JP4906248B2 - 燃料電池組立体 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池組立体、更に詳しくはハウジング内に発電手段が配設されており、かかる発電手段に燃料ガスと共に酸素含有ガスが供給されることによって発電が行われ、排ガスがハウジングから排出される形態の燃料電池組立体に関する。

次世代エネルギーとして、近年、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型及び固体電解質型等の種々の型の燃料電池発電システムが提案されている。特に、固体電解質型燃料電池発電システムは、作動温度が１０００°Ｃと高いが、発電効率が高い、排熱が利用できる等の利点を有しており、研究開発が推し進められている。

燃料電池発電システムの典型例においては、下記特許文献１に開示されている如く、ハウジング内に発電・燃焼室が規定され、かかる発電・燃焼室内にセルスタックを含む発電・燃焼手段が配設されている形態の燃料電池組立体を備えている。発電・燃焼室には、酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給路、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路及び発電・燃焼室から燃焼ガスを排出するための燃焼ガス排出路が付設されている。

燃料電池組立体には熱交換手段も配設されており、酸素含有ガス導入路と燃焼ガス排出路とは共に熱交換手段を通って延在せしめられており、熱交換手段を通して流動せしめられる際に酸素含有ガスと燃焼ガスとが熱交換され、これによって酸素含有ガスが予熱される。
特開２０００−１４９９７６号公報

従来の燃料電池組立体においては、発電・燃焼室とは全く別個に熱交換手段を配設しており、これに起因して組立体の嵩が相当大きくなる、発電・燃焼室を規定しているハウジングの壁面を通して大気に放熱される熱が相当大きく、従って排熱利用が充分ではない、という解決すべき問題が存在する。

本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術的課題は、比較的コンパクトに構成することができると共に、発電室から大気への直接的放熱を効果的に抑制し、排熱を高効率で利用することができる、新規且つ改良された燃料電池組立体を提供することである。

本発明によれば、ハウジングの少なくとも１面には第一の流路と第二の流路を備えた板状の熱交換器が配設されており、前記排ガスは前記熱交換器の第一の流路を通して前記ハウジング内から排出され、前記排ガスと熱交換する流体が前記熱交換器の第二の流路を流れることによって、上記主たる技術的課題が達成される。

即ち、本発明の燃料電池組立体は、直方体状のハウジングと、該ハウジング内に配設された発電手段とを備え、該発電手段に燃料ガス及び酸素含有ガスを供給して発電させ、前記ハウジングから排ガスが排出される燃料電池組立体において、前記ハウジングを構成する４側壁のうち少なくとも一つの側壁の内側に第一の流路と第二の流路とを備えた板状の熱交換器を配設するとともに、前記第一の流路の外側に前記第二の流路が形成され、前記排ガスを前記熱交換器の前記第一の流路を通して前記ハウジングから排出し、前記排ガスと熱交換する流体が前記熱交換器の前記第二の流路を流れることを特徴とする。

このような燃料電池組立体では、ハウジングの少なくとも１面を利用して板状熱交換器を配設している故に全体の嵩を必要最小限にせしめることができ、そしてまた板状熱交換器がハウジングの少なくとも１面に存在することにより、ハウジングの壁面を通して大気に熱が放散されるのを効果的に抑制することができる。また、このような燃料電池組立体では、高温の排ガスが流れる第一の流路が、排ガスと熱交換する流体が流れる第二の流路よりも内側にあるため、ハウジング内をより高温に維持できる。

また、本発明の燃料電池組立体は、発電・燃焼室を規定するハウジングと、該ハウジング内に配設された発電・燃焼手段とを備え、該発電・燃焼手段に燃料ガス及び酸素含有ガスを供給し、前記発電・燃焼室内に生成された燃焼ガスを排ガスとして前記熱交換器の第一の流路を通して前記発電・燃焼室から排出し、前記酸素含有ガスと前記燃料ガスとのいずれか一方を前記熱交換器の第二の流路を通して前記発電・燃焼手段に供給することを特徴とする。このような燃料電池組立体では、高温の燃焼ガスと、外部から熱交換器に供給された酸素含有ガス及び燃料ガスのうちいずれか一方との熱交換を、板状熱交換器により行うことができる。

