JP6139209B2

JP6139209B2 - 燃料電池モジュール

Info

Publication number: JP6139209B2
Application number: JP2013066559A
Authority: JP
Inventors: 光博中村; 孝小野; 高橋　成門; 成門高橋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2033-03-27
Also published as: JP2014191995A

Description

本発明は、燃料電池モジュールに関し、特に、セルスタックを複数並列配置してなる燃料電池モジュールに関する。

近年、次世代エネルギーとして、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が開発されている。さらに、複数の燃料電池セルを１列に配列し電気的に直列に接続してなるセルスタックを、ガスタンクに複数列となるように並列に設けたセルスタック装置を作製し、該セルスタック装置を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールが種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１では、セルスタック間に酸素含有ガス供給板が配置され、両側のセルスタックを構成する燃料電池セルに酸素含有ガスを供給している。また、２列のセルスタックを挟むように断熱部材が配置され、セルスタックからの放熱が抑制されていた。

特開２０１０−２３１９１９号公報

近年、家庭用以外にも燃料電池の用途が検討されており、例えば、病院、ホテル、店舗等の業務用の燃料電池では、数ｋＷ以上の発電量が要求されている。

このように燃料電池の発電量が多くなると、複数の燃料電池セルを電気的に接続してなるセルスタックを複数、収納容器内に収納するため、収納容器内におけるセルスタックの配置位置により温度差が生じ、それぞれのセルスタックにおける発電性能が異なるという問題があった。

そして、特許文献１のように、複数、例えば３つ以上のセルスタックを挟むように断熱部材を配置した場合であっても、セルスタックの配置位置により温度差が生じ、それぞれのセルスタックにおける発電性能が異なるという問題があった。

本発明は、複数のセルスタックにおける温度差を低減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。

本発明の燃料電池モジュールは、複数の燃料電池セルを１列に立設してなる複数のセルスタックが、前記燃料電池セルのセル配列方向が平行になるように並列配置されてなるとともに、前記セルスタックの配列方向の両側および前記セルスタック間に、前記セル配列方向と平行になるようにかつ前記燃料電池セルの立設方向に沿って断熱部材をそれぞれ配置し、複数の前記断熱部材の上端部に掛け渡すように蓋部材を配置し、該蓋部材に、前記燃料電池セルからの排ガスを導出するための排ガス導出口を設けてなり、前記蓋部材の上
方に、前記燃料電池セルに供給される燃料ガスを生成する改質器が配置されており、前記蓋部材は断熱部材であり、前記排ガス導出口は、前記蓋部材のうち前記改質器の垂直下方に設けられていることを特徴とする。

本発明の燃料電池モジュールは、セルスタックの配列方向の両側およびセルスタック間
に断熱部材をそれぞれ配置し、複数の断熱部材の上端部に掛け渡すように蓋部材を配置したので、断熱部材および蓋部材により複数のセルスタックからなるグループが複数区分けされていることになり、区分けされたグループ間における温度干渉が低減し、複数のセルスタックにおける温度差を低減できる。

燃料電池モジュールを示すもので、（ａ）はセルスタックの上方から見た概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。２列のセルスタックをガスタンクに設けたセルスタック装置を３個有する燃料電池モジュールを示す概略断面図である。３列のセルスタックをガスタンクに設けたセルスタック装置を２個有する燃料電池モジュールを示すもので、（ａ）はセルスタック間に酸素含有ガス供給板を配置した状態を示す概略断面図、（ｂ）は、セルスタックの配列方向の両側に酸素含有ガス供給板を配置した状態を示す概略断面図である。２列のセルスタックを断熱部材および蓋部材で取り囲んだ燃料電池モジュールを示すもので、（ａ）は概略断面図、（ｂ）はセルスタックの上方から見た概略平面図である。

図１は、燃料電池モジュールの一部を示すもので、燃料電池モジュールは、図１（ｂ）に示すように、収納容器２内に、２列のセルスタック５を有するセルスタック装置８を２個有するもので、図１（ａ）では、収納容器を省略している。

セルスタック５は、内部をガスが流通するガス流路を有する柱状の燃料電池セル３を立設させた状態で１列に配列し、隣接する燃料電池セル３間を集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続して構成されている。セルスタック装置８は、燃料電池セル３のセル配列方向ｘが平行になるように並列配置された２列のセルスタック５の下端部が、燃料電池セル３に燃料ガスを供給するためのガスタンク４に固定されて構成されている。

