JP7244470B2 - 燃料電池発電モジュール - Google Patents
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Description
A-1.燃料電池発電モジュール1の構成:
図1は、本実施形態における燃料電池発電モジュール(以下、単に「発電モジュール」という)1の外観構成を示す説明図であり、図2は、発電モジュール1の概略構成を示す説明図である。なお、図2では、便宜的に、燃料ガス(原燃料ガスRFG、燃料ガスFGおよび燃料オフガスFOGを含む)の流れを一点鎖線で示し、酸化剤ガス(酸化剤ガスOGおよび酸化剤オフガスOOGを含む)の流れを実線で示し、排ガスEGの流れを破線で示している。燃料オフガスFOGは、特許請求の範囲における残余燃料ガスに相当する。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、特に断らない限り、便宜的に、X軸正方向を上方向と呼び、X軸負方向を下方向と呼ぶものとする。なお、発電モジュール1および燃料電池スタック100は、実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図3以降についても同様である。
図3は、第1実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図であり、図4は、図3のIV-IVの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図5は、図3のV-Vの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。図3から図8の説明では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとする。なお、燃料電池スタック100は、実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。また、以下では、Z軸方向に直交する方向を、面方向と呼ぶものとする。
一対のターミナルプレート410,420は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。各ターミナルプレート410,420のZ軸方向における厚さ(板厚)は、0.2mm以上、3mm以下である。上側のターミナルプレート410は、複数の発電単位102から構成される発電ブロック103の上方向側に配置されており、下側のターミナルプレート420は、発電ブロック103の下方向側に配置されている。すなわち、上側のターミナルプレート410は、複数の単セル110の内、Z軸方向において、最も上方向側に位置する単セル110を備える発電単位102の上方向側に配置されている。また、下側のターミナルプレート420は、複数の単セル110の内、Z軸方向において、最も下方向側に位置する単セル110を備える発電単位102の下方向側に配置されている。図3に示すように、上側のターミナルプレート410には、4つのボルト孔109が形成されている。また、下側のターミナルプレート420には、4つの連通孔108と、4つのボルト孔109とが形成されている(図4および図5参照)。上側のターミナルプレート410は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のターミナルプレート420は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。
図1、図2、図4および図5に示すように、燃料電池発電モジュール1は、さらに、燃料電池スタック100の下側のエンドプレート106に対して複数の発電単位102とは反対側(すなわち、下側)に配置された配管61,62,71,72を備える。配管61,62,71,72は、それぞれ、内部にガス流路が形成された筒状の部材であり、例えば、金属により形成されている。図2および図4に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161には、酸化剤ガス導入配管61が接続されており、酸化剤ガス排出マニホールド162には、酸化剤ガス排出配管62が接続されている。また、図2および図5に示すように、燃料ガス導入マニホールド171には、燃料ガス導入配管71が接続されており、燃料ガス排出マニホールド172には、燃料ガス排出配管72が接続されている。なお、各配管61,62,71,72と下側のエンドプレート106との間には、絶縁シート26が配置されている。絶縁シート26は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。配管61,62,71,72は、例えば、図示しない固定用部材(例えばボルト)によって、燃料電池スタック100および後述の補助器300に接続されている。酸化剤ガス導入配管61の詳細構成については、後で説明する。
図6は、図4に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図であり、図7は、図5に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図であり、図8は、図3のVIII-VIIIの位置における互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図である。図6から図8に示すように、発電の最小単位である発電単位102は、燃料電池単セル(以下、単に「単セル」という)110と、セパレータ120と、空気極側フレーム130と、空気極側集電部材134と、燃料極側フレーム140と、燃料極側集電部材144と、発電単位102の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ150とを備えている。セパレータ120、空気極側フレーム130、燃料極側フレーム140、インターコネクタ150におけるZ軸方向回りの外周には、上述した各マニホールド161,162,171,172として機能する各連通孔108を構成する孔と、各ボルト孔109を構成する孔とが形成されている。なお、発電単位102は単セル110を備えるため、上述した発電ブロック103は、単セル110が上下方向に複数並べて配置された構造体であるとも表現できる。
図1および図2に示すように、補助器300は、蒸発器310および改質・加熱器330を備える。補助器300は、燃料電池スタック100の上方向に並べて配置されており、配管61,62,71,72によって支持されている。燃料電池スタック100および補助器300は、断熱材350によって包囲されているとともに、燃料電池スタック100と補助器300との間にも断熱材350が設けられており、燃料電池スタック100からの熱の放散を抑制している。蒸発器310および改質・加熱器330は、それぞれ、内部に空間が形成された略直方体状の箱形部材であり、例えばステンレス材やアルミ添加ステンレス材により形成されている。
