JPWO2017126699A1

JPWO2017126699A1 - 燃料電池装置

Info

Publication number: JPWO2017126699A1
Application number: JP2017523006A
Authority: JP
Inventors: 光博中村; 嶌田　光隆; 光隆嶌田; 亨祐山内; 貴之丸山; 達也神林
Original assignee: Kyocera Corp; Dainichi Co Ltd
Current assignee: Kyocera Corp; Dainichi Co Ltd
Priority date: 2016-01-23
Filing date: 2017-01-20
Publication date: 2018-01-25
Anticipated expiration: 2037-01-20
Also published as: EP3407411A4; JP2019133941A; US20190221869A1; WO2017126699A1; JP6495994B2; EP3407411A1; CN108475794A; JP2018056129A; US11843139B2; CN108475794B; JP6826619B2; JP6239198B1

Abstract

燃料電池装置は、収納容器(2)と、該収納容器(2)に収納され燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池セル(4)とを備えてなる燃料電池モジュール(1)と、該燃料電池モジュール(1)より排出される排ガスを用いて媒体と熱交換を行なう熱交換器(13)と、を備え、該熱交換器(13)が、収納容器(2)の側方に配置されている。

Description

本開示は、燃料電池装置に関するものである。

近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（空気）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを収納容器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１参照。）。

特開２００９−１１０７５３号公報

本開示の燃料電池装置は、収納容器と、該収納容器に収納され燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池セルとを備えてなる燃料電池モジュールを備える。また、該燃料電池モジュールより排出される排ガスを用いて媒体と熱交換を行なう熱交換器を備える。該熱交換器は、前記収納容器の側方に配置されている。

本発明の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
本実施形態の燃料電池装置の一部を抜粋した一例を示す外観斜視図である。（ａ）は、図１に示すセルスタック装置の一部を抜粋して示す側面図であり、（ｂ）は（ａ）で示すセルスタック装置の一部を抜粋して示す平面図である。（ａ）、（ｂ）は本実施形態の燃料電池モジュールと熱交換器との配置を示す側面図である。本実施形態の燃料電池装置の一部を抜粋した一例を示す断面図である。本実施形態の燃料電池装置の一部を抜粋した他の一例を示す断面図である。本実施形態の燃料電池装置の一部を抜粋したさらに他の一例を示す断面図である。本実施形態の燃料電池装置の一部を抜粋したさらに他の一例を示す断面図である。本実施形態のモジュールおよび熱交換器を示す側面図である。本実施形態の燃料電池装置の一例を概略的に示す分解斜視図である。

燃料電池装置は、まだまだサイズが大きく、特にマンション等の設置可能な場所が少ない建物では設置が難しい場合があり、より小型化の燃料電池装置が求められている。

本実施形態の燃料電池装置においては、熱交換器が収納容器の側方に配置されていることで、高さ方向における小型化が可能となる。以下、本実施形態の燃料電池装置について、図を用いて詳細に説明する。

図１は、本実施形態の燃料電池装置の一部を抜粋した一例を示す外観斜視図である。また、図２は、図１に示すセルスタック装置の一部を抜粋して示す側面図であり、（ｂ）は（ａ）で示すセルスタック装置の一部を抜粋して示す平面図である。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においては、本実施形態の燃料電池装置のうち、収納容器２および収納容器２に収納され燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池セル３を備えるセルスタック装置１２を有する燃料電池モジュール（以下、モジュールという場合がある。）１と、モジュール１より排出される排ガスと媒体（水等）とで熱交換を行なうための熱交換器１３と、を抜粋して示している。以下に、まずモジュール１について説明する。

本実施形態のモジュール１は、収納容器２の内部に、マニホールド４に２つのセルスタック５が固定されているセルスタック装置１２が収納されている。セルスタック５は、内部を燃料ガスが流通する燃料ガス流路（図示せず）を有する燃料電池セル３を立設させた状態で一列に配列している。隣接する燃料電池セル３は、間に集電部材（図１においては図示せず）を配置して電気的に直列に接続されている。また、燃料電池セル３の下端が、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４に固定されている。また、セルスタック５の上方には、燃料電池セル３に供給する燃料ガスを生成するための改質器６が配置されている。なお、セルスタック５の両端部には、セルスタック５（燃料電池セル３）の発電により生じた電気を集電して外部に引き出すための、電気引き出し部を有する導電部材が配置されている（図示せず）。なお、図１においては、セルスタック装置１２が２つのセルスタック５を備えている場合を示しているが、適宜その個数は変更することができる。例えばセルスタック５を１つだけ備えていてもよい。また、セルスタック装置１２を、改質器６を含むものとすることもできる。