さらに、本発明の燃料電池組立体は、発電手段に燃料ガス及び酸素含有ガスを供給し、余剰の燃料ガス及び／又は余剰の酸素含有ガスを排ガスとして熱交換器の第一の流路を通して前記ハウジングから回収するとともに、前記ハウジング外から新たな酸素含有ガスと燃料ガスとのいずれか一方を前記熱交換器の第二の流路を通してハウジング内に供給することを特徴とする。このような燃料電池組立体では、発電手段に供給され発電反応に用いられなかった高温の余剰の燃料ガス及び／又は余剰の酸素含有ガスと、外部から熱交換器に供給された酸素含有ガス及び燃料ガスのうちいずれか一方との熱交換を、板状熱交換器により行うことができる。

さらに、本発明の燃料電池組立体は、排ガスと熱交換する流体が水であることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、燃焼ガス、又は、発電反応に用いられなかった高温の余剰の燃料ガス及び／又は余剰の酸素含有ガスと、水との熱交換を、板状熱交換器により行うことができ、例えば、外部から供給された水を熱交換器に供給し、この熱交換器で排ガスと熱交換し、熱交換器から高温の水を引き出すことができ、燃料電池組立体の一部を給湯器として用いることができる。

また、本発明の燃料電池組立体は、熱交換器は、水が流れる第三の流路を有しており、該第三の流路が最も外側に形成されていることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、燃料電池組立体の外側に水の流れる流路が形成されているため、水との熱交換で、排ガスの熱エネルギーを最大限有効に用いることができるとともに、燃料電池組立体の外面が高温化することを防止できる。

さらに、本発明の燃料電池組立体は、ハウジングは実質上鉛直に延在する平坦な両側面を有し、前記熱交換器は平板状であり両側面の各々に配設されていることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、発電手段を介して対向する位置に熱交換器が配設されることになり、ハウジング内の温度分布を均一化できる。

また、本発明の燃料電池組立体では、前記ハウジングの対向する２つの側壁の内側と、該２つの側壁を接続する一つの側壁の内側とに前記熱交換器が配設されており、前記２つの側壁を接続する前記一つの側壁の内側に配設された前記熱交換器は、前記排ガスと水とを熱交換することを特徴とする。このような燃料電池組立体では、排ガスを有効に活用できるとともに、ハウジングの対向する２つの側壁を接続する一つの側壁の内側に排ガスと水とが熱交換する熱交換器が配設されているため小型化できる。

また、本発明の燃料電池組立体では、前記排ガスは、前記ハウジングの対向する前記２つの側壁の内側に配設された前記熱交換器の前記第一の流路を流れた後、前記２つの側壁を接続する前記一つの側壁の内部に配設された前記熱交換器の前記第一の流路を流れることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、例えば、燃焼ガス等の排ガスと、酸素含有ガス及び燃料ガスのうちいずれか一方との熱交換を充分に行い、酸素含有ガス等を高温化した後、水との熱交換に排ガスを利用でき、排ガスの熱エネルギーを充分に活用できる。

さらに、本発明の燃料電池組立体では、熱交換器における第一の流路と第二の流路とは面の厚さ方向に積層されており、該第一の流路と該第二の流路とはジグザグ状に延在せしめられている対向流路であることを特徴とする。このような構造とすることにより、熱交換率を大きくすることができる。

また、本発明の燃料電池組立体では、熱交換器が、排ガス収容空間中に水が流れる配管を蛇行させて形成されていることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、排ガスと水との熱交換を充分に行うことができる。

さらに、本発明の燃料電池組立体では、ハウジングの下端部に位置する下部ガス室、前記ハウジングの上端部に位置する上部ガス室、及び前記ハウジング内を上下方向に延在して該上部ガス室と該下部ガス室とを連通せしめる連通ガス室が配設されており、第二の流路は熱交換器の下端に配設された流入口と前記熱交換器の上端に配設され前記上部ガス室に続く流出口とを有し、前記酸素含有ガスと前記燃料ガスとのいずれか一方は前記流入口から前記第二の流路に流入せしめられ、前記第二の流路から前記上部ガス室、前記連通ガス室及び前記下部ガス室を通って発電手段に供給されることを特徴とする。

また、本発明の燃料電池組立体は、ハウジング内には改質手段が配設されており、燃料ガスは前記改質手段を通して発電手段に供給され、酸素含有ガスは第二の流路を通して前記発電手段に供給されることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、ハウジング内に改質器が収容されているため、改質器自体を充分に加熱でき、改質を充分に行うことができるとともに、酸素含有ガスの熱交換を行うことができる。

