JPWO2012111824A1 - Fuel cell module - Google Patents
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Abstract
水素含有ガス及び酸化剤を用いて発電を行うセルスタックと、セルスタックを収納する筐体と、を備える燃料電池モジュールであって、筐体は、セルスタックを収納する収納室と、収納室よりも外側に形成され、セルスタックから排出される排ガスを流通させる排ガス流路と、を有し、排ガス流路は、収納室の側方に形成され、排ガスを下方へ通過させる第1の排ガス流路と、収納室の下方に形成されると共に、内部に受熱体が配置される受熱体収納室内に形成され、第1の排ガス流路からの排ガスを通過させる第2の排ガス流路と、排ガスを集めて第2の排ガス流路へ流入させる入口部と、排ガスを集めて第2の排ガス流路から排気する排気部と、を有する燃料電池モジュール。A fuel cell module comprising a cell stack that generates power using a hydrogen-containing gas and an oxidant, and a casing that stores the cell stack, the casing including a storage chamber that stores the cell stack, and a storage chamber A first exhaust gas flow path that is formed on the side of the storage chamber and passes the exhaust gas downward. A second exhaust gas passage that is formed in the heat receiving body storage chamber that is formed below the passage and the storage chamber and in which the heat receiving body is disposed, and that allows the exhaust gas from the first exhaust gas passage to pass therethrough; A fuel cell module having an inlet portion for collecting and flowing into the second exhaust gas passage, and an exhaust portion for collecting exhaust gas and exhausting from the second exhaust passage.
Description
本発明は、燃料電池モジュールに関する。 The present invention relates to a fuel cell module.
従来の燃料電池モジュールとして、特許文献1に示す燃料電池用筐体に、改質器とセルスタックとを収納して構成したものが知られている。この燃料電池用筐体は、改質器とセルスタックとを収納する収納室と、収納室の外側に形成された排ガス流路と、排ガス流路の外側に形成された酸化剤流路と、上方の酸化剤流路から収納室へ向かって下方へ延びる酸化剤供給部材を備えている。排ガス流路は、収納室の側方において、セルスタックが発電時に発生する熱、及び/または、セルスタック上端部の燃焼部から発生する熱を含む排ガスを下方へ通過させる部分と、収納室の下方において排ガスを集めて系外へ排出する部分と、を有している。また、酸化剤供給部材は、セルスタックを含む発電ユニットを設置する発電ユニット設置面と平行、かつセルの積層方向と直交する方向に並べられたセルスタックの間の隙間に入り込むように配置され、当該隙間から各セルスタックに対して酸化剤を供給するように、先端部に貫通孔を有している。
2. Description of the Related Art As a conventional fuel cell module, a fuel cell casing disclosed in
ここで、燃料電池モジュールでは、モジュールから排出される排ガスに含まれる、セルスタックが発電時に発生する熱、セルスタック上端部の燃焼部から発生する熱を、筐体内で熱交換することによって有効に利用される。しかしながら、従来の燃料電池モジュールでは、排ガスの熱を十分に有効利用することができず、熱交換の効率を向上させることが求められていた(例えば、図8を参照)。 Here, in the fuel cell module, the heat generated by the cell stack during power generation and the heat generated from the combustion part at the upper end of the cell stack contained in the exhaust gas discharged from the module are effectively exchanged in the housing. Used. However, in the conventional fuel cell module, the heat of exhaust gas cannot be used sufficiently effectively, and it has been required to improve the efficiency of heat exchange (see, for example, FIG. 8).
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、排ガスの熱を有効に利用することができる燃料電池モジュールを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a fuel cell module capable of effectively utilizing the heat of exhaust gas.
本発明の一側面に係る燃料電池モジュールは、水素含有ガス及び酸化剤を用いて発電を行うセルスタックと、セルスタックを収納する筐体と、を備える燃料電池モジュールであって、筐体は、セルスタックを収納する収納室と、収納室よりも外側に形成され、セルスタックから排出される排ガスを流通させる排ガス流路と、を有し、排ガス流路は、収納室の側方に形成され、排ガスを下方へ通過させる第1の排ガス流路と、収納室の下方に形成されると共に、内部に受熱体が配置される受熱体収納室内に形成され、第1の排ガス流路からの排ガスを通過させる第2の排ガス流路と、排ガスを集めて第2の排ガス流路へ流入させる入口部と、排ガスを集めて第2の排ガス流路から排気する排気部と、を有する。 A fuel cell module according to one aspect of the present invention is a fuel cell module comprising a cell stack that generates power using a hydrogen-containing gas and an oxidant, and a housing that houses the cell stack, A storage chamber for storing the cell stack; and an exhaust gas passage formed outside the storage chamber for circulating the exhaust gas discharged from the cell stack. The exhaust gas passage is formed at a side of the storage chamber. A first exhaust gas passage for allowing the exhaust gas to pass downward, and an exhaust gas from the first exhaust gas passage formed in the heat receiving body storage chamber formed below the storage chamber and in which the heat receiving body is disposed. A second exhaust gas passage for allowing the exhaust gas to pass through, an inlet portion for collecting the exhaust gas and flowing into the second exhaust gas passage, and an exhaust portion for collecting the exhaust gas and exhausting it from the second exhaust gas passage.