また、図１においては、燃料電池セル３として、内部を燃料ガスが長手方向に流通する燃料ガス流路を複数有する中空平板型を示している。具体的には、燃料ガス流路を有する支持体の表面に、燃料極層、固体電解質層および酸素極層を順に積層してなる固体酸化物形の燃料電池セル３を例示している。なお、燃料電池セル３の間に酸素含有ガスが流通する。燃料電池セル３の構成については後述する。

また、本実施形態の燃料電池装置においては、燃料電池セル３が固体酸化物形の燃料電池セルであればよく、例えば平板型や円筒型とすることもでき、あわせて収納容器２の形状も適宜変更することができる。

また、図１に示す改質器６においては、原燃料供給管１０を介して供給される天然ガスまたは灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成する。なお、改質器６は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行うことができる構造とすることができる。改質器６は、水を気化させるための気化部７と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒（図示せず）が配置された改質部８と、を備えている。そして、改質器６で生成された燃料ガスは、燃料ガス流通管９を介してマニホールド４に供給され、マニホールド４より燃料電池セル３の内部に設けられた燃料ガス流路に供給される。

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１２を後方に取り出した状態を示している。ここで、図１に示したモジュール１においては、セルスタック装置１２を、収納容器２内にスライドして収納することができる。

なお、収納容器２の内部には、酸素含有ガス導入部材１１が配置されている。酸素含有ガス導入部材１１は、マニホールド４に並置されたセルスタック５の間に配置され、酸素含有ガスが燃料電池セル３の側方を下端部から上端部に向けて流れるように配置されている。

以下、図２を用いて本実施形態のセルスタック装置１２について説明する。なお、図２（ｂ）において、（ａ）で示した点線枠で囲った部分に対応する部分を明確とするために矢印にて示している。

図２に示すセルスタック装置１２においては、燃料電池セル３の複数個を、それぞれの燃料電池セル３間に集電部材１６を介して立設させた状態で配列して、電気的に直列に接続してセルスタック５としている。セルスタック５は、各燃料電池セル３の下端部が、燃料電池セル３に燃料ガスを供給するマニホールド４に固定されている。

また、セルスタック装置１２は、端部に配置された集電部材１６を介して燃料電池セル３の配列方向の両端からセルスタック５を挟持するように、マニホールド４に下端が固定された導電部材１７を具備している。

図２（ａ）に示す導電部材１７においては、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で、セルスタック５（燃料電池セル３）の発電により生じる電流を引出すための電流引出し部１８が設けられている。

以下、図２に示す燃料電池セル３を用いて、燃料電池セル３の構成を説明する。

燃料電池セル３は、一対の対向する平坦面をもつ柱状の導電性支持体２３（以下、支持体２３と略す場合がある。）の一方側の平坦面上に燃料極層１９と、固体電解質層２０と、酸素極層２１とが順に積層されている。なお、燃料極層１９、固体電解質層２０および酸素極層２１がこの順に積層された部位が、燃料電池セル３に供給される燃料ガスと酸素含有ガスとで発電する発電部となる。

さらに、燃料電池セル３の他方側の平坦面上にはインターコネクタ２２が設けられており、支持体２３の内部には、燃料ガスを流すための燃料ガス流路２４が複数設けられている。

また、インターコネクタ２２の外面（上面）にはＰ型半導体層２５を設けることもできる。図２（ｂ）においてはＰ型半導体層２５を設けた例を示している。集電部材１６を、Ｐ型半導体層２５を介してインターコネクタ２２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、支持体２３を、燃料極層１９を兼ねるものとし、その一方側表面上に固体電解質層２０および酸素極層２１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。