さらに、本発明の燃料電池組立体は、排ガスがハウジングの上方又は下方に排出され、該排ガスと熱交換する流体が、排ガスと反対側から熱交換器に供給されることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、排ガスの排出と、この排ガスと熱交換する流体の供給とを異なる位置で行うことができ、設計の自由度を広げることができる。

また、本発明の燃料電池組立体は、排ガスと熱交換する流体が水の場合、ハウジング外から熱交換器に供給され、ハウジング外に排出されることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、熱交換器を給湯器として利用できる。

本発明の燃料電池組立体においては、ハウジングの少なくとも１面を利用して板状熱交換器を配設している故に全体の嵩を必要最小限にせしめることができ、そしてまた板状熱交換器がハウジングの少なくとも１面に存在することにより、ハウジングの壁面を通して大気に熱が放散されるのを効果的に抑制することができる。

以下、本発明に従って構成された燃料電池組立体の好適実施形態を図示している添付図面を参照して、更に詳細に説明する。

図１及び図２を参照して説明すると、図示の燃料電池組立体は略直方体形状であるハウジング２を具備している。このハウジング２の６個の壁面には適宜の断熱材料から形成された断熱壁、即ち上断熱壁４、下断熱壁６、右側断熱壁８、左側断熱壁１０、前断熱壁（図示していない）及び後断熱壁（図示していない）が配設されている。所望ならば、各断熱壁の外面に金属板製でよい外壁を配設することもできる。ハウジング２内には発電・燃焼室１２が規定されている。

ハウシジング２内の下端部には下部ガス室１４が配設され、上端部には上部ガス室１６が配設されている。下部ガス室１４は上下方向寸法が比較的小さい直方体形状でよく、同様に上部ガス室１６も上下方向寸法が比較的小さい直方体形状でよい。ハウジング２内の左右両側部には上下方向に延在する連通ガス室１８が配設されている。かかる連通ガス室１８は横方向（図１において左右方向）寸法が比較的小さい直方体形状である。連通ガス室１８の各々の上面には前後方向に間隔をおいて３個の連通筒２０が付設されており、かかる連通筒２０を介して連通ガス室１８の各々が上部ガス室１６の下面両側部に連通されている。連通ガス室１８の各々の下端部内側は下部ガス室１４の両側面に直接的に連結されている。従って、上部ガス室１６の両側部は連通ガス室１８を介して下部ガス室１４の両側部に連通せしめられている。下部ガス室１４の上面には横方向（図１において左右方向）に間隔をおいて上方に突出する５個の中空ガス噴出板２１が配設されている。かかるガス噴出板２１の下端は下部ガス室１４内に連通せしめられており、上部にはガス噴出孔（図示していない）が形成されている。

下部ガス室１４上には、更に、横方向（図１において左右方向）に適宜の間隔をおいて４個のガス室２２ａ、２２ｂ、２２ｃ及び２２ｄが形成されている。かかるガス室２２ａ、２２ｂ、２２ｃ及び２２ｄの各々は上記ガス噴出板２１の間に配置されている。ガス室２２ａ、２２ｂ、２２ｃ及び２２ｄの各々は前後方向（図１において紙面に垂直な方向）に細長く延びる直方体形状でよい。そして、ガス室２２ａ、２２ｂ、２２ｃ及び２２ｄの各々上には、セルスタック２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及び２４ｄが配設されている。セルスタック２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及び２４ｄの各々は上下方向に延びる複数個のセルを前後方向に配列して構成されている。それ自体は周知の形態でよいセルは、燃料電極層、固体電解質層、酸素極層及びインターコネクタを含んでいる。