本発明の一側面に係る燃料電池モジュールによれば、第1の排ガス流路によって、排ガスをセルスタックの収納室の側方において下方へ通過させることで、収納室の下方に形成される受熱体収納室内の第2の排ガス流路に導く。第2の排ガス流路が形成される受熱体収納室には受熱体が配置されているため、排ガスと受熱体との間で熱交換を行うことができる。これにより水気化部を排ガスで加熱することができるため、排ガスの熱を有効に利用することができる。ここで、排ガス流路は、排ガスを集めて第2の排ガス流路へ流入させる入口部と、排ガスを集めて第2の排ガス流路から排気する排気部と、を有している。このような構成により、第1の排ガス流路の流路面積が広い場合であっても、当該第1の排ガス流路を通過する排ガスは、入口部において集められた状態で第2の排ガス流路へ流入し、第2排ガス流路内では少なくとも入口部と排気部との間を通過するように流れる。従って、入口部と排気部と間の距離を長くすることで、排ガスが受熱体と接触する時間を長くすることができる。これによって、排ガスと受熱体との間の熱交換効率が上がり、排ガスの熱を有効に利用することができる。 According to the fuel cell module of one aspect of the present invention, the heat receiving body formed below the storage chamber by passing the exhaust gas downward on the side of the storage chamber of the cell stack by the first exhaust gas flow path. Lead to the second exhaust gas flow path in the storage chamber. Since the heat receiving body is disposed in the heat receiving body storage chamber in which the second exhaust gas flow path is formed, heat exchange can be performed between the exhaust gas and the heat receiving body. Thereby, since the water vaporization part can be heated with exhaust gas, the heat | fever of exhaust gas can be utilized effectively. Here, the exhaust gas passage has an inlet portion that collects exhaust gas and flows into the second exhaust gas passage, and an exhaust portion that collects exhaust gas and exhausts it from the second exhaust gas passage. With such a configuration, even if the flow path area of the first exhaust gas flow path is wide, the exhaust gas passing through the first exhaust gas flow path is collected in the inlet portion in the second exhaust gas flow It flows into the passage and flows so as to pass at least between the inlet portion and the exhaust portion in the second exhaust gas passage. Therefore, by increasing the distance between the inlet portion and the exhaust portion, it is possible to increase the time during which the exhaust gas contacts the heat receiving body. As a result, the heat exchange efficiency between the exhaust gas and the heat receiving body is increased, and the heat of the exhaust gas can be used effectively.
本発明によれば、排ガスの熱を有効に利用することができる。 According to the present invention, the heat of exhaust gas can be used effectively.
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the same or an equivalent part, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図1及び図2に示されるように、燃料電池モジュール1は、水素含有燃料を用いて水素含有ガスHGを発生させる改質器2と、水素含有ガスHG及び酸化剤OXを用いて発電を行うセルスタック3と、水を気化させることによって改質器2へ供給される水蒸気を生成する水気化部4と、改質器2、セルスタック3、及び水気化部4を収納する筐体6と、を備える。図1及び図2では図示されていないが、燃料電池モジュール1の下方には、ポンプ等の補機や制御機器等を収納する筐体が設けられる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
水素含有燃料として、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物(酸素等、他の元素を含んでいてもよい)若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のものを適宜用いることができる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、LPG(液化石油ガス)、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。 As the hydrogen-containing fuel, for example, a hydrocarbon fuel is used. As the hydrocarbon fuel, a compound containing carbon and hydrogen in the molecule (may contain other elements such as oxygen) or a mixture thereof is used. Examples of hydrocarbon fuels include hydrocarbons, alcohols, ethers, and biofuels. These hydrocarbon fuels are derived from conventional fossil fuels such as petroleum and coal, and synthetic systems such as synthesis gas. Those derived from fuel and those derived from biomass can be used as appropriate. Specific examples of hydrocarbons include methane, ethane, propane, butane, natural gas, LPG (liquefied petroleum gas), city gas, town gas, gasoline, naphtha, kerosene, and light oil. Examples of alcohols include methanol and ethanol. Examples of ethers include dimethyl ether. Examples of biofuels include biogas, bioethanol, biodiesel, and biojet.
酸化剤として、例えば、空気、純酸素ガス(通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい)、酸素富化空気が用いられる。 As the oxidizing agent, for example, air, pure oxygen gas (which may contain impurities that are difficult to remove by a normal removal method), or oxygen-enriched air is used.