蒸発器310には、外部から改質水RWを導入するための改質水導入配管220と、外部から原燃料ガスRFGを導入するための原燃料ガス導入配管222と、排ガスEGを排出するための排ガス排出管223とが接続されている。また、蒸発器310には、改質・加熱器330のハウジング335から蒸発器310へ排ガスEGを導入するための排ガス導入配管226と、蒸発器310から改質器331へ混合ガスを導入するための混合ガス導入配管228とが接続されている。
改質・加熱器330は、改質器331と、燃焼器333と、ハウジング335とを備えている。改質器331および燃焼器333は、ハウジング335によって密閉された空間内に収容されている。上述の配管61,62,71,72は、それぞれ、改質・加熱器330に接続されている。より具体的には、酸化剤ガス導入配管61はハウジング335に接続され、燃料ガス導入配管71は改質器331に接続され、酸化剤ガス排出配管62および燃料ガス排出配管72は燃焼器333に接続されている。
図4に示すように、酸化剤ガスOGは、酸化剤ガス導入配管61を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に導入され、酸化剤ガス導入マニホールド161から各発電単位102の空気室166に供給される。また、図5に示すように、燃料ガスFGは、燃料ガス導入配管71を介して燃料ガス導入マニホールド171に導入され、燃料ガス導入マニホールド171から各発電単位102の燃料室176に供給される。
図1を参照して、酸化剤ガス導入配管61の詳細構成を説明する。酸化剤ガス導入配管61は、接続部分CPにおいて、燃料電池スタック100のエンドプレート106が有する開口部OPのうち、酸化剤ガス導入マニホールド161に連通する開口部OPに連通するよう接続されている。上述したように、酸化剤ガス導入配管61は、筒状の部材である。より具体的には、本実施形態の酸化剤ガス導入配管61は、重複部分OLと、重複部分OLを除く部分である非重複部分NOLとを有している。重複部分OLは、Z軸方向視において、開口部OPに重なる部分である。換言すれば、重複部分OLは、開口部OPの径方向に直交する方向(本実施形態において、Z軸方向)に延びる部分である。
以上説明したように、本実施形態の発電モジュール1は、燃料電池スタック100と、補助器300と、燃料電池スタック100と補助器300とを接続する配管61,62,71,72とを備えている。配管61,62,71,72は、それぞれ、燃料電池スタック100におけるエンドプレート106の表面S106aに形成された開口部OPと、補助器300とを連通するように接続されている。酸化剤ガス導入配管61は、重複部分OLと、非重複部分NOLとを有している。非重複部分NOLは、燃料電池スタック100によって支持されている。このため、本実施形態の発電モジュール1では、酸化剤ガス導入配管61における燃料電池スタック100との接続部分CPにかかる荷重(具体的には、補助器300および酸化剤ガス導入配管61に起因する荷重)を、非重複部分NOLにおける被支持部分SPへと分散することができる。従って、本実施形態の発電モジュール1によれば、酸化剤ガス導入配管61における接続部分CPにかかる上記荷重を低減させることができる。
図9は、第2実施形態における発電モジュール1Aの外観構成を示す説明図である。第2実施形態の発電モジュール1Aは、酸化剤ガス導入配管61に代えて酸化剤ガス導入配管61Aを備え、さらに、支持部材65Aを備えている点で、上述した第1実施形態の発電モジュール1の構成と異なる。以下では、第2実施形態の発電モジュール1Aの構成のうち、上述した第1実施形態の発電モジュール1の構成と同一の構成については、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。
図10は、第3実施形態における発電モジュール1Bの外観構成を示す説明図である。第3実施形態の発電モジュール1Bは、酸化剤ガス導入配管61Aおよび支持部材65Aに代えて、それぞれ、酸化剤ガス導入配管61Bおよび支持部材65Bを備えている点で、上述した第2実施形態の発電モジュール1Aの構成と異なる。以下では、第3実施形態の発電モジュール1Bの構成のうち、上述した実施形態の発電モジュール1,1Aの構成と同一の構成については、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
Claims (6)
- 第1の方向に並べて配置された複数の発電単位から構成される発電ブロックを有する燃料電池スタックであって、各前記発電単位は、電解質層と、前記電解質層を挟んで前記第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む単セルと、前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方である特定電極に面するガス室と、を備え、前記発電ブロックは、前記ガス室に供給または前記ガス室から排出されるガスが通るマニホールドを有し、かつ、前記燃料電池スタックの複数の表面のうちの少なくとも1つである特定表面に開口し、かつ、前記マニホールドに連通する開口部を有する燃料電池スタックと、
熱源部と、
前記開口部と前記熱源部とに連通する接続流路と、
を備える燃料電池発電モジュールにおいて、
前記特定表面と直交する方向視において、前記接続流路は、前記開口部に重なる部分を除く部分である非重複部分を有し、
前記非重複部分は、前記燃料電池スタックの前記複数の表面のうち前記特定表面とは異なる他の表面によって支持されている、
ことを特徴とする燃料電池発電モジュール。 - 請求項1に記載の燃料電池発電モジュールにおいて、
前記非重複部分と前記燃料電池スタックとに接続され、かつ、前記接続流路を支持する支持部材、を備える、
ことを特徴とする燃料電池発電モジュール。 - 請求項1または請求項2に記載の燃料電池発電モジュールにおいて、
前記燃料電池スタックは、前記発電ブロックを挟んで前記第1の方向に互いに対向し、かつ、前記発電単位から絶縁された一対のエンド部材、を備え、
前記非重複部分は、前記一対のエンド部材のうちの少なくとも一方によって支持されている、
ことを特徴とする燃料電池発電モジュール。 - 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の燃料電池発電モジュールにおいて、
前記燃料電池スタックは、各前記発電単位が、固体酸化物形燃料電池の発電単位である、固体酸化物形燃料電池スタックである、
ことを特徴とする燃料電池発電モジュール。 - 請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の燃料電池発電モジュールにおいて、
前記熱源部は、原燃料ガスを改質して、水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料電池スタックにおいて発電に使用されずに残った残余燃料ガスを燃焼させる燃焼器とを有する、
ことを特徴とする燃料電池発電モジュール。 - 請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の燃料電池発電モジュールにおいて、
前記熱源部は、発電に使用する酸化剤ガスを加熱するための熱交換器を有する、
ことを特徴とする燃料電池発電モジュール。
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