ハウジング２内には上記セルスタック２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及び２４ｄの各々の上方に配設された改質手段２６ａ、２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄも配設されている。かかる改質手段２６ａ、２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄの各々は前後方向に細長く延びる直方体形状の中空ダクトを含んでおり、かかる中空ダクト内には都市ガスでよい燃料ガスを水素リッチガスに改質するためのそれ自体は周知の触媒（図示していない）が収容されている。図２を参照することによって明確に理解されるとおり、改質手段２６ｂ及び２６ｄの前端部下面には燃料ガス供給管２８ｂ及び２８ｄが接続され、改質手段２６ａ及び２６ｃの後端部下面にも同様に燃料ガス供給管（図示していない）が接続されている。これらの燃料ガス供給管はハウジング２の下断熱壁６を貫通してハウジング２外へ延在せしめられており、燃料ガス供給源（図示していない）に接続されている。改質手段２６ａ及び２６ｃの前端部下面と上記ガス室２２ａ及び２２ｃの前面とは夫々連結管２９ａ及び２９ｃによって接続され、同様に改質手段２６ｂ及び２６ｄの後端部下面と上記ガス室２２ｂ及び２２ｄの後面とは夫々連結管（図示していない）によって接続されている。後に更に言及する如く、都市ガスでよい燃料ガスが燃料ガス供給管を介して改質手段２６ａ、２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄに供給され、改質手段２６ａ、２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄにおいて水素リッチガスに改質され、しかる後に連結管を介してガス室２２ａ、２２ｂ、２２ｃ及び２２ｄに送給される。ガス室２２ａ、２２ｂ、２２ｃ及び２２ｄの各々の上面壁にはセルスタック２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及び２４ｄにおけるセルの各々のガス通路（図示していない）に連通せしめられている排出孔（図示していない）が形成されており、かかる排出孔を通してセルの各々のガス通路に水素リッチな燃料ガスが供給される。

ハウジング２内には、後に更に言及する如く、作動開始時等に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焼を開始するための点火手段（図示していない）も配設されている（定常運転時には発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとは自然発火する）。上記セルスタック２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及び２４ｃは発電手段を構成し、点火手段は燃焼手段を構成し、従ってセルスタック２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及び２４ｃ並びに点火手段は発電・燃焼手段を構成する。

本発明に従って構成された燃料電池組立体においては、ハウジング２の少なくとも１面には板状熱交換器が配設されていることが重要である。図示の実施形態においては、ハウジング２の実質上鉛直に延びる両側断熱壁即ち右側断熱壁８及び左側断熱壁１０の内側に全体として平板状である熱交換器３０が配設されている。そして、かかる熱交換器３０と上記連通ガス室１８との間には断熱部材３１が配設されている。

図１と共に図３を参照して説明すると、熱交換器３０の各々は実質上鉛直に延在する中空平板形態のケース３２を含んでいる。かかるケース３２は内側壁３４、外側壁３６、底壁３８（図４及び図５）、上壁４０、前壁４２及び後壁４４を有する。ケース３２の厚さ方向（図１において左右方向）中間には仕切板４６が配設されており、ケース３２内は厚さ方向に積層された２個の流路、即ち内側に位置する第一の流路４８と外側に位置する第二の流路５０とに区画されている。図３と共に図４を参照して説明を続けると、第一の流路４８には上下方向に間隔をおいて実質上水平に延びる５個の仕切壁５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ及び５２ｅが配設されている。仕切壁５２ａ、５２ｃ及び５２ｅの後縁はケース３２の後壁４４に接続されているが、前縁はケース３２の前壁４２に対して間隔をおいて後方に位置せしめられている。一方、仕切壁５２ｂ及び５２ｄの前縁はケ−ス３２の前壁４２に接続されているが、後縁はケース３２の後壁４４に対して間隔をおいて前方に位置せしめられている。かくして、第一の流路４８は図４に矢印で示すとおりのジグザグ状に延在せしめられている。図１と共に図５を参照することによって理解される如く、第二の流路５０にも上下方向に間隔をおいて実質上水平に延びる５個の仕切壁５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ及び５４ｅが配設されている。仕切壁５４ａ、５４ｃ及び５４ｅの後縁はケース３２の後壁４４に接続されているが、前縁はケース３２の前壁４２に対して間隔をおいて後方に位置せしめられている。一方、仕切壁５４ｂ及び５４ｄの前縁はケ−ス３２の前壁４２に接続されているが、後縁はケース３２の後壁４４に対して間隔をおいて前方に位置せしめられている。かくして、第二の流路５０も図５に矢印で示すとおりのジグザグ状に延在せしめられている。

図４に明確に図示如く、ケース３２の内側壁３４の上端部には流入開口５６が形成されており、第一の流路４８は流入開口５６を介して発電・燃焼室１２と連通せしめられている。更に詳述すると、図１を参照することによって理解されるとおり、熱交換器３０と連通ガス室１８との間に配設されている上記断熱部材３１の上端は流入開口５６の下縁と実質上同高さ乃至これよりも幾分下方に位置せしめられており、流入開口５６は連通ガス室１８の上端に配設されている３個の連通筒２０間を通して発電・燃焼室１２と連通せしめられている。一方、図５に図示する如く、ケース３２の上壁４０の外側部には流出開口５８が形成され、かかる流出開口５８に対応して上記上部ガス室１６の下面壁にも開口（図示していない）が形成されており、第二の流路５０は流出開口５８を介して上部ガス室１６に連通せしめられている。