改質器2は、供給される水素含有燃料を用いて水素含有ガスHGとして改質ガスを発生させる。改質器2は、改質触媒を用いた改質反応により、水素含有燃料を改質して水素含有ガスHGとして改質ガスを発生させる。改質器2での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質器分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。改質器2は、後述する燃焼熱によって加熱され得るようにセルスタック3の上側に配置されている。すなわち、セルスタック3の燃料極側に導入された水素含有ガスHGのオフガス(未反応改質ガス)は、空気極等の酸化剤極側に導入された空気等の酸化剤のうちの未反応酸素(未反応酸化剤ガス)と共に燃焼させられ、改質器2は、この燃焼熱によって加熱される。改質器2は、水素含有ガスHGをセルスタック3の燃料極へ供給する。
The
セルスタック3は、SOFC(Solid Oxide Fuel Cells)と称される複数のセルの積層体を有している。各セルは、固体酸化物である電解質が燃料極と酸化剤極との間に配置されることで構成されている。電解質は、例えばイットリア安定化ジルコニア(YSZ)等からなり、高温下で酸化物イオンを伝導する。燃料極は、例えばニッケルとYSZとの混合物からなり、酸化物イオンと水素含有ガスHG中の水素とを反応させて、電子及び水を発生させる。酸化剤極は、例えばランタンストロンチウムマンガナイトからなり、酸化剤OX中の酸素と電子とを反応させて、酸化物イオンを発生させる。本実施形態では、セルスタック3は、台座7の上面において、当該セルスタック3を含む発電ユニットを設置する発電ユニット設置面と平行かつ各セルの積層方向と直交する方向に向かい合うように二列に配置される。ただし、セルスタック3は一列に配置されてもよい。セルスタック3が二列に配置されている場合、当該二つのセルスタック3が、燃料電池モジュール1の発電ユニットを構成する。セルスタック3が一つの場合は、当該一つのセルスタック3が燃料電池モジュール1の発電ユニットを構成し、セルスタック3が三つ以上の場合は、当該三つ以上のセルスタック3が燃料電池モジュール1の発電ユニットを構成する。発電ユニットは、台座7を介して第1の底壁部18に設置されているため、本実施形態では、当該第1の底壁部18が発電ユニットの設置される発電ユニット設置面に該当する。なお、セルスタック3は、複数のセルを連結したものであればよく、セルの形状は特に限定されず、積層可能な形状でなくともよい。本実施形態ではセルの積層体であるセルスタック3を例にして説明するものとし、「セルの連結方向」を「積層方向」と称して以下の説明を行う。
The
台座7と改質器2とは、パイプ8で接続されている。改質器2から供給された水素含有ガスHGは、台座7を介してセルスタック3の各セルに供給される。セルスタック3で反応しなかった水素含有ガスHG及び酸化剤OXは、セルスタック3の上部の燃焼部9で燃焼する。燃焼部9でのオフガスの燃料により、改質器2が加熱されると共に排ガスEGが発生する。
The
水気化部4は、供給される水を加熱し気化させることによって、改質器2に供給される水蒸気を生成する。水気化部4で生成された水蒸気は、例えば、第1の底壁部18を貫通して水気化部4と改質器2とを接続する配管(不図示)を用いて、改質器2へ供給される。水気化部4における水の加熱は、例えば、改質器2の熱、燃焼部9の熱、あるいは排ガスEGの熱を回収する等、燃料電池モジュール1内で発生した熱を用いてもよい。本実施形態では、水気化部4は、底部の排ガス流路に配置され、排ガスEGの熱を回収する構成となっている。
The
筐体6は、改質器2、セルスタック3、及び水気化部4を収納するための内部空間を有する、直方体状の金属製の箱体である。筐体6は、セルスタック3を収納する収納室11と、収納室11よりも外側に形成され、セルスタック3からのオフガスの燃焼による排ガスEGを通過させる排ガス流路12、酸化剤OXを通過させる酸化剤流路13と、収納室11や排ガス流路12や酸化剤流路13を形成する各壁部と、を備える。また、収納室11の下方に、受熱体としての水気化部4が配置される受熱体収納室60が形成される。なお、以下の説明においては、セルスタック3の各セルの積層方向に沿った方向を筐体6の「長さ方向D1」とし、水平方向(セルスタック3を含む発電ユニットが設置される発電ユニット設置面と平行な方向)において各セルの積層方向と直交する方向を筐体6の「幅方向D2」とし、鉛直方向を筐体6の「上下方向D3」として以下の説明を行う。
The housing 6 is a rectangular parallelepiped metal box having an internal space for housing the
収納室11は、幅方向D2に互いに対向する第1の側壁部16,17、及び第1の側壁部16,17の各下端部に連結される第1の底壁部18の内側に形成される。収納室11では、台座7が第1の底壁部18に配置される。なお、第1の底壁部18と台座7との間に断熱材が配置されていてもよい。燃焼部9で発生した排ガスEGを通過させるため、収納室11の上端部は開口している。受熱体収納室60は、第1の底壁部18、第2の底壁部24、及び第2の側壁部21,22の内側に形成される。
The
排ガス流路12は、幅方向D2において第1の側壁部16,17の外側にそれぞれ配置される第2の側壁部21,22と、第1の側壁部16,17の上端部よりも上側に配置される第1の上壁部23と、第1の底壁部18よりも下側に配置される第2の底壁部24と、によって形成される。
The exhaust
第1の上壁部23は第2の側壁部21,22の上端部に連結され、第2の底壁部24は第2の側壁部21,22の下端部に連結される。第2の側壁部21,22は、第1の側壁部16,17から離間して対向するように配置される。第1の上壁部23は、収納室11の上端部から離間しており、当該収納室11の上端部に形成される開口部分と対向するように配置される。第2の底壁部24は、第1の底壁部18から離間して対向するように配置される。
The first
排ガス流路12は、収納室11の上側の開口部と第1の上壁部23との間に形成される排ガス流路12A,12Bと、第2の側壁部21,22と第1の側壁部16,17との間に形成される排ガス流路12C,12Dと、受熱体収納室60内に形成されており第2の底壁部24と第1の底壁部18との間に形成される排ガス流路12E,12Fと、を有する。排ガス流路12A,12Bは、燃焼部9からの排ガスEGを排ガス流路12C,12Dへ導く。排ガス流路12C,12Dは、排ガスEGを下方へ通過させ、当該排ガスEGの熱を外側の酸化剤流路13C,13Dを流れる酸化剤OXに供給する。排ガス流路12E,12Fは、排ガスEGを排気管32へ向かって水平方向(セルスタック3を含む発電ユニットが設置される発電ユニット設置面と平行な方向)に通過させ、当該排ガスEGの熱を水気化部4に供給する。
The
酸化剤流路13は、幅方向D2において第2の側壁部21,22の外側にそれぞれ配置される第3の側壁部26,27と、第1の上壁部23よりも上側に配置される第2の上壁部28と、第2の底壁部24よりも下側に配置される第3の底壁部29と、によって形成される。
The