セルスタック５の燃料電池セル３のセル配列方向ｘにおける両端側には、セルスタック５を挟み込むように、燃料電池セル３の発電により生じる電流を引き出すための電流引き出し部を有する端部集電部材９が配置されている。

なお、セルスタック５を構成する燃料電池セル３および端部集電部材９の下端部側は、ガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）により、ガスタンク４に固定されている。

さらに図１においては、燃料電池セル３として、内部を水素含有ガス（燃料ガス）が長手方向に流通するガス流路を有する中空平板型で、支持体の表面に、燃料側電極層、固体電解質層および酸素側電極層を順に設けてなる固体酸化物形の燃料電池セル３を例示している。燃料電池セル３は、図１（ｂ）の長さ方向（立設方向）の略全体に燃料側電極層、固体電解質層および酸素側電極層が重畳した発電素子部が形成されている。

なお、燃料電池セル３としては、上記以外に、例えば円筒状、平板状の燃料電池セルを用いることもできる。この場合において、端部集電部材９の形状は適宜変更することができる。

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を得るために、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１０がセルスタック５（燃料電池セル３）の上方に配置されている。改質器１０で生成される燃料ガスは、ガス流通管によりガスタンク４に供給され、ガスタンク４を介して燃料電池セル３の内部に設
けられたガス流路に供給される。

図１においては、１個のガスタンク４上にセルスタック５を２個並置しているセルスタック装置８を２個有する燃料電池モジュールを示している。なお、各セルスタック５は、燃料電池セル３のセル配列方向ｘが互いに平行になるように並列配置され、セルスタック５の同じ側における電流引き出し部１２同士を導電性の連結部材１１で連結することで、２つのセルスタック５を直列に連結した構成となっている。なお、セルスタック５を３つ以上並列配置する場合も同様に、セルスタック５の同じ側における電流引き出し部１２同士を連結部材１１にて接続する構成とすることができる。なお、セルスタック５を並列接続しても良く、直列と並列を混在させても良い。

また、セルスタック装置８同士は、図１（ａ）に示したように、それぞれの隣接する電流引き出し部１２同士を連結部材１１にて接続することで、４つのセルスタック５が直列に接続されている。

なお、各燃料電池セル３間および燃料電池セル３の配列方向における端部と端部集電部材９との間には、集電部材が配置され、それにより各燃料電池セル３が電気的に直列に接続されている。燃料電池セル３の発電により得られる電流（電圧）は燃料電池セル３のセル配列方向ｘの端部に配置された集電部材を介して端部集電部材により接続される。

そして、本形態の燃料電池モジュールは、図１に示したように、セルスタック５の配列方向の両側およびセルスタック５間に、セル配列方向ｘと平行になるようにかつ燃料電池セル３の立設方向に沿って断熱部材１３が配置されており、３個の断熱部材１３の上端部に掛け渡すように蓋部材１４が配置されている。セルスタック５間に配置された断熱部材１３は、２個のセルスタック装置８間に配置されているとも言い換えることができる。

断熱部材１３は、ガスタンク４の上面に配置されている。断熱部材１３は板状であり、一般的に使用される断熱材料を用いることができ、例えば、アルミナ系、シリカ系、アルミナシリカ系材料から構成されている。

蓋部材１４には、燃料電池セル３からの排ガスを導出するための排ガス導出口１４ａが設けられている。蓋部材１４は、耐熱性金属から構成することができ、この場合には、排ガス導出口１４ａ等の開口部を形成し易く、開口部が劣化しにくいという効果がある。蓋部材１４は、断熱部材により形成することができる。この場合には、蓋部材１４からの放熱を抑制することができる。

蓋部材１４は一枚の板状であり、これにより、複数の断熱部材１３を配置した後、一枚の蓋部材１４を３個の断熱部材１３の上端に配置することにより、複数の断熱部材１３の上端に一挙に蓋部材１４を配置することができる。この際、断熱部材１３の上端がはめ込まれる凹部や開口部を蓋部材１４に形成し、蓋部材１４を断熱部材１３の上端に配置する際に、断熱部材１３の上端を蓋部材１４の凹部や開口部にはめ込むことにより、強固な構造体を形成できる。なお、蓋部材１４は一枚の板状ではなく、複数に分割されたものであっても良い。