図３乃至図５を参照して説明を続けると、上記熱交換器３０の後方には上下方向に細長く延びる二重筒体６０が配設されている。かかる二重筒体６０は円筒形状の内側筒部材６２と角筒形状の外側筒部材６４とを含んでいる。内側筒部材６２内にはガス流入路６６が規定されており、内側筒部材６２と外側筒部材６４との間には燃焼ガス排出路６８が規定されている。図５に明確に図示する如く、ガス流入路６６の下端（下流端）は熱交換器３０に形成されている上記第二の流路５０に連通されている。一方、図４に明確に図示する如く、燃焼ガス排出路６８の下端（上流端）は熱交換器３０に形成されている上記第一の流路４８に連通されている。

上述したとおりの燃料電池組立体においては、都市ガスでよい燃料ガスが燃料ガス供給管（図２に２本の燃料ガス供給管２８ｂ及び２８ｄを図示している）を介して改質手段２６ａ、２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄに供給され、改質手段２６ａ、２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄにおいて水素リッチガスに改質された後に、連結管（図２に２本の連結管２９ａ及び２９ｃを図示している）を通してガス室２２ａ、２２ｂ、２２ｃ及び２２ｄに供給され、次いでセルスタック２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及び２４ｄに供給される。一方、空気でよい酸素含有ガスは二重筒体６０に形成されているガス流入路６６を通して熱交換器３０の第二の流路５０に供給され、次いで上部ガス室１６及び連通ガス室１８を通して下部ガス室１４に供給され、そしてガス噴出板２１の噴出孔からセルスタック２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及び２４ｄに向けて噴射される。セルスタック２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及び２４ｄの各々においては、酸素極において、
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質）
の電極反応が生成され、燃料極において、
Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
の電極反応が生成されて発電される。発電された電力は適宜の取出ライン（図示していない）を通して取り出される。発電に使用されることなくセルスタック２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及び２４ｄから上方に流動した燃料ガス及び酸素含有ガスは点火手段によって点火されて燃焼される。周知の如く、セルスタック２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及び２４ｄにおける発電に起因して、そしてまた燃料ガスと酸素含有ガスとの燃焼に起因して発電・燃焼室１２内は例えば１０００℃程度の高温になる。改質手段２６ａ、２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄは発電・燃焼室１２内に配設されており、従って発電・燃焼室１２内に生成される高温が燃料ガスの改質に効果的に利用される。

発電・燃焼室１２内に生成された燃焼ガスは熱交換器３０に形成されている流入開口５６から第一の流路４８に流入し、ジグザグ状に延在する第一の流路４８を流動した後に二重筒体６０の燃焼ガス排出路６８を通して排出される。燃焼ガスが二重筒体６０の燃焼ガス排出路６８を流動する際には、二重筒体６０のガス流入路６６を酸素含有ガスが流動し、燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で熱交換が行われる。そしてまた、燃焼ガスが第一の流路４８をジグザグ状に流動せしめられる際には、酸素含有ガスが第二の流路５０をジグザグ状に流動せしめられる。かくして燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で効果的に熱交換されて酸素含有ガスが余熱される。酸素含有ガスは上部ガス室１６、連通ガス室１８及び下部ガス室１４を通る際にも発電・燃焼室１２内の高温によって加熱される。

図６は、本発明の他の形態を示すもので、この形態では、燃料電池の発電反応に使用されなかった余剰の酸素含有ガスと燃料ガスを回収する形態である。図１と同様の構成のものは同一符号を用いている。

図6において、セルスタック２４ａ〜２４ｄの上部に仕切板７１が設けられており、この仕切板７１によりハウジング２の内部が上下に仕切られている。即ち、仕切板７１により燃料ガス室７３と酸素含有ガス室７５に仕切られ、燃料電池セル内を通過し、反応に用いられなかった余剰の燃料ガスは燃料ガス室７３内に、燃料電池セル間を通過し、反応に用いられなかった余剰の酸素含有ガスは酸素含有ガス室７５にそれぞれ収容されている。