第2の上壁部28は第3の側壁部26,27の上端部に連結され、第3の底壁部29は第3の側壁部26,27の下端部に連結される。第3の側壁部26,27は、第2の側壁部21,22から離間して対向するように配置される。第2の上壁部28は、第1の上壁部23から離間して対向するように配置される。第3の底壁部29は、第2の底壁部24から離間して対向するように配置される。
The second
酸化剤流路13は、第2の上壁部28と第1の上壁部23との間に形成される酸化剤流路13A,13Bと、第3の側壁部26,27と第2の側壁部21,22との間に形成される酸化剤流路13C,13Dと、第2の側壁部21,22から第1の側壁部16,17へ向かって延びる酸化剤流路13E,13F(詳細については後述)と、を有する。酸化剤流路13A,13Bは、給気管31からの酸化剤OXを水平方向(セルスタック3を含む発電ユニットが設置される発電ユニット設置面と平行な方向)に広がるように通過させ、酸化剤流路13C,13Dへ導く。酸化剤流路13C,13Dは、酸化剤OXを下方へ通過させ、当該酸化剤OXを内側の排ガス流路12C,12Dを流れる排ガスEGの熱によって加熱する。酸化剤流路13E,13Fは、酸化剤OXを幅方向D2における外側から内側へ向かって通過させ、第1の側壁部16,17に形成された貫通孔47,48へ導く。
The
第2の上壁部28には、図示されない酸化剤供給部から酸化剤流路13に酸化剤を流入させるための給気管31が設けられている。また、第2の底壁部24には、排ガス流路12からの排ガスを排気する排気管32が設けられている。
The second
側壁部16,17,21,22,26,27、上壁部23,28、及び底壁部18,24,29は、長さ方向D1における筐体6の端部6a,6bにまで延びている。筐体6の長さ方向D1の両端部には、それぞれ端壁部33,34が設けられている。第3の側壁部26,27、第2の上壁部28、第3の底壁部29、及び端壁部33,34は、燃料電池モジュール1の外殻を構成し、互いの接続部におけるシール性が確保されており、筐体6内の気密性が確保されている。
The
次に、水素含有ガスHG、酸化剤OX、及び排ガスEGの流れについて説明する。 Next, the flow of the hydrogen-containing gas HG, the oxidant OX, and the exhaust gas EG will be described.
外部から供給される水素含有燃料及び水気化部4からの水蒸気を用いて改質器2で発生した水素含有ガスHGは、パイプ8を通過して台座7に流れ込み、台座7からセルスタック3の各セルに供給される。水素含有ガスHGは、セルスタック3を下方から上方へ向かって流れ、一部はオフガスとして燃焼部9での燃焼に用いられる。酸化剤OXは、外部から給気管31を介して供給され、酸化剤流路13A,13Bにて水平方向(セルスタック3を含む発電ユニットが設置される発電ユニット設置面と平行な方向)に広がり、内側を流れる排ガスEGで加熱されながら酸化剤流路13C,13Dを下方へ向かって通過する。酸化剤OXは、酸化剤流路13E,13Fを通過し、第2の側壁部21,22から第1の側壁部16,17へ向かって外側から内側へ流れる。酸化剤OXは、貫通孔47,48を通過してセルスタック3へ供給され、一部は燃焼部9での燃焼に用いられる。燃焼部9で発生した排ガスEGは、排ガス流路12A,12Bで排ガス流路12C,12Dに導かれ、外側を流れる酸化剤OXに熱を供給しながら排ガス流路12C,12Dを下方へ向かって通過する。排ガスEGは、底部まで達すると排ガス流路12E,12Fへ流れ込み、水気化部4に熱を供給しながら排ガス流路12E,12Fを通過する。排ガス流路12E,12Fを通過した排ガスEGは、排気管32から排気される。
The hydrogen-containing gas HG generated in the
本実施形態に係る燃料電池モジュール1は、筐体6をシンプルな構造とすることで、コストダウンを図ることが可能となっている。また、燃料電池モジュール1は、排ガスEGと水気化部4との間の熱交換を効率よく行うことができる構造を採用している。このような効果を奏するために、筐体6は、第2の側壁部21,22から第1の側壁部16,17へ向かう酸化剤流路13E,13Fを形成する流路形成部40,41と、酸化剤流路13E,13Fと収納室11とを連通する貫通孔47,48と、排ガスEGを集めて排ガス流路12E,12Fへ流入させる入口部50と、排ガスEGを集めて排ガス流路12E,12Fから排気する排気管32と、を備えている。当該構造の斜視図を図3に示す。以下の説明は、図1、図2及び図3を参照して説明する。なお、図3においては、流路形成部40側の様子のみが示されているが、流路形成部41側も同様の構成を有している。
The
貫通孔47,48は、セルスタック3における各セルに酸化剤を供給できるように、長さ方向D1に沿って複数形成されている。貫通孔47,48は、幅方向D2から見て、セルスタック3の下側の領域と重なるように配置されている(図2参照)。なお、図においては説明のために貫通孔47,48が大きく示されている。貫通孔47,48の形状や配置パターンは、セルスタック3にあわせて適宜変更してもよい。
A plurality of through
流路形成部40,41は、貫通孔47,48を介して酸化剤をセルスタック3に供給するために、排ガス流路12C,12D中を横切るように酸化剤流路13E,13Fを形成する機能と、排ガス流路12C,12Dの一部の領域を塞ぐことによって排ガスEGを集める入口部50を形成する機能を有している。流路形成部40,41は、少なくとも貫通孔47,48に対応する位置に形成されると共に、長さ方向D1の全範囲において排ガス流路12C,12Dを塞がないように形成される。本実施形態では、流路形成部40,41は、第1の側壁部16,17の下側の領域に、矩形状に形成される。また、流路形成部40,41は、筐体6の一端部6a側においては当該一端部6aまで延びている。他端部6b側においては、入口部50を確保するように、当該他端部6bから離間している。
The flow
流路形成部40,41は、第2の側壁部21,22に形成された開口部42,43と、当該開口部42,43の縁部と収納室11の第1の側壁部16,17とを連結する周壁部44,46と、を有している。開口部42,43は、少なくとも貫通孔47,48に対向する位置に形成される。本実施形態では、開口部42,43は、第1の側壁部16,17の下側の領域に、矩形状に形成される。また、開口部42,43は、筐体6の一端部6a側においては当該一端部6aまで延びており、他端部6b側においては当該他端部6bから離間している。周壁部44,46は、開口部42,43の縁部から第1の側壁部16,17へ向かって略垂直に延びている。周壁部44,46は、貫通孔47,48の周りを囲むように形成される。このような構成によって、貫通孔47,48周辺の第1の側壁部16,17の側面16a,17aの一部(周壁部44,46で取り囲まれた部分)が外側の第2の側壁部21,22から露出する構成となる。周壁部44,46は、排ガス流路12C,12Dと、当該排ガス流路12C,12Dを横切るように形成された酸化剤流路13E,13Fと、を仕切る機能を有している。また、周壁部44,46の上壁部44b,46bは、排ガス流路12C,12Dを上方から下方へ向かって流れる排ガスEGの流れを妨げることによって、入口部50へ導く。
