JP5517674B2 - 燃料電池モジュールおよび燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、収納容器内に複数個の燃料電池セルを収納してなる燃料電池モジュールおよびそれを具備する燃料電池装置に関する。

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を複数個配列してなるセルスタック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。）。

このような燃料電池モジュールにおいては、例えば直方体状の収納容器内おける発電室内に、複数の燃料電池セルを一列に配列してなるセルスタックを２つ並置し、セルスタック間に燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための板状の酸素含有ガス導入部材が配置されており、燃料電池セルの下端部側に酸素含有ガスが供給される。

特開２００７−５９３７７号公報

このような燃料電池モジュールにおいては、運転に伴い反応熱やジュール熱等の熱が生じる。これらの熱は、酸素含有ガス導入部材に伝熱され、酸素含有ガス導入部材の内部を流通する酸素含有ガスの温度を上昇させることができる。

しかしながら、上述の燃料電池モジュールにおいて、酸素含有ガス導入部材と収納容器の内壁とが溶接等により直接接続されている場合には、酸素含有ガス導入部材に伝熱された発電室内の熱が、温度の低い収納容器（内壁）に容易に伝熱されてしまうおそれがあり、それに伴って酸素含有ガス導入部材の温度が低下し、その影響でセルスタックの温度も低下し、発電効率が低下するおそれがあった。

それゆえ、本発明は、セルスタックの発電効率の低下を抑制することができる燃料電池モジュール並びに燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池モジュールは、内部にガス流路を有する柱状の燃料電池セルを複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの下端を固定するとともに前記燃料電池セルに第１の反応ガスを供給するためのマニホールドとを有し、前記ガス流路より排出される前記第１の反応ガスを前記燃料電池セルの上端部側で燃焼させるように構成してなる燃料電池セルスタック装置を収納容器に収納してなる燃料電池モジュールであって、前記収納容器は、内壁と外壁とを有する二重構造で前記内壁と前記外壁との間を第２の反応ガスが流通する反応ガス流路としており、前記収納容器
の上部には、前記セルスタックの側面側にまで延びるとともに、上端部に前記第２の反応ガスが流入するための第２の反応ガス流入口とフランジ部とを備え、下端部に前記燃料電池セルに前記第２の反応ガスを供給するための第２の反応ガス流出口を備えてなる反応ガス導入部材が前記内壁を貫通して挿通されており、前記反応ガス導入部材の前記フランジ部が前記内壁に、耐熱性を有しかつ前記内壁よりも熱伝導率の低い熱伝導抑制部材を介して固定されていることを特徴とする。

このような燃料電池モジュールにおいては、反応ガス導入部材のフランジ部が、耐熱性を有しかつ内壁よりも熱伝導率の低い熱伝導抑制部材を介して収納容器の内壁に固定されていることから、反応ガス導入部材に伝熱された熱が、温度の低い収納容器（内壁）に伝熱されることを抑制できる。それにより、反応ガス導入部材の温度が低下することを抑制できることで、セルスタックの温度が低下することを抑制でき、発電効率が低下することを抑制できる。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記熱伝導抑制部材が断熱材であることが好ましい。

このような燃料電池モジュールにおいては、熱伝導抑制部材が断熱材であることから、反応ガス導入部材に伝熱された熱が、温度の低い収納容器（内壁）に伝熱されることを効率よく抑制することができ、セルスタックの発電効率が低下することを抑制できる。

本発明の燃料電池装置は、上述のうちいずれかの燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを動作させるための補機とを外装ケース内に収納してなることから、発電効率が低下することを抑制できる燃料電池装置とすることができる。

本発明の燃料電池モジュールは、収納容器が、内壁と外壁とを有する二重構造で内壁と外壁との間を第２の反応ガスが流通する反応ガス流路としており、収納容器の上部に、セルスタックの側面側にまで延びるとともに、上端部に第２の反応ガスが流入するための第２の反応ガス流入口とフランジ部とを備え、下端部に燃料電池セルに第２の反応ガスを供給するための第２の反応ガス流出口を備えてなる反応ガス導入部材が内壁を貫通して挿通されており、反応ガス導入部材のフランジ部が内壁に、耐熱性を有しかつ内壁よりも熱伝導率の低い熱伝導抑制部材を介して固定されていることから、反応ガス導入部材に伝熱された熱が、温度の低い収納容器（内壁）に伝熱されることを効率よく抑制することができることで、反応ガス導入部材の温度が低下することを抑制でき、それによりセルスタックの発電効率が低下することを抑制できる。

本発明の燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。 図１に示す燃料電池モジュールを概略的に示す断面図である。 図２に示す反応ガス導入部材の一例を示す外観斜視図である。 本発明の燃料電池装置の一例を概略的に示す斜視図である。