排ガス導出口１４ａの上方には改質器１０が設けられており、燃料電池セル３の発電に用いられなかった余剰の燃料ガスが燃焼し、その燃焼ガスにより改質器１０が加熱される。余剰の燃料ガスの燃焼は、断熱部材１３と蓋部材１４とで形成される空間内で行ってよいが、蓋部材１４の排ガス導出口１４ａから導出された後に行ってもよい。

セルスタック装置８のセルスタック５間に、セル配列方向ｘと平行になるようにかつ燃
料電池セル３の立設方向に沿って配置された酸素含有ガス供給板１７を有し、この酸素含有ガス供給板１７が蓋部材１４に形成された開口部を挿通している。

すなわち、酸素含有ガス供給板１７は、セルスタック装置８に設けられた２個のセルスタック５間に配置されており、改質器１０間を上方に延びて、収納容器２の内壁と外壁により構成された酸素含有ガス流路１９に連通している。

これらの酸素含有ガス供給板１７は、セル列と平行になるように配置されている。また、酸素含有ガス供給板１７は、燃料電池セル３の長さ方向のほぼ全域に沿って配置されている。すなわち、酸素含有ガス供給板１７は、高さが、燃料電池セル３よりも高く、長さがスタック５よりも長い矩形板形状とされている。なお、酸素含有ガス供給板１７は、これに限定されるものではなく、例えば、円筒管であっても良い。

酸素含有ガス供給板１７は、内部に酸素含有ガスが流れる流路（図示せず）を有しており、酸素含有ガス供給板１７の下端は、ガスタンク４の上面よりも少し上方に位置している。

酸素含有ガス供給板１７の下部の両側面には、セルスタック５の下部に対応するように複数の酸素含有ガス供給孔を有しており、図１（ｂ）の矢印で示す方向に酸素含有ガスが供給されるように構成されている。

そして、酸素含有ガス供給板１７を蓋部材１４に形成された開口部に差し込むことにより、セルスタック５間に酸素含有ガス供給板１７を位置決めできるため、作業工程を簡略化できる。また、蓋部材１４に形成された開口部に、酸素含有ガス供給板１７を差し込み、これを、酸素含有ガス供給板１７がセルスタック５間に位置するように配置して組み立てることもできるため、作業工程を簡略化できる。

以上のように構成された燃料電池モジュールでは、セルスタック５の配列方向ｙの両側およびセルスタック５間に断熱部材１３を配置し、３個の断熱部材１３の上端部に掛け渡すように蓋部材１４を配置したので、断熱部材１３および蓋部材１４により２つのセルスタック５からなるグループが２つ区分けされていることになり、区分けされた２つのグループ間における温度干渉が低減し、複数のセルスタック５における温度差を低減できる。

２つのグループを区分する中央の断熱部材１３は、グループ間の温度干渉を低減できる程度の断熱効果を有すればよいため、中央の断熱部材１３は両側の断熱部材１３よりも断熱性が低い材料を用いたり、厚みが薄い断熱部材を用いることができる。逆に、両側の断熱部材１３を、中央の断熱部材１３よりも断熱性が高い材料を用いたり、厚みが厚い断熱部材を用いることにより、セルスタックの配列方向両側に熱源がない場合でも、セルスタックの配列方向両側に位置するセルスタック５の温度低下をさらに抑制できる。

なお、上記形態では、ガスタンク４に２個のセルスタック５を設けたセルスタック装置８を２個有する燃料電池モジュールについて説明したが、１個のガスタンクに４個のセルスタックを設けたセルスタック装置を用いてもよく、また、１個のガスタンクに１個のセルスタックを設けたセルスタック装置を４個用いても良い。

また、セルスタック５の上方にそれぞれ改質器１０を設けた形態について説明したが、１個のセルスタック装置に１個の改質器を設けてもよく、また、燃料電池モジュールに１個の改質器を設けても良い。

図２は、ガスタンク４に２個のセルスタック５を設けたセルスタック装置８を３個有す
る燃料電池モジュールを示すもので、この燃料電池モジュールでも上記形態と同様の効果を得ることができる。