The flow
入口部50は、筐体6の他端部6bの端壁部34と、周壁部44の端壁部44aとの間に形成される。すなわち、入口部50は、受熱体収納室60の長さ方向D1における他端部6b側に配置されている。これによって、入口部50は、筐体6の他端部6b側に排ガスEGを集め、下側の排ガス流路12E,12Fへ流入させる。排気管32は、筐体6の一端部6a付近に配置される。すなわち、排気管32は、受熱体収納室60の長さ方向D1における一端部6a側に配置されている。排気管32は、他端部6b側から排ガス流路12E,12Fを流れて来た排ガスEGを集めて、排気する。排ガス流路12E,12F内には、水気化部4が、一端部6aから他端部6bへ向かって延びるように配置されている。このように、排気管32が排ガス流路12E,12Fにおける一端部6a側に配置され、入口部50が排ガス流路12E,12Fにおける他端部6b側に配置されているため、排ガスEGが排ガス流路12E,12F内を流れる距離(すなわち排ガスEGと水気化部4の接触時間)を十分に確保することができる。従って、排ガスEGは水気化部4と十分に熱交換を行った後に排気管32から排気される。なお、図3には示されていないが、排ガス流路12D側にも同様の入口部50が形成されている。
The
次に、本実施形態に係る燃料電池モジュール1の作用・効果について説明する。
Next, the operation and effect of the
まず、比較例として特許文献1に示す燃料電池モジュールの構成を説明する。燃料電池モジュールの筐体は、酸化剤供給部材を用いてセルスタックに酸化剤を供給する。酸化剤供給部材は、一対のセルスタックの間の隙間に入り込むように延びており、内部に酸化剤流路を有すると共に、先端部に貫通孔を有している。また、給気管が底壁(第3の底壁部29に相当)に形成されており、底壁(第3の底壁部29に相当)と底壁(第2の底壁部24に相当)の間が酸化剤流路として機能する。側壁側の排ガス流路内には排ガスの流れを妨げるものはなく、当該排ガス流路は、広い流路面積を有する。
First, a configuration of a fuel cell module disclosed in
また、特許文献1に示す燃料電池モジュールでは、側壁側の排ガス流路が広い流路面積を有しているため、排ガスは、出来る限り距離が短くなるような経路で排気管へ向かって流れる。従って、側壁側の排ガス流路を流れる排ガスは、底壁側の排気管寄りに流れ、当該排気管から近い位置で、底壁側の排ガス流路に流れ込む。底壁側の排ガス流路に流れ込んだ排ガスは、直ちに排気管から排気される(例えば図8を参照)。従って、排ガスが底壁側排ガス流路を流れる距離、すなわち排ガスと水気化部との接触時間が短くなってしまい、排ガスと水気化部との間で効率よく熱交換が行われない。
Moreover, in the fuel cell module shown in
本実施形態に係る燃料電池モジュール1によれば、排ガス流路12は、排ガスEGを集めて排ガス流路12E,12Fへ流入させる入口部50と、排ガスEGを集めて排ガス流路12E,12Fから排気する排気管32と、を有している。このような構成により、排ガス流路12C,12Dの流路面積が広い場合であっても、当該排ガス流路12C,12Dを通過する排ガスEGは、入口部50において集められた状態で排ガス流路12E,12Fへ流入し、排ガス流路12E,12F内では少なくとも入口部50と排気管32との間を通過するように流れる。従って、入口部50と排気管32と間の距離を長くすることで、排ガスEGが水気化部4と接触する時間を長くすることができる。これによって、排ガスEGと水気化部4との間の熱交換効率が上がり、排ガスEGの熱を有効に利用することができる。
According to the
また、排気管32は受熱体収納室60における一端部6a側に配置されると共に、入口部50は受熱体収納室60における他端部6b側に配置される。このような構成によって、入口部50と排気管32との間の距離、すなわち排ガスEGと水気化部4との接触時間を長くすることができる。
Further, the
また、筐体6は、排ガス流路12C,12D内に形成され、第2の側壁部21,22から第1の側壁部16,17へ向かって延びる上壁部44b,46bを有している。上壁部44b,46bで排ガス流路12C,12Dの一部を塞ぐことで、排ガス流路12C,12Dを流れる排ガスEGは、上壁部44b,46bで妨げられるため、塞がれていない部分へ向かって流れる。すなわち、当該塞がれていない部分である端壁部34と端壁部44bとの間の領域を、排ガスEGを集める入口部50として構成することができる。これによって、入口部50を簡単な構成で形成することが可能となる。
The housing 6 has
比較例に係る燃料電池モジュールは、酸化剤供給部材を有するため、収納室の上方に配置される上壁部(第1の上壁部23)に、酸化剤供給部材を挿入するための開口部を形成する必要があった。開口部を有する板部材を他の壁部とは別途準備する必要があり、更に筐体に組み付ける必要があった。また、このような開口部と他の壁部や酸化剤供給部材との間の気密性を確保するために、また、酸化剤を供給するための先端部の貫通孔以外の部位から酸化剤が供給されることを防止するために、フランジ板やシール材が必要となっていた。また、開口部を有する板部材を正確に取り付けなくては、酸化剤供給部材を組み付けたときに酸化剤がセルスタックの意図した位置(例えば、酸化剤供給部材の貫通孔の位置がずれて、セルとセルの間に酸化剤を供給できない)に供給されない可能性がある。従って、酸化剤供給部材の製作精度が要求されると同時に組み立て精度も要求され、組み立てコストが上昇する。以上によって、燃料電池モジュールの製造コストや材料コストが上がってしまうという問題があった。更に、セルスタックの上側から酸化剤供給部材を挿入する必要があるため、当該酸化剤供給部材を回避しつつも燃焼熱を得ることができるように、改質器の形状を、酸化剤供給部材を挟み込むような角形U字状に形成する必要があった。このような形状によれば、改質器の形状が複雑になり、溶接箇所が増加してしまうと共に溶接線長が長くなってしまうという問題が生じる。 