以下に、図２に示す燃料電池セル３を構成する各部材について説明する。

燃料極層１９は、一般的に公知のものを使用することができ、多孔質の導電性セラミックス、例えば希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアと称し、部分安定化ジルコニアも含む。）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。

固体電解質層２０は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能と、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためのガス遮断性と、を有する。固体電解質層２０は、３〜１５モル％の希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ_２から形成される。なお、上記特性を有する限りにおいては、他の材料等を用いて形成してもよい。

酸素極層２１は、一般的に用いられるものであれば特に制限はなく、例えば、いわゆるＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスから形成することができる。酸素極層２１はガス透過性を有しており、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲とすることができる。

インターコネクタ２２は、導電性セラミックスから形成することができる。インターコネクタ２２は、燃料ガス（水素含有ガス）および酸素含有ガス（空気等）と接触するため、耐還元性および耐酸化性を有しており、それゆえランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）を使用することができる。インターコネクタ２２は支持体２３に形成された燃料ガス流路２４を流通する燃料ガス、および燃料電池セル３の外側を流通する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質であり、相対密度を９３％以上、特に９５％以上とすることができる。

支持体２３としては、燃料ガスを燃料極層１９まで透過するためにガス透過性を有し、さらには、インターコネクタ２２を介して集電するために導電性を有する。したがって、支持体２３としては、かかる特性を有するものを材質として採用し、例えば導電性セラミックスやサーメット等を用いることができる。

ちなみに、燃料電池セル３を作製するにあたり、燃料極層１９または固体電解質層２０との同時焼成により支持体２３を作製する場合においては、Ｎｉ等の鉄属金属成分とＹ_２Ｏ_３等の特定の希土類酸化物とから支持体２３を形成することができる。また、支持体２３は、燃料ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５〜５０％の範囲である。またその導電率は５０Ｓ／ｃｍ以上、好ましくは３００Ｓ／ｃｍ以上、特には４４０Ｓ／ｃｍ以上である。

さらに、Ｐ型半導体層２５としては、遷移金属のペロブスカイト型酸化物からなる層を例示することができる。具体的には、インターコネクタ２２を構成するランタンクロマイト系のペロブスカイト酸化物（ＬａＣｒＯ_３）よりも電子伝導性の高いもの、例えばＡサイトにＳｒ（ストロンチウム）とＬａ（ランタン）が共存するＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３系酸化物（例えばＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３）、ＬａＭｎＯ_３系酸化物（例えばＬａＳｒＭｎＯ_３）、ＬａＦｅＯ_３系酸化物（例えばＬａＳｒＦｅＯ_３）、ＬａＣｏＯ_３系酸化物（例えばＬａＳｒＣｏＯ_３）の少なくとも１種から構成することができる。特に６００〜１０００℃程度の作動温度での電気伝導性が高いという点からＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３系酸化物から構成することができる。なお、ＢサイトにＣｏとともにＦｅ、Ｍｎが存在してもよい。このようなＰ型半導体層２５の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲とすることができる。

そして、それぞれの燃料電池セル３は集電部材１６を介して電気的に直列に接続される。なお、集電部材１６は、弾性を有する金属または合金からなる部材あるいは金属繊維または合金繊維からなるフェルトに所要の表面処理を加えた部材から構成することができる。

また、集電部材１６は、燃料電池装置の発電中に、高温な酸化雰囲気に曝されることから、Ｃｒを含有する合金を用いて作製することができる。さらに、集電部材１６の表面の一部、または全体を、希土類元素を含有するペロブスカイト型酸化物等を用いてコーティングすることができる。

なお、集電部材１６の長手方向の長さおよび幅方向の長さは発電部の長手方向の長さおよび幅方向の長さと同等以上の長さとすることができる。それにより、発電により生じた電流を効率よく集電することができる。

燃料電池装置においては、外装ケース内にモジュール１のほか、モジュール１より排出される排ガスと媒体とで熱交換を行なうための熱交換器１３、さらにはモジュール１の運転を行なうための、各種ポンプおよび制御装置等の補機が収納されている。しかしながら、従来の燃料電池装置では特に高さ方向の長さが大きくなり、マンション等への設置が困難となる場合があった。

