JP2004227846A

JP2004227846A - 燃料電池モジュール

Info

Publication number: JP2004227846A
Application number: JP2003012338A
Authority: JP
Inventors: Jun Akikusa; 順秋草; Koji Hoshino; 孝二星野; Takashi Hosoi; 敬細井
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2003-01-21
Filing date: 2003-01-21
Publication date: 2004-08-12

Abstract

【課題】セパレータ間の電気的絶縁機構を簡略化したコンパクトで安価な燃料電池モジュールを提供する。
【解決手段】発電セル５とセパレータ８を交互に積層して燃料電池スタック１を構成し、燃料電池スタック１を函体２１に収容する。この函体２１の縦方向に隣接して外部予熱室２２を設け、内部にガス供給ディストリビュータ１５、１６を配設する。この外部予熱室２２は、内部温度を１００〜３００℃に制御する温度制御機構を備えている。また、ガス供給ディストリビュータ１５、１６はポリ四フッ化エチレン材にて構成する。これにより、ディストリビュータ１５、１６とセパレータ８を接続するガス供給管１３、１４等に絶縁のための複雑な接続機構を設けずにセパレータ間の電気的絶縁が得られると共に、熱サイクルによる接続機構の破損を回避でき、燃料電池モジュールの信頼性を向上できる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池モジュールに関し、特に、燃料電池スタックを収容する函体に隣接して内部にガス供給ディストリビュータを配設した外部予熱室を有する燃料電池モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。現在、この固体酸化物形燃料電池は、円筒型、モノリス型、及び平板積層型の３種類が提案されており、何れも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質を両側から空気極（カソード）と燃料極（アノード）で挟み込んだ積層構造を有する。この積層体から成る発電セルが、間に燃料極集電体と空気極集電体を挟みセパレータと交互に積層されて、燃料電池スタックが構成されている。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池では、反応用のガスとして空気極側に酸素（空気）が、燃料極側に燃料ガス（Ｈ_２、ＣＯ、ＣＨ_４等）が供給される。空気極と燃料極は、ガスが固体電解質との界面に到達することができるように、いずれも多孔質の層とされている。
空気極側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^２−）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２等）を生じ、燃料極に電子を放出する。この電子を外部に起電力として取り出すことができる。
【０００４】
固体酸化物形燃料電池の場合、発電セルにおける電気化学反応は１０００℃前後の高温酸化性雰囲気中で行われることから、起動時の電池反応を活性化するため、反応用のガスとなる酸素（空気）、燃料ガス、水蒸気等を必要温度に予熱しておく必要がある。このような、予熱のための熱交換構造は特許文献１、特許文献２に記載されている。
尚、予熱された空気や燃料ガスはそれぞれのディストリビュータより各々ガス供給管を介して各発電セルの空気極側と燃料極側に供給される。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２４０２２３号公報
【特許文献２】
特開２００２−２３１２７９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した各ディストリビュータは、燃料スタックと共に断熱材や耐熱金属等で構成される函体内に配設されてモジュール化されおり、常に高温下に晒される構造である。このため、通常はこれらディストリビュータは、高耐熱性やセパレータ間の電気的絶縁を得るためセラミックス材で構成されているが、燃料電池の起動・停止による熱サイクルで上記ガス供給管との流路接続機構がダメージを受け、ガスシール部分が破損し易いといった欠点が有った。また、ディストリビュータ自体を函体内に配設する構造はモジュールのコンパクト化に対する障害となっていた。
【０００７】
本発明は、低い温度に維持された外部予熱室にディストリビュータを配設することによりディストリビュータを耐熱性の低い非導電体材で構成可能として、セパレータ間の電気的絶縁機構を簡略化したコンパクトで安価な燃料電池モジュールを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、電解質層の一方に燃料極層を、他方に酸化剤極層を配置して発電セルを構成し、当該発電セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタックを構成し、当該燃料電池スタックを函体に収容すると共に、ガス供給ディストリビュータを介して各発電セルに反応用のガスを供給するように構成した燃料電池モジュールにおいて、前記函体の縦方向に隣接して外部予熱室を設けると共に、当該外部予熱室に前記ガス供給ディストリビュータを配設した。
【０００９】
上記のように、燃料電池モジュールの縦方向に設けた外部予熱室にディストリビュータを収納する構成とすることにより、燃料電池モジュールをコンパクト化できる。
