収
納圧力容器38内の燃料ガス供給管92を通って、二次流体
導入部87内の高圧ノズル89によって増速されて噴出す
る。このとき、アノードガス配管63で分流するアノード
ガス78が、高圧ノズル89より噴出されたメタン43ととも
にディフューザ部86へ送り込まれ、アノードガス入口マ
ニホールド９内へ流入する。この動作が繰り返されるこ
とにより、アノードガスの再循環が行われる。

本実施例によれば、エジェクタを構成している高圧ノズ
ル89の噴出方向が、アノードガス入口マニホールド９内
で、積層して構成された燃料電池の積層方向と同じ方向
であるため、燃料電池の各層に再循環ガスは行き渡ると
いう効果と、同じく各層に与える流体の流れの影響が平
準化するという効果とがある。

第10図に本発明の他の実施例を示す。（この実施例は特
許請求の範囲第５項に対応する）。本第10図はアノード
ガス入口マニホールドに設けたエジェクタ部の部分的な
斜視図である。前述した各実施例中の部分と同一の構成
部分には、同一符号を付けて示した。この実施例では、
燃料電池本体の積層方向（図において上下方向）と、ア
ノードガスが燃料電池本体に流入し流通する方向（矢印
ｂ）との両方に垂直な方向（矢印ａ）を中心軸とするエ
ジェクタ部101のディフューザ部102を、アノードガス入
口マニホールド９にフランジ103で接合させる構造とな
っている。他の構成要素として再循環用の流体をアノー
ドガス出口マニホールド側からアノードガス入口マニホ
ールド９側へ導くアノードガス配管95が端板４をまたぐ
ように設けられている。このアノードガス配管95のアノ
ードガス入口マニホールド９側の端に設けられたフラン
ジ96は、カソードガス配管97の一端に設けられたフラン
ジ98と接合される。

燃料ガス供給管99には、エジェクタ部101の設置個数と
同数の枝管が設けられ、該枝管の先端部にはそれぞれ高
圧ノズル100が形成されている。これらの高圧ノズル100
は、エジェクタ部101内へ突き入れられた形で一体的に
連設された構造となっている。

前記カソードガス配管97に一体連設して設けられたいく
つかのエジェクタ部101がアノードガス入口マニホール
ド９にフランジ接合される。この構造によれば、アノー
ドガス配管95を流れるアノードガス104の一部が再循環
するアノードガス78としてエジェクタ部101により、ア
ノードガス配管97内からアノードガス入口マニホールド
９内へ矢印ａ方向に送入され、矢印ｂのごとく方向を変
えて燃料電池本体に供給される。

このときのエジェクタの作用は、高圧ノズル100から高
圧のメタン43を吐出させることによりなされる。アノー
ドガス配管97内に流れるアノードガスのうち、再循環さ
れないアノードガス79は電池収納圧力容器外へ排出され
る。

本実施例によれば、エジェクタによる流体の流れ方向
が、燃料電池の積層方向とアノードガス供給方向との両
方に垂直となるように、アノードガス入口マニホールド
にエジェクタ部を設けたので、積層されたアノード群に
直接、再循環ガスを吹き当てることなく、各層全域に再
循環ガスを供給することができるという効果がある。

第11図に本発明の他の実施例を示す。第11図の実施例
は、第１図の実施例において、カソードガスについても
再循環をさせた構造を示すところの燃料電池の据え付け
状態の斜視図である。本実施例の構成、構造および動作
は、第１図の実施例におけるアノードガスに関する構
成、構造および動作を、カソードガスに関しても同様に
適用することにより説明されるので、主要部について述
べるならば、酸化剤39が吐出される高圧ノズル105を内
包した二次流体導入管106と、ディフューザ107とから成
るエジェクタ108を、端板４をまたいだ形でそれぞれカ
ソードガス出口マニホールド12とカソードガス入口マニ
ホールド11とに設け、カソード１で電池反応を終えたカ
ソードガス41の一部分を上記エジェクタ108により再循
環するというものである。なお細部は第１図の実施例に
準ずる。

本実施例によれば、アノードガスおよびカソードガスの
それぞれを再循環するエジェクタを燃料電池と電池収納
圧力容器との間にデッドスペースに設けたので、燃料電
池構成上、一層のコンパクト化が図れるという効果と、
燃料ガス供給管および酸化剤供給管をそれぞれアノード
ガス出口マニホールドおよびカソードガス出口マニホー
ルド内に設けたので、メタンがアノードガスに、また酸
化剤がカソードガスにそれぞれ予熱され、熱効率が一層
向上するという効果と、流体再循環用配管を全て電池収
納圧力容器内へ収納したので、放熱損失が極めて少な
く、熱効率の良い燃料電池発電システムが構成できると
いう効果がある。