この形態では、断熱部材１３により区分された３つのグループの中で、中央に位置するグループのセルスタック５は、両側のグループのセルスタック５よりも熱がこもりやすいため、中央に位置するグループのセルスタック５は温度が高くなり易い。このため、それぞれのグループに位置する酸素含有ガス供給板１７により供給される比較的低温の酸素含有ガスの供給量を制御できるように構成し、中央に位置するグループの酸素含有ガス供給板１７により供給される酸素含有ガスの供給量を、両側に位置するグループの酸素含有ガス供給板１７により供給される酸素含有ガスの供給量より多くすることにより、中央に位置するグループのセルスタック５の温度を低下させることができ、セルスタック５における温度差をさらに低減できる。

また、この形態でも、３つのグループを区分する断熱部材１３は、グループ間の温度干渉を低減できる程度の断熱効果を有すればよいため、両側の断熱部材１３よりも断熱性が低い材料を用いたり、厚みが薄い断熱部材を用いることができる。逆に、両側の断熱部材１３を、中央側の断熱部材１３よりも断熱性が高い材料を用いたり、厚みが厚い断熱部材を用いることにより、セルスタックの配列方向両側に熱源がない場合でも、セルスタックの配列方向両側に位置するセルスタック５の温度低下をさらに抑制できる。

図３は、ガスタンク４に３個のセルスタック５を設けたセルスタック装置８を２個有する燃料電池モジュールを示すもので、この形態でも上記形態と同様の効果を得ることができる。

なお、図３（ａ）の形態では、セルスタック５間に酸素含有ガス供給板１７を配置したが、図３（ｂ）に示すように、セルスタック５間に酸素含有ガス供給板１７を配置することなく、セルスタック装置８における３個のセルスタックの両側に酸素含有ガス供給板１７を配置してもよく、酸素含有ガス供給板１７の配置については特に限定されるものではない。

図４は、断熱部材１３を燃料電池セル３の配列方向ｘに沿って配置した図１〜３とは異なり、さらに、セルスタック５の配列方向ｙに沿って配置した形態を示している。この形態では、燃料電池セル３の配列方向ｘに沿って配置された断熱部材１３ａと、セルスタック５の配列方向ｙに沿って配置された断熱部材１３ｂと、これらの断熱部材１３ａと断熱部材１３ｂとを掛け渡すように配置された蓋部材１４とを有しており、断熱部材１３ａ、断熱部材１３ｂおよび蓋部材１４により、２個のセルスタック５が取り囲まれている。

このような燃料電池モジュールでは、２個のセルスタック５が断熱部材１３ａ、１３ｂ、蓋部材１４で取り囲まれているので、それぞれのグループにおけるセルスタック５の温度干渉をさらに低減でき、しかも、それぞれのグループにおけるセルスタック５の温度制御を行うことも可能となる。

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。

２：収納容器
３：燃料電池セル
４：ガスタンク
５：セルスタック
８：セルスタック装置
１０：改質器
１３、１３ａ、１３ｂ：断熱部材
１４：蓋部材
１４ａ：排ガス導出口
１７：酸素含有ガス供給板

Claims

複数の燃料電池セルを１列に立設してなる複数のセルスタックが、前記燃料電池セルのセル配列方向が平行になるように並列配置されてなるとともに、前記セルスタックの配列方向の両側および前記セルスタック間に、前記セル配列方向と平行になるようにかつ前記燃料電池セルの立設方向に沿って断熱部材をそれぞれ配置し、複数の前記断熱部材の上端部に掛け渡すように蓋部材を配置し、該蓋部材に、前記燃料電池セルからの排ガスを導出するための排ガス導出口を設けてなり、
前記蓋部材の上方に、前記燃料電池セルに供給される燃料ガスを生成する改質器が配置されており、
前記蓋部材は断熱部材であり、
前記排ガス導出口は、前記蓋部材のうち前記改質器の垂直下方に設けられていること
を特徴とする燃料電池モジュール。
前記断熱部材間に、前記セル配列方向と平行になるようにかつ前記燃料電池セルの立設方向に沿って配置された酸素含有ガス供給板を有し、該酸素含有ガス供給板が前記蓋部材に形成された開口部を挿通していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池モジュール。
前記断熱部材間には２列の前記セルスタックが配置されており、該２列のセルスタック間に前記酸素含有ガス供給板が配置されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池モジュール。