そこで、図１に示す本実施形態の燃料電池装置では、熱交換器１３が収納容器２の側方に配置されている。それにより、従来モジュールの下方に配置されていた熱交換器を収納容器の側方に配置することで、燃料電池装置の高さ方向の長さを小さくでき、高さ方向における小型化が可能となる。

なお、熱交換器１３は、内部に排ガスと媒体とを流して熱交換させることで、熱交換後の排ガスの温度が低下することとなる。それゆえ、熱交換器１３には後述する排ガスの流入口および流出口、ならびに媒体の流入口１４と流出口１５とを備えている。また、排ガスの流れと媒体との流れを対向流とすることで、効率よく熱交換を行なうことができる。なお、熱交換器１３としては、例えばプレートフィン型熱交換器等を用いることができる。

図３は、本実施形態のモジュール１と熱交換器１３Ａ、Ｂとの配置を示す側面図である。

上述したように、本実施形態の燃料電池装置においては、高さ方向における小型化が可能となる。それゆえ図３（ａ）に示す熱交換器１３Ａにおいては、側面視において、熱交換器１３Ａの高さが収納容器２の高さよりも内側に位置している例を示している。なお、図３（ａ）においては、熱交換器１３Ａの幅が収納容器２の幅よりも大きくなっている。熱交換器１３Ａは、流入口１４と流出口１５とが、熱交換器１３Ａの幅方向に並ぶ幅方向配置とされている。それにより、熱交換器１３Ａにおける流路の長さを長くすることができ、より効率よく熱交換を行なうことが可能となる。なお、図３（ａ）に示す熱交換器１３Ａにおいては、排ガスと熱交換する水等の媒体が、左右方向に流れる熱交換器１３Ａを示している。

一方、図３（ｂ）に示す熱交換器１３Ｂにおいては、側面視において、熱交換器１３Ｂの外形が収納容器２の外形よりも内側に位置している。それにより、高さ方向だけではなく、幅方向においても小型化が可能となる。熱交換器１３Ｂは、流入口１４と流出口１５とは、熱交換器１３Ｂの高さ方向に並ぶ高さ方向配置とされている。高さ方向配置において、流出口１５が流入口１４よりも高い位置となるように、熱交換器１３Ｂを配置することができる。

さらに、熱交換器１３は、流入口１４と流出口とが、鉛直方向（水平方向）に対して傾斜した斜め方向に並ぶ斜め方向配置としてもよい。斜め方向配置において、流出口１５が流入口１４よりも高い位置となるように、熱交換器１３を配置することができる。

図４は、本実施形態の燃料電池装置のうち、モジュール１と熱交換器１３を抜粋した一例を示す断面図である。まずはモジュール１の構造について説明する。

図４に示すように、モジュール１を構成する収納容器２は、内壁２６と外壁２７とを有する二重構造で、外壁２７により収納容器２の外枠が形成されるとともに、内壁２６によりセルスタック装置１２を収納する発電室２８が設けられている。さらに収納容器２においては、底部に燃料電池セル３に導入する酸素含有ガスが流入するための酸素含有ガス流入管４４が接続されている。酸素含有ガス流入管４４より導入された酸素含有ガスは、内壁２６と外壁２７との間である酸素含有ガス流路３４を流れることとなる。

ここで、収納容器２内には、収納容器２の上部より、酸素含有ガス導入部材１１が、内壁２６を貫通して挿入されて固定されている。酸素含有ガス導入部材１１は、上端側に酸素含有ガスが流入するための酸素含有ガス流入口（図示せず）とフランジ部３８とを備え、下端部に燃料電池セル３の下端部に酸素含有ガスを導入するための酸素含有ガス流出口２９が設けられている。なお、フランジ部３８と内壁２６との間には断熱部材３０が配置されている。

なお、図４においては、酸素含有ガス導入部材１１が、収納容器２の内部に並置された２つのセルスタック５間に位置するように配置されているが、セルスタック５の数により、適宜配置することができる。例えば、収納容器２内にセルスタック５を１つだけ収納する場合には、酸素含有ガス導入部材１１を２つ設け、セルスタック５を両側面側から挟み込むように配置することができるほか、セルスタック５の片側だけに設けてもよい。

