JP2009231185A - 燃料電池モジュール、及びそれを備える燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の燃料電池セルへ供給される酸化剤ガスを均一に予熱することができる燃料電池モジュールを提供すること。
【解決手段】 燃料電池モジュールＦＣは、セラミックス材料からなる電解質を挟んで空気極と燃料極とを有する複数の燃料電池セル２と、複数の燃料電池セル２を収容するモジュール容器８と、モジュール容器８の内部に形成され排酸化剤ガス及び排燃料ガスを混合して燃焼させる燃焼室２７と、を備え、燃焼室２７には、燃料電池セル２の空気極又に酸化剤ガスを分配供給する複数の空気ヘッダ６がそれぞれ離間して配置されることを特徴とする。
【選択図】 図４

Description

本発明は、複数の燃料電池セルを備える燃料電池モジュール、及びそれを備える燃料電池正システムに関する。

セラミックス材料を燃料電池セルに用いる固体酸化物形燃料電池は、発電する際に出る排熱が利用できるので、高効率な発電システムとして開発が進んでいる。このような固体酸化物形燃料電池は、燃料電池セルが電解質を挟んで一方の側に空気極を備え、他方の側に燃料極を備え、空気極には酸化剤ガスを、燃料極には燃料ガスを供給し、電解質を介して酸化剤と燃料とを電気化学的に反応させることにより発電するものである。

固体酸化物形燃料電池は、高い電気出力を得るために、通常複数の燃料電池セルが容器に収容されており、各燃料電池セルの空気極又は燃料極に酸化剤ガス又は燃料ガスを均等に分配供給させるためのヘッダが設けられている（例えば、特許文献１参照）。

また、固体酸化物形燃料電池は、動作温度が７００〜１０００℃と高く、この動作温度を維持するために、供給される酸化剤ガス及び／又は燃料ガスは予熱される必要がある。上述の固体酸化物形燃料電池においては、容器内に形成される燃焼室において、排酸化剤ガス及び排燃料ガスを混合して燃焼した燃焼排ガスによってヘッダが加熱されて、内部に充填される酸化剤ガス又は燃料ガスが予熱される。
特開２００７−１４１７６５号公報

しかしながら、上述の固体酸化物形燃料電池においては、ヘッダの下方から上方へ流通する燃料排ガスの流路がヘッダの周辺部と容器との間に集中していた。そのため、ヘッダが水平方向において不均一に加熱されることから、各燃料電池セルへ供給される酸化剤ガス又は燃料ガスを均一に予熱し難かった。

そこで、本発明では、複数の燃料電池セルへ供給される酸化剤ガスを極力均一に予熱することができる燃料電池モジュール、及びその燃料電池モジュールを備える燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動し、互いに電気的に繋げられた複数の燃料電池セルと、前記複数の燃料電池セルを収容するための容器と、を備える燃料電池モジュールであって、前記容器は、前記複数の燃料電池セルにおいて燃料ガス及び酸化剤ガスが作用して発電がおこなわれる発電室と、前記複数の燃料電池セルにおいて作用しなかった燃料ガス及び酸化剤ガスを燃焼させるための燃焼室とに分離され、前記燃焼室には、前記複数の燃料電池セルに酸化剤ガスを分配供給するための複数のヘッダが配置されており、前記複数のヘッダはそれぞれ離間して配置されている。

本発明によれば、複数の燃料電池セルへ供給される酸化剤ガスを均一に予熱することができる燃料電池モジュール、及びその燃料電池モジュールを備える燃料電池システムを提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態を説明するのに先立って、本発明の作用効果について説明する。

本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動し、互いに電気的に繋げられた複数の燃料電池セルと、前記複数の燃料電池セルを収容するための容器と、を備える燃料電池モジュールであって、前記容器は、前記複数の燃料電池セルにおいて燃料ガス及び酸化剤ガスが作用して発電がおこなわれる発電室と、前記複数の燃料電池セルにおいて作用しなかった燃料ガス及び酸化剤ガスを燃焼させるための燃焼室とに分離され、前記燃焼室には、前記複数の燃料電池セルに酸化剤ガスを分配供給するための複数のヘッダが配置されており、前記複数のヘッダはそれぞれ離間して配置されている。

本発明によれば、残余の酸化剤ガス及び残余の燃料ガスを混合して燃焼させる燃焼室に、燃料電池セルの空気極に酸化剤ガスを分配供給するヘッダが複数に分割され、それぞれのヘッダが離間して配置されている。そのため、残余の酸化剤ガス及び残余の燃料ガスが燃焼して生成される高温の燃焼排ガスの流路が、ヘッダの周辺部と容器との間だけでなく各ヘッダの間にも形成される。従って、各ヘッダが均一に加熱され、各ヘッダ内の酸化剤ガスも均一に加熱される。その結果、各ヘッダから複数の燃料電池セルへ供給される酸化剤ガスを均一に予熱することができる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記複数のヘッダはそれぞれ、略同一の形態を成していることも好ましい。この好ましい態様によれば、各ヘッダに接触する燃焼排ガスの接触面積が略同一となり、各ヘッダにおいて均一な熱交換が行われ、酸化剤ガスをより一層均一に予熱することができる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記複数のヘッダにはそれぞれ、酸化剤ガスを供給するためのガス供給管と、酸化剤ガスを前記複数の燃料電池セルへと分配導入するための複数のガス導入管とが接続されており、前記ヘッダの水平方向における略対称中心位置において前記ヘッダに接続されていることも好ましい。