【００１０】
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記外部予熱室は、内部温度を１００〜３００℃に制御する温度制御機構を備えている。
【００１１】
外部予熱室の内部温度を１００℃以上にすることにより、外部より予熱室内に導入される燃料ガス中の水蒸気の凝集が防止され（例えば、燃料ガスとしてメタンを使用する場合は、炭化水素と共に水も供給される）、水蒸気を完全に気化させた状態で炭化水素と混合することができる。また、外部予熱室の内部温度を３００℃以下とすることにより、ディストリビュータの材料として耐熱性の低い非導電体材の使用が可能となる。
【００１２】
また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池モジュールにおいて、前記温度制御機構は、外部からの導入空気を前記燃料電池スタックの排ガスにより熱交換して前記外部予熱室に供給する熱交換手段を有している。
【００１３】
上記構成では、従来、排ガスとして外部にそのまま放出していた熱エネルギーを予熱のための熱源として再利用するため、発電システムとしてのエネルギー効率を向上できる。
【００１４】
また、請求項４に記載の本発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料電池モジュールにおいて、前記ガス供給ディストリビュータの一部または全てをポリ四フッ化エチレン材にて構成した。
【００１５】
本構成では、ディストリビュータとセパレータを接続するガス供給管等に絶縁のための複雑な接続機構を設けずにセパレータ間の電気的絶縁が得られる。また、ポリ四フッ化エチレン材は３００℃以下の環境下において耐熱性を有するため、熱サイクルによる流路接続機構の破損を回避でき、燃料電池モジュールの信頼性を向上でき、且つ、安価である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図１、図２に基づいて本発明に係る燃料電池モジュールの実施形態を説明する。尚、図１は本実施形態の燃料電池モジュールの縦断面図、図２は外部予熱室の構造を示す平面図である。
【００１７】
図１において、符号１は平板積層型の固体酸化物形燃料電池のスタックである。この燃料電池スタック１は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配して構成した発電セル５と、燃料極層の外側に配した燃料極集電体６と、空気極層の外側に配した空気極層集電体７と、各集電体６、７の外側に配したセパレータ８とで単セルを構成し、これを多数積層してスタック化した筒状体である。
【００１８】
前記セパレータ８は、厚さ数ｍｍ程の四角状ステンレス薄板で構成されており、図示のように、内部に燃料ガス供給管１３から供給される燃料ガスをセパレータの外周面から導入して中央のガス吐出孔１１から吐出させる燃料ガス通路９と、酸化剤ガス供給管１４から供給される酸化剤ガスをセパレータの対向外周面から導入して中央のガス吐出港２から吐出させる酸化剤ガス通路１０とを備えている。
また、各セパレータ８の外周部には、前記燃料ガス通路９と連通する燃料ガス用連結部１９と、前記酸化剤ガス通路１０と連通する酸化剤ガス用連結部２０が水平方向に突設されており、これら連結部１９、２０を介して、各々燃料ガス供給管１３と酸化剤ガス供給管１４が溶接等によりほぼ垂直の角度で固着・接続され、筒状体を成す燃料電池スタック１の側部近傍を積層方向（上方）に延設されている。
【００１９】
本構成の燃料電池スタック１は、断熱材、耐熱金属、セラミックス等で構成される函体２１に収納され、この函体２１の上部に仕切板１８にて区画されて、当燃料電池スタック１と熱的に隔離された外部予熱室２２が配設されており、その内部にポリ四フッ化エチレン材で成る筒状の燃料用ディストリビュータ１５と酸化剤用ディストリビュータ１６がそれぞれ設置されている。
そして、前記各セパレータ８の連結部１９、２０より延長された各々ガス供給管１３、１４が、この仕切板１８に設けた複数の通孔３１、３２を挿通して外部予熱室２２の内部に導入され、それぞれの端部が室内に配設された燃料用ディストリビュータ１５と酸化剤用ディストリビュータ１６の底壁に各２列配置にて固着・接続されている。
【００２０】
図２に示すように、この外部予熱室内には、外部より燃料ガスとなるメタンガスを導入するための燃料ガス導入管２３と、酸化剤ガス（空気）を導入するための酸化剤ガス導入管２４と、水蒸気を導入するための水蒸気導入管２５と、外部予熱室内に予熱空気を導入するための予熱管２７の４本が配管されており、前記酸化剤ガス導入管２４は酸化剤用ディストリビュータ１６に接続され、前記燃料ガス導入管２３と前記水蒸気導入管２５はガスミキサー３０を介して１本化されて燃料用ディストリビュータ１５に接続されている。
【００２１】
前記予熱管２７は、管内に予熱空気導入管２６が配設された２重管構造を有し、外部空気を内管の予熱空気導入管２６より導入すると共に、仕切板１８の排ガス導入孔２９より取り入れた燃料電池スタック１の排ガスを外管を通して外部に放出することにより、予熱空気導入管２６を通過する空気をこの高温の排気ガスで予熱（熱交換）して噴出口２６ａより室内に送り込み、外部予熱室２２を予熱する。因みに、排ガス温度は７００℃程度である。
【００２２】
尚、この予熱管２６には、排気ガスの外部放出量を制限する開閉バルプ２８が付設されており、この開閉バルプ２８の開度により放出ガス量を調整することで室内の予熱温度を制御することができる。本実施形態では、予熱温度の範囲を１００〜３００℃に設定している。予熱室内部が３００℃以上になる場合は、前記開閉バルプ２８を完全に閉塞して予熱管２７を通過する排ガスを停止し、室内に常温の空気を送り込むことにより温度制御する。