また発電室２８内には、モジュール１内の熱が極端に放散され、燃料電池セル３（セルスタック５）の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール１内の温度を高温に維持するための断熱部材３０が適宜設けられている。

断熱部材３０は、セルスタック５の近傍に配置することができる。断熱部材３０は、燃料電池セル３の配列方向に沿ってセルスタック５の側面側に配置するとともに、セルスタック５の側面における燃料電池セル３の配列方向に沿った幅と同等またはそれ以上の幅を有するものを配置することができる。なお、セルスタック５の両側面側に断熱部材３０を配置することもできる。それにより、セルスタック５の温度が低下することを効果的に抑制できる。さらには、酸素含有ガス導入部材１１より導入される酸素含有ガスが、セルスタック５の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック５を構成する燃料電池セル３間の酸素含有ガスの流れを促進することができる。なお、セルスタック５の両側面側に配置された断熱部材３０においては、燃料電池セル３に供給される酸素含有ガスの流れを調整し、セルスタック５の長手方向および燃料電池セル３の積層方向における温度分布を低減するための開口部３１が設けられている。

また、燃料電池セル３の配列方向に沿った内壁２６の内側には、排ガス用内壁３２が設けられており、内壁２６と排ガス用内壁３２の側面との間が、発電室２８内の排ガスが上方から下方に向けて流れる第１の排ガス流路３５（３５Ａ、３５Ｂ）とされている。また、内壁２６と排ガス用内壁３２の底面との間が、第２の排ガス流路３９とされている。収納容器２の側方側にそれぞれ設けられた第１の排ガス流路３５内を上方から下方に向けて流れた排ガスは、モジュール１の下方側に配置された第２の排ガス流路３９にて合流する。合流した排ガスは、続いて熱交換器１３と対向する側面に設けられた排気口４０に向けて流れることとなる。

なお、酸素含有ガス導入部材１１の内部には、セルスタック５近傍の温度を測定するための熱電対３７が、その測温部３６が燃料電池セル３の長手方向の中央部でかつ燃料電池セル３の配列方向における中央部に位置するように配置されている。

また、上述の構成のモジュール１においては、燃料電池セル３における燃料ガス流路より排出される、発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル３の上端と改質器６との間で燃焼させることにより、燃料電池セル３の温度を上昇・維持させることができる。あわせて、燃料電池セル３（セルスタック５）の上方に配置された改質器６を温めることができ、改質器６で効率よく改質反応を行なうことができる。なお、通常発電時においては、上記燃焼や燃料電池セル３の発電に伴い、モジュール１内の温度は５００〜８００℃程度となる。

ここで、図４に示したモジュール１においては、排ガスの排気口４０が、収納容器２の熱交換器１３と対向する側面に設けられている。排気口をモジュールの底面に設けた場合には、モジュールの底面と熱交換器とをつなぐ排ガス配管が、一度モジュールの下方に伸びるか、もしくはモジュールの下方に沿って伸びることとなる。それゆえ、排ガス配管が下方に伸びた分もしくは排ガス配管の分だけ高さ方向の低減効果が低くなる。

これに対し、図４に示したモジュール１のように、排ガスの排気口４０を、収納容器２の熱交換器１３と対向する側面に設けることで、排気口４０と熱交換器１３に設けられた排ガスの流入口４２とをつなぐ排ガス配管４１が、モジュール１の下方に位置することをなくすことができる。それにより、より高さ方向の低減効果が向上し、さらに高さ方向における小型化が可能となる。

ちなみに、熱交換器１３の流入口４２より流入した排ガスは、媒体と熱交換した後、熱交換器１３の下方に設けられた流出口４３より排気されることとなる。なお、熱交換器１３に引き続いて、もしくは熱交換器１３の流出口４３を利用して、排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮水として回収するための回収部を設けてもよい。