図１は、本発明の燃料電池モジュール１（以下、モジュールという場合がある。）の一例を示す外観斜視図である。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に示すモジュール１においては、収納容器２の内部に、内部を第１の反応ガスが流通するガス流路（図示せず）を有する柱状の燃料電池セル３を立設させた状態で配列し、隣接する燃料電池セル３間に集電部材（図１においては図示せず）を介して電気的に直列に接続するとともに、燃料電池セル３の下端を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に固定してなるセルスタック５（セルスタック装置１２）を収納して構成されている。なお、セルスタック５の両端部には、セルスタック４（燃料電池セル３）の発電により生じた電流を集電して外部に引き出すための、電流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）。上述の各部材を備えることで、セルスタック装置１２が構成される。

なお、図１においては、燃料電池セル３として、内部を第１の反応ガス（水素含有ガス）が長手方向に流通するガス流路を有する中空平板型で、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燃料電池セル３を例示している。以降の説明の説明において、特に断りのない限り第１の反応ガスを燃料ガス（水素含有ガス）とし、後述する第２の反応ガスを酸素含有ガスとして説明する。

さらに図１においては、燃料電池セル３の発電で使用する燃料ガス（第１の反応ガス）を得るために、原燃料供給管１０を介して供給される天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器６をセルスタック５（燃料電池セル３）の上方に配置している。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好ましく、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ガス流路に供給される。なお、セルスタック装置１２の構成は、燃料電池セル３の種類や形状により、適宜変更することができ、例えばセルスタック装置１２に改質器６を含むこともできる。

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可能である。

なお、収納容器２の内部には、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、第２の反応ガス（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、反応ガス導入部材１１が配置されている。なお、反応ガス導入部材１１については後述する。

ここで、燃料電池セル３のガス流路より排出される余剰な燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル３の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル３の温度を上昇させることができ、セルスタック装置１２の起動を早めることができる。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。

図２は図１で示すモジュール１の断面図であり、図３は図１に示す反応ガス導入部材１１を抜粋して示す外観斜視図である。

モジュール１を構成する収納容器２は、内壁１３と外壁１４とを有する二重構造で、外壁１４により収納容器２の外枠が形成されるとともに、内壁１３によりセルスタック５（セルスタック装置１２）を収納する発電室１５が形成されている。さらにモジュール１（収納容器２）においては、内壁１３と外壁１４との間を、燃料電池セル３に導入する酸素含有ガス（第２の反応ガス）が流通する反応ガス流路２１としている。

ここで、収納容器２内には、収納容器２の上部より、上端側に第２の反応ガスが流入するための第２の反応ガス流入口２５とフランジ部２６とを備え、下端部に燃料電池セル３の下端部に第２の反応ガスを導入するための反応ガス流出口１６が設けられてなる反応ガス導入部材１１が、内壁１３を貫通して挿入されて固定されている。

図２においては、反応ガス導入部材１１が、収納容器２の内部に横並びに並置された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、例えば反応ガス導入部材１１をセルスタック５の両側面側から挟み込むように配置してもよい。具体的には、セルスタック５（セルスタック装置１２）を１つだけ収納する場合には、反応ガス導入部材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。

また発電室１５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材１７が適宜設けられている。

断熱材１７は、セルスタック５の近傍に配置することが好ましく、特には、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断熱材１７を配置することが好ましい。なお、好ましくは、断熱材１７はセルスタック５の両側面側に配置することが好ましい。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、反応ガス導入部材１１より導入される第２の反応ガス（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材１７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１８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１３の内側には、排ガス用内壁１９が設けられており、内壁１３と排ガス用内壁１９との間が、発電室１５内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流路２２とされている。なお、排ガス流路は、収納容器２の底部に設けられた排気孔２０と通じている。

それにより、モジュール１の稼動（起動処理時、発電時、停止処理時）に伴って生じる排ガスは、排ガス流路を流れた後、排気孔２０より排気される構成となっている。なお、排気孔２０は収納容器２の底部の一部を切り欠くようにして形成してもよく、また管状の部材を設けることにより形成してもよい。

なお、反応ガス導入部材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２４が、その測温部２３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。

ここで、モジュール１においては、モジュール１の運転に伴い反応熱やジュール熱等の熱が生じ、これらの熱が反応ガス導入部材１１に伝熱されることで、反応ガス導入部材１１の内部を流通する酸素含有ガス（第２の反応ガス）の温度を上昇することができ、温度の上昇した酸素含有ガスが燃料電池セル３に供給されることで効率の良い発電を行なうことができる。

しかしながら、反応ガス導入部材１１と収納容器２の内壁１３とが溶接等により直接接続されている場合には、反応ガス導入部材１１に伝熱された発電室１５内の熱が、温度の低い内壁１３に容易に伝熱され、反応ガス導入部材１１の温度が低下する場合がある。反応ガス導入部材１１はセルスタック５の側方に配置されていることから、反応ガス導入部材１１の温度が低下することに伴って、セルスタック５の温度が低下し、セルスタック５の発電効率が低下するおそれがある。