このように、本構成では、従来は、そのまま外部に放出していた排ガスの熱を予熱エネルギーとして再利用するため、発電システムとしてのエネルギー効率を向上できる。
【００２３】
ここで、外部予熱室２２の内部温度を１００℃以上にすることにより、外部より予熱室内に導入される燃料ガス中の水蒸気の凝集が防止され、水蒸気を完全に気化させた状態で炭化水素と混合することができる。
【００２４】
上記構成の燃料電池モジュールでは、外部からの酸化剤ガス（空気）は、酸化剤ガス導入管２４を通して酸化剤用ディストリビュータ１６に導入され、ここから複数の酸化剤ガス供給管１４にて分配されて、各セパレータ８の酸化剤ガス用連結部２０より酸化剤ガス通路１０に導入され、通路末端部の酸化剤ガスの吐出孔１２より吐出して対面する空気極集電体７に供給されるガス流通路となる。
一方、外部からの燃料ガス（メタンガス）は、燃料ガス導入管２３を通してガスミキサー３０に導入され、また、水蒸気は水蒸気導入管２５を通して同様にガスミキサー３０に導入される。この時、外部予熱室２２内は１００℃以上に予熱されているから、上記したように気化した水蒸気は凝集することなく、ガスミキサー３０にてメタンガスと混合されて燃料用ディストリビュータ１５に導入されることになる。燃料ガスは、ここから複数の燃料ガス供給管１３にて分配されて、各セパレータ８の燃料ガス用連結部１９より燃料ガス通路９に導入され、通路末端部の燃料ガスの吐出孔１１より吐出して対面する燃料極集電体６に供給される。
【００２５】
また、外部予熱室２２の内部温度を３００℃以下とすることにより、前記ディストリビュータ１５、１６の材料として比較的耐熱性の低いポリ四フッ化エチレン材の使用が可能となる。ポリ四フッ化エチレン材は電気絶縁部材であるから、各ガス供給管１３、１４等に絶縁のための複雑な流路接続機構を用いずにセパレータ間の電気的絶縁を得ることができる。これにより、燃料電池運転時の熱サイクルにる流路接続機構の破損を回避でき、燃料電池モジュールの信頼性が向上する。また、ポリ四フッ化エチレン材は安価であるから同時にコスト低減も図ることができる。
【００２６】
尚、上記のようにディストリビュータ全体をポリ四フッ化エチレン材で構成するのではなく、ディストリビュータ本体部分は金属等で構成しておいて、ガス供給管との接続部分のみをポリ四フッ化エチレン材で構成しても良く、セパレータ間の電気的絶縁は確保できるものである。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の本発明によれば、燃料電池スタックを収容した函体に設けた外部予熱室に各ディストリビュータを配設する構成としたので、燃料電池モジュールのコンパクト化が図れる。
【００２８】
また、請求項２、請求項４に記載の本発明によれば、外部予熱室の内部温度を１００〜３００℃に制御したので、１００℃以上であれば、燃料ガス中の水蒸気の凝集が防止でき、水蒸気を完全に気化した状態で燃料ガス（炭化水素）と混合することができる。
また、内部温度が３００℃以下であれば、各ディストリビュータの材料として耐熱性の低いポリ四フッ化エチレン材の使用が可能となり、各ガス供給管等に絶縁のための複雑な流路接続機構を用いずにセパレータ間の電気的絶縁を得ることができる。これにより、熱サイクルにる流路接続機構の破損を回避でき、燃料電池モジュールの信頼性が向上する。また、ポリ四フッ化エチレン材は安価であるから同時にコスト低減も図ることができる。
【００２９】
また、請求項３に記載の本発明によれば、熱交換手段の熱源として燃料電池スタックからの排ガスを使用したので、従来、排ガスとして外部に放出していた熱エネルギーを予熱のための熱源として再利用することができ、発電システムとしてのエネルギー効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池モジュールの縦断面図。
【図２】（ａ）は外部予熱室の構造を示す平面図、（ｂ）は仕切板の平面図。
【符号の説明】
１燃料電池スタック
５発電セル
８セパレータ
１５燃料用ディストリビュータ
１６酸化剤用ディストリビュータ
２１函体
２２外部予熱室
２７熱交換手段（予熱管）

Claims

電解質層の一方に燃料極層を、他方に酸化剤極層を配置して発電セルを構成し、当該発電セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタックを構成し、当該燃料電池スタックを函体に収容すると共に、ガス供給ディストリビュータを介して各発電セルに反応用のガスを供給するように構成した燃料電池モジュールにおいて、
前記函体の縦方向に隣接して外部予熱室を設けると共に、当該外部予熱室に前記ガス供給ディストリビュータを配設したことを特徴とする燃料電池モジュール。
前記外部予熱室は、内部温度を１００〜３００℃に制御する温度制御機構を備え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。
前記温度制御機構は、外部からの導入空気を前記燃料電池スタックの排ガスにより熱交換して前記外部予熱室に供給する熱交換手段を有することを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池モジュール。
前記ガス供給ディストリビュータの一部または全てをポリ四フッ化エチレン材にて構成したことを特徴とする請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料電池モジュール。