Since the fuel cell module according to the comparative example includes the oxidant supply member, an opening for inserting the oxidant supply member into the upper wall portion (first upper wall portion 23) disposed above the storage chamber. Needed to be formed. It is necessary to prepare a plate member having an opening separately from other wall portions, and it is necessary to assemble the plate member to the housing. Moreover, in order to ensure the airtightness between such an opening and another wall part or an oxidant supply member, the oxidant is introduced from a portion other than the through hole at the tip for supplying the oxidant. In order to prevent the supply, a flange plate and a sealing material have been required. In addition, unless the plate member having the opening is accurately attached, when the oxidant supply member is assembled, the oxidant is positioned at the intended position of the cell stack (for example, the position of the through hole of the oxidant supply member is shifted, May not be supplied between the cells). Accordingly, the manufacturing accuracy of the oxidant supply member is required, and at the same time, the assembly accuracy is required, and the assembly cost increases. As a result, there has been a problem that the manufacturing cost and material cost of the fuel cell module are increased. Furthermore, since it is necessary to insert an oxidant supply member from the upper side of the cell stack, the shape of the reformer is changed to an oxidant supply member so that combustion heat can be obtained while avoiding the oxidant supply member. It was necessary to form it in the shape of a square U so as to sandwich it. According to such a shape, the shape of the reformer becomes complicated, resulting in a problem that the number of welding points increases and the weld line length becomes long.
本実施形態に係る燃料電池モジュール1では、筐体6は、セルスタック3を収納する収納室11と、収納室11よりも外側に形成され、酸化剤を通過させる酸化剤流路13と、を有している。また、収納室11を構成する第1の側壁部16,17には、収納室11と酸化剤流路13とを連通し、酸化剤をセルスタック3へ供給する貫通孔47,48が形成されている。酸化剤流路13は、収納室11よりも外側に配置されているため、セルスタック3へ酸化剤OXを供給する際は、筐体6内において、外側から内側へ向かって酸化剤OXが流れる構成となる。これによって、従来の燃料電池モジュールにおいて用いられていた、一対のセルスタック3の隙間に挿入される酸化剤供給部材36が不要とされる。従って、収納室11の上方に配置される第1の上壁部23に酸化剤供給部材36を挿入するための開口部が不要とされ、気密性確保のための部品・作業も不要とされる。このように、部品点数を減少させることが可能になり、コストを低減することができる。また、酸化剤供給部材36を挿入する作業・気密性を確保するための作業が不要となるため、コストを低減することができる。また、セルスタック3の上側に配置される改質器2も、酸化剤供給部材36を回避するための構造とする必要がなくなるため、構造をシンプルにすることが可能となり、コストを低減することができる。本実施形態では、改質器2は、長方形状のシンプルな形状となっている。以上によって、燃料電池モジュール1の構造を簡単にすると共にコストを低減することができる。
In the
また、燃料電池モジュール1において、筐体6は、当該第1の側壁部16,17との間で排ガス流路12C,12Dを形成する第2の側壁部21,22と、第2の側壁部21,22との間で酸化剤流路13C,13Dを形成する第3の側壁部26,27と、酸化剤流路13E,13Fを形成する流路形成部40,41と、を有している。第1の側壁部16,17と第2の側壁部21,22との間に排ガス流路12C,12Dが形成され、第2の側壁部21,22と第3の側壁部26,27との間に酸化剤流路13C,13Dが形成される。これによって、排ガスEGと酸化剤OXとの間で熱交換を行うことができる。流路形成部40,41は、酸化剤流路13C,13Dと排ガス流路12C,12Dとを仕切っている第2の側壁部21,22に開口部42,43を形成し、貫通孔47,48を取り囲むように開口部42,43と第1の側壁部16,17を連結する周壁部44,46を形成することで構成されている。これによって、第2の側壁部21,22から第1の側壁部16,17の貫通孔47,48へ向かって、排ガス流路12C,12D内を横切るような酸化剤流路13E,13Fを形成することができる。これによって、第2の側壁部21,22と第3の側壁部26,27との間に形成されている酸化剤流路13C,13D内を通過することで排ガスEGと熱交換された酸化剤OXを、貫通孔47,48を介してセルスタック3へ供給することが可能となる。
In the
また、貫通孔47,48は、セルスタック3を挟んで、当該セルスタック3の両側に形成されている。これによって、セルスタック3の両側から酸化剤を供給することが可能となる。
The through holes 47 and 48 are formed on both sides of the
また、このような構成によれば、流路形成部40,41の端壁部44a,46aは排ガスを集める入口部50を構成し、上壁部44b,46bは排ガスの流れを妨げて入口部50へ導く壁部を構成している。このように、貫通孔47,48へ酸化剤OXを導くための流路形成部40,41が、排ガス流路12C,12Dの一部を塞いで排ガスを入口部50へ導く部分として同時に機能することができる。
Further, according to such a configuration, the
本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。 The present invention is not limited to the above-described embodiment.