余剰の燃料ガスは、断熱材３１の上方、熱交換器３０の流入開口５６を介して、左側の熱交換器３０の第一の流路４８に流入し、後述するように、第二の流路５０にハウジング外から供給された酸素含有ガスと熱交換し、排出管７９を介して外部に排出される。一方、余剰の酸素含有ガスは、酸素含有ガス室７５に開口し、右側の熱交換器３０の流入開口５６に接続される余剰酸素含有ガス排出流路７７を介して、右側の熱交換器３０の第一の流路４８に流入し、後述するように、第二の流路５０にハウジング外から供給された酸素含有ガスと熱交換し、外部に排出される。

図６の熱交換器３０は、上記形態と略同一であるが、この熱交換器３０では、図７に示すように、第一の流路４８の上部に排出管７９が連結され、余剰の燃料ガスが第一の流路４８を下方にジグザグ状に流通した後、排出管７９を介して上方に排出されるように構成されている。一方、第二の流路５０の下面に供給管８１が連結され、外部からの新鮮な酸素含有ガスが供給管８１から第二の流路５０内の下部に供給され、第二の流路５０をジグザグ状に流通した後、第二の流路５０上面に形成された流出開口５８を介して上方の上部ガス室１６に供給されるように構成されている。

第一、第二の流路４８、５０にそれぞれ連通する排出管７９、供給管８１を異なる位置に、図６では、熱交換器３０の上下に設けたので、例えば、排出管７９に排ガスを所定位置に導出する管を容易に接続でき、図１に示す場合よりも設計の自由度が大きくなる。尚、図１においても、図７に示すような排出管７９、供給管８１を有する熱交換器を用いても良いことは勿論である。

以上のように構成された燃料電池組立体では、左側の熱交換器３０において、燃料電池セルの反応に用いられなかった高温の余剰の燃料ガスが、新鮮な外部の酸素含有ガスと熱交換を行い、右側の熱交換器３０において、燃料電池セルの反応に用いられなかった高温の余剰の酸素含有ガスが、新鮮な外部の酸素含有ガスと熱交換を行い、ハウジング２外に排出される高温の排ガスを用いて、外部からの低温の酸素含有ガスを加熱できる。熱交換された余剰の燃料ガスと余剰の酸素含有ガスは外部に導出され、それぞれ回収され、再利用される。

尚、図６では、余剰の燃料ガスと余剰の酸素含有ガスの両者を用いて、外部からの新鮮な酸素含有ガスと熱交換した例について説明したが、本願発明では、余剰の酸素含有ガスのみ、または余剰の燃料ガスのみを用いて、左右の熱交換器で熱交換してもよい。この場合には、燃料電池組立体の構造を簡略化できる。

図８は、本発明のさらに他の形態を示すもので、この形態では、図１の形態において、左右の側面に燃焼ガスと酸素含有ガスの熱交換器を設けるのみならず、背面にも、燃焼ガスと水との熱交換器を設けた形態である。図１と同様の構成のものは同一符号を用いている。

図８（ａ）において、ハウジングの左右の側面には燃焼ガスと酸素含有ガスの熱交換器３０が設けられ、ハウジングの背面には燃焼ガスと水の熱交換器９０が設けられている。この熱交換器９０は、熱交換器３０と同様の構造を有しており、第一の流路には燃焼ガス、第二の流路には水が供給され、熱交換をする。そして、熱交換器９０の第一流路には、熱交換器３０の第一流路を通過した燃焼ガスが供給されるように、熱交換器９０の第一流路には、熱交換器３０の第一流路が接続されている。このような燃料電池組立体では、熱交換器３０で熱交換し、酸素含有ガスの加熱に充分寄与した残りの燃焼ガスが熱交換器９０の第一流路に流入し、残りの燃焼ガスの熱エネルギーにより水を加熱できる。

図８（ｂ）は、ハウジングの左右の側面には燃焼ガスと酸素含有ガスの熱交換器３０が設けられ、ハウジングの背面には燃焼ガスと水の熱交換器９１が設けられており、熱交換器９１は熱交換器３０と同一構造を有しており、熱交換器９１の第一の流路にも、燃焼ガスが直接流入するように構成されている。このような構造では、水を充分に加熱できる。加熱された水は、外部に導出される。言わば熱交換器９０、９１は給湯器の役割を担っている。図８において、矢印は燃焼ガスの熱交換器への流入を示す。