図５は、本実施形態の燃料電池装置のうち、モジュール４５と熱交換器１３を抜粋した他の一例を示す断面図であり、図６は、本実施形態の燃料電池装置のうち、モジュール５０と熱交換器１３を抜粋したさらに他の一例を示す断面図である。なお、以降の説明において、図４に示す構造と異なる点を中心に説明する。

図５に示すモジュール４５および図６に示すモジュール５０においては、熱交換器１３側に位置する排ガス用内壁３２と内壁２６との間に隔壁６０を配置し、この隔壁６０によって第１の排ガス流路３５Ａと隣接するように第３の排ガス流路４６が設けられている。すなわち、排ガス流路が、排ガスが上方から下方に流れる第１の排ガス流路３５と、排ガスが下方から上方に流れる第３の排ガス流路４６を備えている。それにより、排ガス流路の長さを長くすることができ、熱交換を行なうことが可能な領域を増やすことができる。

さらに、図５に示すモジュール４５および図６に示すモジュール５０においては、第３の排ガス流路４６は、第２の排ガス流路３９とつながっており、第２の排ガス流路３９を流れた排ガスは、第３の排ガス流路４６を下方から上方に向けて流れることとなる。

そして、第３の排ガス流路４６の上端側に排気口４７が設けられている。ここで、図５においては、断面視において、排気口４７と熱交換器１３の排ガスの流入口４８とが同じ高さとなるように設けられている例を示しており、図６においては、断面視において、排気口４７が熱交換器１３の排ガスの流入口４８よりも上方に設けられている例を示している。

図４に示したモジュール１においては、排気口４０が収納容器２の下方側に設けられていることから、排気口４０と熱交換器１３の上方に設けられた排ガスの流入口４２とをつなぐ排ガス配管４１の長さが長くなっていた。これに対し、排気口４７を熱交換器１３の排ガス流入口４８とおなじかまたはその上方に設けることで、排ガス配管４９、５１の長さを短くすることができる。それにより、よりシンプルな構造の燃料電池装置とすることができ、さらには、排ガス配管４１とモジュール１の間の余計なスペースがなくなるので燃料電池装置を小型化することもできる。

ここで、第３の排ガス流路４６が、排ガスが下方から上方に向けて流れて排気口４７とつながっている。図５、図６に示すモジュール４５、５０においては、第３の排ガス流路４６は、第１の排ガス流路３５Ａおよび酸素含有ガス流路３４と隣り合うように配置している例を示している。すなわち、第３の排ガス流路４６を流れる排ガスは、第１の排ガス流路３５Ａを流れる排ガスや、酸素含有ガス流路３４を流れる酸素含有ガスと熱交換することとなる。

具体的には、第３の排ガス流路４６を流れる排ガスは、第３の排ガス流路４６を流れる間に、酸素含有ガス流路３４を流れる酸素含有ガスとの熱交換によって温度が低下する。すなわち、第３の排ガス流路４６で見た場合において、下方側が高温となり、上方側が低温となる。

また、発電室２８において、燃料電池セル３の上方で発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させている場合は、発電室２８内において、下方側が低温となり、上方側が高温となる。それゆえ、第１の排ガス流路３５Ａ、Ｂを流れる排ガスも、下方側が低温となり、上方側が高温となる。

そこで、第１の排ガス流路３５Ａと第３の排ガス流路４６とを隣り合うように配置することで、第１の排ガス流路３５Ａと第３の排ガス流路４６とを流れる排ガス同士が熱交換することとなる。それにより、上下方向の温度分布が改善され、ひいては発電室２８内の上下方向の温度分布も改善されることで、発電効率を向上させることができる。

また、第３の排ガス流路４６を流れる排ガスが、酸素含有ガス流路３４を流れる酸素含有ガスと熱交換するにあたり、酸素含有ガス流入管４４より導入される低温の酸素含有ガスを効率よく温めることができる。