例えば、上述の実施形態では、排ガスEGを集める入口部を一箇所としていたが、図4に示す燃料電池モジュール200のように、流路形成部40,41を一端部6aからも離間させることによって、受熱体収納室60における一端部6a側においても入口部51を形成してもよい。それに伴って、排気管32の位置を長さ方向D1における略中央位置に設定することが好ましい。これによって、入口部50からの排ガスEG及び入口部51からの排ガスEGの両方を水気化部4と十分に接触させることができると共に、一端部6a側においても他端部6b側においてもバランスよく熱交換することができる。
For example, in the above-described embodiment, the inlet portion that collects the exhaust gas EG is provided at one place, but the flow
また、本実施形態では流路形成部40,41を入口部50を形成するための壁部として兼用していたが、これに限定されない。例えば、従来の燃料電池モジュールに対し、排ガス流路12C,12Dに、長さ方向D1に沿って延びるような一枚の板部材を設けることで、排ガスEGの流れを妨げてもよい。また、第1の側壁部16,17をそのまま下方へ延ばして第2の底壁部24と連結し、排ガス流路12C,12Dから排ガス流路12E,12Fへ流れ込む部分の一部を塞ぐことによって入口部を形成してもよい。
Moreover, in this embodiment, although the flow-
また、排ガス流路以外の流路や壁部構造は、燃料電池モジュールに応じて適宜変更してもよい。 Further, the flow channel other than the exhaust gas flow channel and the wall structure may be appropriately changed according to the fuel cell module.
また、図5及び図6に示すような燃料電池モジュール300に係る構成を採用してもよい。図5及び図6に示す燃料電池モジュール300においては、第3の側壁部26,27、第2の上壁部28、及び第3の底壁部29は省略されている。また、酸化剤供給部材36を用いてセルスタック3に酸化剤OXを供給する。酸化剤供給部材36は、第1の上壁部23から挿入されて、一対のセルスタック3の間の隙間に入り込むように延びており、内部に酸化剤流路13Kを有すると共に、先端部に貫通孔37,38を有している。改質器102の形状は、酸化剤供給部材36を挟み込むような角形U字状に形成されている。燃料電池モジュール300では、収納室11の上端部からは内側へ向かって水平に延びる折込部11aが形成されている。このように、収納室11の上端部は折り込まれていてもよい。
Moreover, you may employ | adopt the structure which concerns on the
また、燃料電池モジュール300は、排ガス流路12C,12D内に形成され、第2の側壁部21,22から側壁部16,17へ向かって延びる壁部71,72を有している。入口部50は、壁部71,72で排ガス流路12C,12Dの一部を塞ぐことによって形成される。図5及び図6においては、ハッチングが施された部分に壁部71,72が形成される。壁部71,72は、ハッチングの部分中実の板であってもよく、中空の壁であってもよい。壁部71,72は、他端部6b側において、入口部50を確保するように、当該他端部6bから離間している。従って、入口部50は、受熱体収納室60の長さ方向D1における他端部6b側に配置される。一端部6a側は、壁部71,72で塞がれている。排気管32は、受熱体収納室60の長さ方向D1における一端部6a側に配置される。これによって、入口部50から排気管32へ向かう排ガス流路12E,12Fが形成され、排ガスEGによって水気化部4が加熱される。
The
また、図5及び図6に示す実施形態では、上側から酸化剤が導入されていた。しかし、図5及び図6に示す筐体106を更にもう一重の筐体で覆い、当該筐体の下部に給気管を設けることで、下方から酸化剤を導入してもよい。 Further, in the embodiment shown in FIGS. 5 and 6, the oxidizing agent is introduced from the upper side. However, the casing 106 shown in FIGS. 5 and 6 may be further covered with another casing, and an oxidant may be introduced from below by providing an air supply pipe at the lower portion of the casing.