それゆえ、本発明のモジュール１においては、反応ガス導入部材１１を、上端側に第２の反応ガスが流入するための第２の反応ガス流入口２５とフランジ部２６とを備えるとともに、該フランジ部２６に接続されて発電室１５内に垂下するように設けられた内部を酸素含有ガス（第２の反応ガス）が流れる反応ガス流通部２８を備える形状とし、フランジ部２６と内壁１３との間に、耐熱性を有しかつ熱伝導率の低い熱伝導抑制部材２７を配置している。

それにより、反応ガス導入部材１１に伝熱された発電室１５内の熱が、温度の低い内壁１３に伝熱されることが抑制でき、反応ガス導入部材１１の温度が低下することを抑制できる。それにより、セルスタック５の温度が低下することを抑制でき、発電効率が低下することを抑制できる。

このような熱伝導抑制部材２７としては、耐熱性を有しかつ熱伝導率の低い部材より形成することができ、例えばその材質としては、一般に公知の断熱材、セラミックス、マイカ、ガラス等を適宜選択することができる。特には耐熱性やコストさらには扱い易さ等の理由から、熱伝導抑制部材２７として断熱材を用いることが好ましい。また熱伝導抑制部材２７の大きさは、フランジ部２６と同等の幅とすることが好ましい（この場合において、反応ガス流通部２８を挿入できるよう反応ガス流通部２８の大きさにあわせた孔部を備えていることが好ましい。）。

また、反応ガス導入部材１１がフランジ部２６を備えることから、モジュール１の組立時において、外壁１４の上壁を取り外し、熱伝導抑制部材２７を嵌め合わせた反応ガス導入部材１１を収納容器２内に挿入して、フランジ部２６と内壁１３とを熱伝導抑制部材２７を介して螺着等にて固定することにより、反応ガス導入部材１１を内壁１３に容易に固定することができる。

図４は、本発明の燃料電池装置２９の一例を示す分解斜視図である。なお、図４においては一部構成を省略して示している。

図４に示す燃料電池装置２９は、支柱３０と外装板３１から構成される外装ケース内を仕切板３２により上下に区画し、その上方側を上述した燃料電池モジュール１を収納するモジュール収納室３３とし、下方側を燃料電池モジュール１を動作させるための補機類を収納する補機収納室３４として構成されている。なお、補機収納室３４に収納する補機類を省略して示している。

また、仕切板３２は、補機収納室３４の空気をモジュール収納室３３側に流すための空気流通口３５が設けられており、モジュール収納室３３を構成する外装板３１の一部に、モジュール収納室３３内の空気を排気するための排気口３６が設けられている。

このような燃料電池装置２９においては、上述したように、発電効率の低下を抑制できるモジュール１をモジュール収納室３３内に収納して構成されることにより、発電効率の低下を抑制できる燃料電池装置２９とすることができる。

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の例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、燃料電池セル３を、内部を第２の反応ガスである酸素含有ガスが長手方向に流通するガス流路を有する中空平板型とすることもできる。すなわち、燃料電池セル３を、
支持体の表面に、酸素極層、固体電解質層および燃料極層を順に積層してなる固体酸化物形燃料電池セルとすることもできる。この場合においては、内壁１３と外壁１４とで形成される反応ガス流路を第１の反応ガスである燃料ガスが流通する流路とし、反応ガス導入部材１１より各燃料電池セル３に燃料ガスを供給し、マニホールド４（燃料電池セル３）に酸素含有ガスを供給する構成となる。

この場合においても、上述と同様に、反応ガス導入部材１１に伝熱された発電室１５内の熱が、内壁１３に伝熱することを抑制できることから、セルスタック５の発電効率が低下することを抑制できる。

１：燃料電池モジュール
２：収納容器
３：燃料電池セル
５：セルスタック
１１：反応ガス導入部材
１３：内壁
１４：外壁
１５：発電室
２６：フランジ部
２７：熱伝導抑制部材

Claims (3)

1. 内部にガス流路を有する柱状の燃料電池セルを複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの下端を固定するとともに前記燃料電池セルに第１の反応ガスを供給するためのマニホールドとを有し、前記ガス流路より排出される前記第１の反応ガスを前記燃料電池セルの上端部側で燃焼させるように構成してなる燃料電池セルスタック装置を収納容器に収納してなる燃料電池モジュールであって、
   前記収納容器は、内壁と外壁とを有する二重構造で前記内壁と前記外壁との間を第２の反応ガスが流通する反応ガス流路としており、
   前記収納容器の上部には、前記セルスタックの側面側にまで延びるとともに、上端部に前記第２の反応ガスが流入するための第２の反応ガス流入口とフランジ部とを備え、下端部に前記燃料電池セルに前記第２の反応ガスを供給するための第２の反応ガス流出口を備えてなる反応ガス導入部材が前記内壁を貫通して挿通されており、前記反応ガス導入部材の前記フランジ部が前記内壁に、耐熱性を有しかつ前記内壁よりも熱伝導率の低い熱伝導抑制部材を介して固定されていることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記熱伝導抑制部材が断熱材であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを動作させるための補機とを外装ケース内に収納してなることを特徴とする燃料電池装置。

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