なお、モジュール４５および５０において、第３の排ガス流路４６を設けることで、側方側に位置するそれぞれの第１の排ガス流路３５Ａ、Ｂにおいて、第３の排ガス流路４６側の第１の排ガス流路３５Ａに多く排ガスが流れる場合がある。この場合、第１の排ガス流路３５Ａおよび第１の排ガス流路３５Ｂを流れるそれぞれの排ガスと、酸素含有ガス流路３４を流れる酸素含有ガスとの熱交換に差が生じるおそれがある。それゆえ、それぞれの第１の排ガス流路３５Ａ、Ｂを流れる排ガスの量を同程度とすべく、例えば第３の排ガス流路４６側の第１の排ガス流路３５Ａの流路幅を狭くするほか、流入する排ガスの量を調整するための調整部材を設けてもよい。

なお、上述の例においては、収納容器２が直方体状の収納容器を例示したが、熱交換器が収納容器２の側方に配置されてさえいれば、その形状は直方体状に限られるものではない。例えば、円筒状でもあってもよく、さらには立方体状や６角柱状等の角柱状であってもよい。特に角柱状の収納容器においては、熱交換器１３は、収納容器の側面のうち最も面積の大きい側面に対向して容易に配置することができる。それにより、熱交換器１３自体の大きさを大きくすることができ、熱交換効率を向上することができる。なお、熱交換器１３の性能や大きさ等に応じて、収納容器の側面と対向さえすれば、最も面積の大きい側面以外の面と対向するように配置してもよい。

図７は、本実施形態の燃料電池装置のうち、モジュール６１と熱交換器１３を抜粋したさらに他の一例を示す断面図であり、図８は、モジュール６１と熱交換器１３を示す側面図である。なお、以降の説明において、図５に示す構造と異なる点を中心に説明する。

図５などに示す構造では、熱交換器１３は、収納容器２の側面と間隔を空けて側面に対向して配置されているが、本実施形態では、図７に示すように、収納容器２の側面と熱交換器１３とが接触するように配置されている。図７に示したモジュール６１においては、排気口４７を熱交換器１３の排ガス流入口４８と同じ高さに設ける。排ガス配管４９の長さを短くして、熱交換器１３を収納容器２の側面に接触するように配置することができる。

なお、熱交換器１３の外表面は、熱交換器１３での媒体と排ガスとの熱交換効率を低下させないために、断熱材で覆うことができる。例えば、図４〜６で示した熱交換器１３においては、排ガス配管４１，４９，５１との接続部分ならびに流入口１４および流出口１５の部分を除いた外表面全体を断熱材で覆うこととなる。一方、本実施形態では、収納容器２の側面と熱交換器１３とを接触させることによって、熱交換器１３の収納容器２との接触部分をさらに除いた外表面残体を断熱材６３で覆っている。熱交換器１３の収納容器２との接触部分を断熱材６３で覆わなくてもよいので、用いる断熱材の量を低減させることができる。

また、本実施形態では、収納容器２の側面に接触した熱交換器１３の上部を覆うカバー部材６２が設けられている。カバー部材６２は、下方側および収納容器２側を除く四方向から熱交換器１３の上部を覆っており、例えばねじ止め等の固定方法によって収納容器２の側面に固定されている。

カバー部材６２と熱交換器１３の外表面との間には、一定幅の間隙があり、熱交換器１３を覆う断熱材６３は、カバー部材６２と熱交換器１３との間隙に、その一部が差し込まれ、カバー部材６２の内面と熱交換器１３上部の外表面とによって挟持される。断熱材６３は、上部が挟持されることによって、吊り下げられたような状態となり、挟持された部分以外の部分も、熱交換器１３の外表面に接触させて固定することができる。なお、断熱材６３の挟持された部分以外の部分を、別途固定部材を用いて熱交換器１３の外表面に固定してもよい。

図９は、外装ケース内に図１で示したモジュール１と、熱交換器１３と、モジュール１を動作させるための補機（図示せず）とを収納してなる本実施形態の燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図９においては一部構成を省略して示している。図９では、モジュール１を例として示しており、モジュール４５、５０、６１など上記の各モジュールについても同様である。

図９に示す燃料電池装置５２は、支柱５３と外装板５４から構成される外装ケース内を仕切板５５により上下に区画し、その上方側を、上述したモジュール１および熱交換器１３を収納するモジュール収納室５６とし、下方側を、モジュール１を動作させるための補機を収納する補機収納室５７として構成されている。なお、補機収納室５７に収納する補機を省略して示している。