尚、熱交換器９０、９１は、図１に示すような構造に限定されるものではなく、例えば、薄い厚みの箱状の排ガス収容空間中に配管を蛇行させて形成し、配管内に水を供給させるようにしてもよい。この場合、構造を簡略化できる。

図９は、本発明のさらに他の形態を示すもので、この形態では、図１の形態において、熱交換器を三層構造とした形態である。この熱交換器９５は板状をなしており、厚み方向に３層の流路が積層された構造を有している。そして、内側から酸素含有ガスが流通する第一の流路９６、燃焼ガスが流通する第二の流路９７、水が流通する第三の流路９８とされている。

このような形態では、燃焼ガスが流通する第二の流路９７が、第一の流路９６と第三の流路９８の間に存在するため、燃焼ガスにより酸素含有ガスの加熱を行うことができるとともに、水の加熱を行うことができる。しかも酸素含有ガスが流通する流路９６が最も内側であるため、酸素含有ガスを充分に加熱できる。さらに、水が流通する第三の流路９８が最も外側に位置しているため、ハウジングの外面を低温化できる。

以上添付図面を参照して本発明に従って構成された燃料電池組立体の好適実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能であることは多言を要しない。例えば、図示の実施形態においては、ハウジング２の右側面と左側面とに熱交換器を配設しているが、所望ならばハウジング２の上面、下面、前面にも熱交換器を配設することができる。

また、図示の実施形態においては、酸素含有ガスを熱交換器を通して流通せしめているが、所望ならば酸素含有ガスに代えて或いはこれに加えて燃料ガスを熱交換器を通して流通せしめて余熱することもできる。

更に、図示の実施形態においては上部ガス室１６に流入せしめた酸素含有ガスを連通ガス室１８、下部ガス室１４及び中空ガス噴出板２１を介してセルスタック２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及び２４ｄに供給しているが、所望ならば連通ガス室１８、下部ガス室１４及び中空ガス噴出板２１に代えて、上部ガス室１６から下方にセルスタック２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及び２４ｄ間に垂下する複数個の酸素含有ガス供給管を配設し、上部ガス室１６から酸素含有ガス供給管に酸素含有ガスを流動せしめ、酸素含有ガス供給管の下部に配設した噴出孔から酸素含有ガスを噴出せしめてセルスタック２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及び２４ｄに供給することもできる。

また、本発明では、対向する二側面に、酸素含有ガスと燃焼ガスとの熱交換器３０を設けた例について説明したが、対向する二側面に水と燃焼ガスとの熱交換器９０を設けても良い。

本発明に従って構成された燃料電池組立体の好適実施形態を示す断面図。 図１の燃料電池組立体を、一部を省略して示す斜面図。 図１の燃料電池組立体における熱交換器及び二重筒体を、一部を切り欠いて示す斜面図。 図１の燃料電池組立体における熱交換器に形成されている第一の流路及び二重筒体に形成されている燃焼ガス排出路を示す簡略図。 図１の燃料電池組立体における熱交換器に形成されている第二の流路及び二重筒体に形成されているガス流入路を示す簡略図。 余剰の酸素含有ガス及び余剰の燃料ガスを回収するタイプの燃料電池組立体を示す断面図。 排ガスとして余剰の酸素含有ガス及び余剰の燃料ガスを用いた熱交換器を示す断面図。 燃焼ガスと酸素含有ガスとを熱交換する熱交換器、及び水と燃焼ガスとを熱交換する熱交換器を具備する燃料電池組立体の平面図。 ３層構造の熱交換器を示す断面図。

符号の説明

２：ハウジング
１２：発電・燃焼室
１４：下部ガス室
１６：上部ガス室
１８：連通ガス室
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及び２４ｄ：セルスタック
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄ：改質手段
３０、９０、９１：熱交換器
４８、９６：第一の流路
５０、９７：第二の流路
９８：第三の流路

Claims (14)