また、図7に示すような燃料電池モジュール400に係る構成を採用してもよい。燃料電池モジュール400は、図6に示す燃料電池モジュール300に対して一端部6a側に入口部51を形成した構成が採用されている。燃料電池モジュール400では、壁部71,72は、一端部6a側において、入口部51を確保するように、当該一端部6aから離間している。従って、入口部51は、受熱体収納室60の長さ方向D1における一端部6a側に配置される。排気管32は、受熱体収納室60の長さ方向D1において、入口部50と入口部51との間に配置されている。排気管32は、受熱体収納室60の長さ方向D1における中央位置に配置される。これによって、入口部50から排気管32へ向かうと共に入口部51から排気管32へ向かう排ガス流路12E,12Fが形成され、排ガスEGによって水気化部4が加熱される。
Moreover, you may employ | adopt the structure which concerns on the
排ガスから熱を受ける受熱体として、水気化部4を例示したが、熱を利用するものであれば特に限定されない。例えば、受熱体として、改質ガスを発生させる改質触媒を含む改質器を適用してもよい。あるいは、受熱体として、有機ハイドライドの脱水素反応触媒を含み水素リッチガスを発生させる脱水素反応器を適用してもよい。
Although the
また、本発明においては、受熱体として改質器が適用される場合、水気化部は必須の構成要件ではなく、受熱体として水気化部が適用される場合、改質器は必須の構成要件ではなく、受熱体として脱水素反応器が適用される場合、改質器及び水気化部は必須の構成要件ではない。 Further, in the present invention, when the reformer is applied as a heat receiving body, the water vaporization unit is not an essential constituent requirement. When the water vaporizing unit is applied as a heat receiving body, the reformer is an essential constituent requirement. Instead, when a dehydrogenation reactor is applied as a heat receiving body, the reformer and the water vaporization unit are not essential components.
1,200,300,400…燃料電池モジュール、2…改質器、3…セルスタック、4…水気化部、6…筐体、11…収納室、12…排ガス流路、13…酸化剤流路、16,17…第1の側壁部、21,22…第2の側壁部、26,27…第3の側壁部、32…排気管(排気部)、40,41…流路形成部、42,43…開口部、44,46…周壁部、44b,46b…上壁部(壁部)、50,51…入口部、60…受熱体収納室、71,72…壁部。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,200,300,400 ... Fuel cell module, 2 ... Reformer, 3 ... Cell stack, 4 ... Water vaporization part, 6 ... Case, 11 ... Storage chamber, 12 ... Exhaust gas flow path, 13 ...
Claims (8)
前記セルスタックを収納する筐体と、を備える燃料電池モジュールであって、
前記筐体は、
前記セルスタックを収納する収納室と、
前記収納室よりも外側に形成され、前記セルスタックから排出される排ガスを流通させる排ガス流路と、を有し、
前記排ガス流路は、
前記収納室の側方に形成され、前記排ガスを下方へ通過させる第1の排ガス流路と、
前記収納室の下方に形成されると共に、内部に前記受熱体が配置される受熱体収納室内に形成され、前記第1の排ガス流路からの前記排ガスを通過させる第2の排ガス流路と、
前記排ガスを集めて前記第2の排ガス流路へ流入させる入口部と、
前記排ガスを集めて前記第2の排ガス流路から排気する排気部と、を有する燃料電池モジュール。A cell stack for generating power using a hydrogen-containing gas and an oxidant;
A housing for housing the cell stack, and a fuel cell module comprising:
The housing is
A storage chamber for storing the cell stack;
An exhaust gas passage that is formed outside the storage chamber and circulates the exhaust gas discharged from the cell stack, and
The exhaust gas flow path is
A first exhaust gas passage formed on the side of the storage chamber and passing the exhaust gas downward;
A second exhaust gas passage formed below the storage chamber and formed in a heat receiving body storage chamber in which the heat receiving body is disposed, and allows the exhaust gas from the first exhaust gas passage to pass through;
An inlet for collecting the exhaust gas and flowing it into the second exhaust gas flow path;
An exhaust unit that collects the exhaust gas and exhausts the exhaust gas from the second exhaust gas flow path.
前記収納室を構成する第1の側壁部と、
前記第1の側壁部の外側に配置され、当該第1の側壁部との間で前記第1の排ガス流路を形成する第2の側壁部と、
前記第1の排ガス流路内に形成され、前記第2の側壁部から前記第1の側壁部へ向かって延びる壁部と、を有し、
前記入口部は、前記壁部で前記第1の排ガス流路の一部を塞ぐことによって形成されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。The housing is
A first side wall constituting the storage chamber;
A second side wall disposed outside the first side wall and forming the first exhaust gas flow path with the first side wall;
A wall portion formed in the first exhaust gas flow path and extending from the second side wall portion toward the first side wall portion,
4. The fuel cell module according to claim 1, wherein the inlet portion is formed by closing a part of the first exhaust gas flow path with the wall portion. 5.
前記収納室を構成する第1の側壁部と、
前記第1の側壁部を介して前記収納室よりも外側に形成され、前記酸化剤を通過させる酸化剤流路と、を有し、
前記収納室と前記酸化剤流路とを連通し、前記酸化剤を前記セルスタックへ供給する貫通孔が形成されている請求項1〜4のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。The housing is
A first side wall constituting the storage chamber;
An oxidant channel formed outside the storage chamber through the first side wall and allowing the oxidant to pass therethrough,
The fuel cell module according to any one of claims 1 to 4, wherein a through hole that communicates the storage chamber and the oxidant flow path and supplies the oxidant to the cell stack is formed.
The fuel cell module according to any one of claims 1 to 5, wherein the heat receiving body is a dehydrogenation reactor including an organic hydride dehydrogenation reaction catalyst.
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Legal Events
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A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20150623 |
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A02 | Decision of refusal |
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