また、仕切板５５には、補機収納室５７の空気をモジュール収納室５６側に流すための空気流通口５８が設けられており、モジュール収納室５６を構成する外装板５４の一部に、モジュール収納室５６内の空気を排気するための排気口５９が設けられている。

このような燃料電池装置５２においては、上述したように、モジュール収納室５６内にモジュール１および熱交換器１３を収納することで、補機収納室５７の高さ方向を小さくでき、それにより燃料電池装置５２を小型化することができる。

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の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、上述の例において、発電室２８内にセルスタック５を２つ収納する例を示したが、発電室２８内にセルスタック５を１つ収納する場合において、酸素含有ガス流路３４や第１の排ガス流路３５をセルスタック５に対して一方側にのみ設けることもできる。

また第３の排ガス流路４６を酸素含有ガス流路３４の内側に位置するように設けたが、例えば第３の排ガス流路４６を酸素含有ガス流路３４の外側に位置するように設けてもよい。

また、上述の例ではいわゆる縦縞型と呼ばれる燃料電池セル３を用いて説明したが、一般に横縞型と呼ばれる複数の発電素子部を支持体上に設けてなる横縞型の燃料電池セルを用いることもできる。

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、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。

１、４５、５０、６１：燃料電池モジュール
２：収納容器
３：燃料電池セル
１３：熱交換器
３５（３５Ａ、Ｂ）：第１の排ガス流路
３９：第２の排ガス流路
４０、４７：排気口
４２、４８：流入口
４６：第３の排ガス流路

本開示の燃料電池装置は、収納容器と、該収納容器に収納され燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池セルとを備えてなる燃料電池モジュールを備える。また、該燃料電池モジュールより排出される排ガスを用いて媒体と熱交換を行なう熱交換器を備える。該熱交換器は、前記収納容器の側方に配置され、側面視において、前記熱交換器の高さが前記収納容器の高さよりも内側に位置している。

Claims

収納容器と、該収納容器に収納され燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池セルとを備えてなる燃料電池モジュールと、
該燃料電池モジュールより排出される排ガスを用いて媒体と熱交換を行なう熱交換器と、を備え、
該熱交換器が、前記収納容器の側方に配置されている
燃料電池装置。
側面視において、前記熱交換器の高さが前記収納容器の高さよりも内側に位置している請求項１に記載の燃料電池装置。
側面視において、前記熱交換器の外形が前記収納容器の外形よりも内側に位置している請求項２に記載の燃料電池装置。
前記収納容器は、前記排ガスを排出するための排気口が、前記熱交換器と対向する側面に設けられている請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の燃料電池装置。
前記熱交換器は、前記排ガスが流入する流入口を有しており、断面視において、前記排気口が前記熱交換器の前記流入口とおなじかまたはその上方に設けられている請求項４に記載の燃料電池装置。
前記収納容器は、排ガス流路を有しており、該排ガス流路は、前記排ガスが下方から上方に向けて流れて前記排気口とつながっている流路を有している請求項５に記載の燃料電池装置。
前記排ガス流路は、前記燃料電池モジュールより排出される排ガスが上方から下方へ流れる流路と、該排ガスが下方から上方へ流れて前記排気口とつながる流路を備える請求項６に記載の燃料電池装置。
前記収納容器は、角柱状であって、前記熱交換器が、前記収納容器の側面のうち最も面積の大きい側面に対向して配置されている請求項１乃至請求項７のうちいずれかに記載の燃料電池装置。
前記収納容器は、角柱状であって、前記熱交換器が、前記収納容器の側面に、一部が接触して配置されている請求項１乃至請求項７のうちいずれかに記載の燃料電池装置。
前記熱交換器の上部を覆うカバー部材をさらに備える請求項９記載の燃料電池装置。
前記熱交換器の外表面に配置される断熱材を備えるとともに、該断熱材は、前記熱交換器と前記カバー部材との間隙に、少なくとも一部が挟持されている請求項１０記載の燃料電池装置。
外装ケース内に、前記燃料電池モジュールと、前記熱交換器とが収納されている請求項１乃至請求項１１のうちいずれかに記載の燃料電池装置。