このように、第５図乃至第10図に示した６つの実施例に
おいても、カソードガスの再循環機構を、アノードガス
の再循環機構と同様に設けることは容易である。また、
エジェクタあるいは再循環用配管を端板４を跨いだ形に
せずに、端板５と据え付け板28との間に空間を設け、そ
の空間にエジェクタあるいは再循環用配管を設けること
を考えることは、本発明からして容易である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、燃料電池をコンパクトに構成すること
ができ、しかも放熱損失を抑制して燃料電池の熱効率を
向上せしめ得るという優れた実用的効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における部分破断斜視図、第
２図は本発明の基本的原理の説明図、第３図は前記実施
例の垂直断面図、第４図は同じくエジェクタ部分の拡大
破断斜視図である。第５図乃至第11図はそれぞれ前記と
異なる実施例の説明図である。第12図及び第13図はそれ
ぞれ公知例の模式図である。１…カソード、２…アノード、4,5…端板、６…タイロ
ッド、９…アノードガス入口マニホールド、10…アノー
ドガス出口マニホールド、11…カソードガス入口マニホ
ールド、12…カソードガス出口マニホールド、18…エジ
ェクタ、28…据え付け板、38…電池収納圧力容器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者黒田倫夫茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者椎名孝次茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者野口芳樹東京都千代田区神田駿河台４丁目６番地株式会社日立製作所内 (72)発明者久野勝邦東京都千代田区神田駿河台４丁目６番地株式会社日立製作所内 (56)参考文献特開昭51−28631（ＪＰ，Ａ) 特公昭40−11963（ＪＰ，Ｂ１)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料の供給を受けるアノードと酸化剤の供
給を受けるカソードとを積層して成る燃料電池積層体
と、該燃料電池積層体の側面に前記アノードの燃料入口
部分を覆うように取付けられたアノードガス入口マニホ
ールド及び前記アノードの燃料出口部分を覆うように取
付けられたアノードガス出口マニホールドと、前記燃料
電池積層体の側面に前記カソードの酸化剤入口部分を覆
うように取付けられたカソードガス入口マニホールド及
び前記カソードの酸化剤出口部分を覆うように取付けら
れたカソードガス出口マニホールドと、前記アノードガ
ス入口マニホールドに燃料を供給するアノードガス流路
と、前記カソードガス入口マニホールドに酸化剤を供給
するカソードガス流路とを圧力容器内に納めて成る燃料
電池において、前記圧力容器内の前記燃料電池積層体の頭頂部と前記圧
力容器の頭頂部とで囲まれた空間部にエジェクタを設
け、該エジェクタは、出口側を前記アノードガス入口マ
ニホールドに向けて該アノードガス入口マニホールドに
連通して設けられたディフューザ部と、該ディフューザ
部の絞り部側に接続し再循環ガスが供給される前記アノ
ードガス出口マニホールドに連通して設けられた二次流
体導入管と、該二次流体導入管内に前記絞り部に先端を
向けて同心軸状に挿入固定された高圧ノズルと、該高圧
ノズルに燃料を供給するアノードガス流路とから成るこ
とを特徴とする燃料電池。
【請求項２】前記エジェクタを複数個並設して設けたこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の燃料電池。
【請求項３】燃料の供給を受けるアノードと酸化剤の供
給を受けるカソードとを積層して成る燃料電池積層体
と、該燃料電池積層体の側面に前記アノードの燃料入口
部分を覆うように取付けられたアノードガス入口マニホ
ールド及び前記アノードの燃料出口部分を覆うように取
付けられたアノードガス出口マニホールドと、前記燃料
電池積層体の側面に前記カソードの酸化剤入口部分を覆
うように取付けられたカソードガス入口マニホールド及
び前記カソードの酸化剤の出口部分を覆うように取付ら
れたカソードガス出口マニホールドと、前記アノードガ
ス入口マニホールドに燃料を供給するアノードガス流路
と、前記カソードガス入口マニホールドに酸化剤を供給
するカソードガス流路とを圧力容器内に納めて成る燃料
電池において、前記圧力容器内の前記アノードガス入口マニホールド部
分にエジェクタを設け、該エジェクタは、出口側を前記
アノードガス入口マニホールド内に向けて設けられたデ
ィフューザ部と、該ディフューザ部の絞り部側に連通し
再循環ガスが供給される前記アノードガス出口マニホー
ルドに連通して設けられた二次流体導入管と、前記ディ
フューザ部の絞り部に先端を向けて同心軸状に挿入固定
された高圧ノズルと、該高圧ノズルに燃料を供給するア
ノードガス流路とから成ることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】前記ディフューザ部の絞り部側端面を前記
アノードガス入口マニホールドに接合し、前記ディフュ
ーザ部の出口側を前記アノードガス入口マニホールドで
囲まれた空間内に突出させたことを特徴とする特許請求
の範囲第３項記載の燃料電池。
【請求項５】前記ディフューザ部の出口側端面を前記ア
ノードガス入口マニホールドの前記燃料電池積層体と垂
直に接合された面に垂直に接合したことを特徴とする特
許請求の範囲第３項記載の燃料電池。
【請求項６】前記エジェクタを複数個並設して設けたこ
とを特徴とする特許請求の範囲第３項、第４項または第
５項記載の燃料電池。