1. 直方体状のハウジングと、該ハウジング内に配設された発電手段とを備え、該発電手段に燃料ガス及び酸素含有ガスを供給して発電させ、前記ハウジングから排ガスが排出される燃料電池組立体において、前記ハウジングを構成する４側壁のうち少なくとも一つの側壁の内側に第一の流路と第二の流路とを備えた板状の熱交換器を配設するとともに、前記第一の流路の外側に前記第二の流路が形成され、前記排ガスを前記熱交換器の前記第一の流路を通して前記ハウジングから排出し、前記排ガスと熱交換する流体が前記熱交換器の前記第二の流路を流れることを特徴とする燃料電池組立体。
2. 発電・燃焼室を規定する前記ハウジングと、該ハウジング内に配設された発電・燃焼手段とを備え、該発電・燃焼手段に前記燃料ガス及び前記酸素含有ガスを供給し、前記発電・燃焼室内に生成された燃焼ガスを前記排ガスとして前記熱交換器の前記第一の流路を通して前記発電・燃焼室から排出し、前記酸素含有ガスと前記燃料ガスとのいずれか一方を前記熱交換器の前記第二の流路を通して前記発電・燃焼手段に供給することを特徴とする請求項1記載の燃料電池組立体。
3. 前記発電手段に前記燃料ガス及び前記酸素含有ガスを供給し、余剰の前記燃料ガス及び／又は余剰の前記酸素含有ガスを前記排ガスとして前記熱交換器の前記第一の流路を通して前記ハウジングから回収するとともに、前記ハウジング外から新たな酸素含有ガスと燃料ガスとのいずれか一方を前記熱交換器の前記第二の流路を通して前記ハウジング内に供給することを特徴とする請求項１記載の燃料電池組立体。
4. 前記排ガスと熱交換する前記流体が水であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池
   組立体。
5. 前記熱交換器は、水が流れる第三の流路を有しており、該第三の流路が最も外側に形成されていることを特徴とする請求項1乃至３のうちいずれかに記載の燃料電池組立体。
6. 前記ハウジングは実質上鉛直に延在する平坦な両側面を有し、前記熱交換器は平板状であり両側面の各々に配設されていることを特徴とする請求項１乃至５うちいずれかに記載の燃料電池組立体。
7. 前記ハウジングの対向する２つの側壁の内側と、該２つの側壁を接続する一つの側壁の
   内側とに前記熱交換器が配設されており、前記２つの側壁を接続する前記一つの側壁の内側に配設された前記熱交換器は、前記排ガスと水とを熱交換することを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれかに記載の燃料電池組立体。
8. 前記排ガスは、前記ハウジングの対向する前記２つの側壁の内側に配設された前記熱交換器の前記第一の流路を流れた後、前記２つの側壁を接続する前記一つの側壁の内側に配設された前記熱交換器の前記第一の流路を流れることを特徴とする請求項７記載の燃料電池組立体。
9. 前記熱交換器における前記第一の流路と前記第二の流路とは側壁の厚さ方向に積層されており、該第一の流路と該第二の流路とはジグザグ状に延在せしめられている対向流路であることを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれかに記載の燃料電池組立体。
10. 前記熱交換器が、排ガス収容空間中に水が流れる配管を蛇行させて形成されていることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池組立体。
11. 前記ハウジングの下端部に位置する下部ガス室、前記ハウジングの上端部に位置する上部ガス室、及び前記ハウジング内を上下方向に延在して該上部ガス室と該下部ガス室とを連通せしめる連通ガス室が配設されており、前記第二の流路は熱交換器の下端に配設された流入口と前記熱交換器の上端に配設され前記上部ガス室に続く流出口とを有し、前記酸素含有ガスと前記燃料ガスとのいずれか一方は前記流入口から前記第二の流路に流入せしめられ、前記第二の流路から前記上部ガス室、前記連通ガス室及び前記下部ガス室を通って発電手段に供給されることを特徴とする請求項１乃至１０のうちいずれかに記載の燃料電池組立体。
12. 前記ハウジング内には改質手段が配設されており、前記燃料ガスは前記改質手段を通して前記発電手段に供給され、前記酸素含有ガスは前記第二の流路を通して前記発電手段に供給されることを特徴とする請求項１乃至１１のうちいずれかに記載の燃料電池組立体。
13. 前記排ガスが前記ハウジングの上方又は下方に排出され、該排ガスと熱交換する前記流体が、前記排ガスと反対側から前記熱交換器に供給されることを特徴とする請求項１乃至１２のうちいずれかに記載の燃料電池組立体。
14. 前記排ガスと熱交換する前記流体が水の場合、前記ハウジング外から前記熱交換器に供給され、前記ハウジング外に排出されることを特徴とする請求項1乃至１３のうちいずれ
    かに記載の燃料電池組立体。

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