この好ましい態様によれば、ヘッダに酸化剤ガスを供給するためのガス供給管が、ヘッダから各燃料電池セルへと酸化剤ガスを分配導入するためのガス導入管の配置を考慮し、複数のガス導入管へと良好に酸化剤ガスを分配供給でき得るような位置において接続されているので、何等特殊な手段を用いずに各燃料電池セルへと良好に酸化剤ガスを分配することができる。また、酸化剤ガスはヘッダ内において良好に各燃料電池セルへと分配されるので、熱交換も良好なものとなり、各燃料電池セルにおける反応な良好なものとなる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールを備える燃料電池では、上述したような作用効果を奏する燃料電池システムを提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本実施形態に係る燃料電池モジュールＦＣを部分的に破断した概略的な斜視図である。燃料電池モジュールＦＣは、燃料ガスと空気（酸化剤ガス）とを電気化学反応させることで発電するための装置として構成されている。

燃料電池モジュールＦＣは、燃料電池セル２と、集電部材３，４と、集電ロッド５と、空気ヘッダ６（ヘッダ）と、空気供給管７（ガス供給管）と、モジュール容器８と、絶縁断熱部材９と、断熱部材１０とを備えている。

燃料電池セル２は、２列×６列の１２本ごとに燃料電池セルスタック（図１において明示しない）として構成され、モジュール容器８内に収められている。各燃料電池セル２は、有底筒状であって、セラミックス材料からなり筒の内側から外側に向かって空気極、固体酸化物電解質、燃料極の多層構造を形成している。燃料電池セル２の内壁すなわち空気極に空気、外壁すなわち燃料極に燃料ガスが接触すると、セル内でＯ^２−イオンが移動して電気化学反応が起こり空気極と燃料極との間に電位差が生じで発電が行われる。燃料電池セル２が発電した電気は、集電部材３，４によって集電され、集電ロッド５によって外部に取出される。

各燃料電池セル２に供給される空気は、空気供給管７を通って空気ヘッダ６に供給された空気が分配されて供給される。本実施形態の場合空気ヘッダ６は３つ設けられており、それぞれの空気ヘッダ６に空気供給管７が繋がれている。空気供給管７の上流側は空気の供給元に連結されている。

空気ヘッダ６は、各燃料電池セル２に空気を分配すると共に、燃焼室の熱を熱交換することにより、各燃料電池セル２に供給する空気を昇温させる役割も果たしている。空気ヘッダ６は、各燃料電池セル２に供給する空気の流路を燃料電池セル２の数に応じて複数の系統に分配するためのものでもあるので、燃料電池セル２の数に応じてその配置数量が増減される。

各燃料電池セル２に供給される燃料ガスは、各燃料電池セル２の下方から供給される（詳細は後述する）。

燃料電池セル２、集電部材３，４、及び空気ヘッダ６は、直方体形状のモジュール容器８に収容されている。このモジュール容器８は、運転時に高温になることから、例えば、インコネルやステンレスなどの耐熱性の合金材料により形成されている。また、燃料ガスや空気を外部に漏出させないために密閉構造となっている。モジュール容器８の内側には、燃料電池セル２とモジュール容器８とを絶縁すると共に、モジュール容器８内部を保温するための絶縁断熱部材９が設けられている。絶縁断熱部材９は、アルミナ繊維等で形成されている。モジュール容器８は更に、動作温度を安定に保つためにその全体が断熱部材１０で覆われている。

続いて、図２を参照しながら、燃料電池セル２の配置態様について説明する。図２は、図１において空気ヘッダ６側から燃料電池セル２側を見通す方向における横断面図である。燃料電池セル集合体２１は、複数の燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃを備えている。各燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、１２本の燃料電池セル２を有し、それぞれの燃料電池セル２は、２列（図中ｘ方向）×６列（図中ｙ方向）に配置されている。

各燃料電池セル２は有底円筒状であって、その開口部２ａを空気ヘッダ６側に向けて配置されている。各燃料電池セル２は、セル間集電部材１３及び導電性のセル接続部材１４を介して、電気的に２並列×６直列に接続されている。なお、燃料電池セル２は、発電容量等に応じて本数や配列が適宜選択される。

各燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、所定の間隔を置いて３列（図中ｘ方向）に配置されており、３６本の燃料電池セル２を有する燃料電池セル集合体２１を構成している。それぞれの燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、集電部材３を介して電気的に直列に接続されている。このように直列接続された燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃの両端に配置される燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｃの端部には、集電部材４が繋げられている。集電部材４は集電ロッド５に繋げられているので、集電ロッド５を介して外部に電力が取り出すことができる。

各燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃにはそれぞれ、燃料電池セル２が６列に並べられている一対の側面に接するように絶縁板１６が配置されている。更に、隣接する絶縁板１６の間には熱伝導板１５が配置されている。燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｃと絶縁断熱部材９との間にも熱伝導板１５が配置されている。熱伝導板１５と集電部材３，４との間には、絶縁棒１１が配置されている。

このように熱伝導板１５が配置されることで、局部的に燃料電池セル２の温度が部分的に高くなっても、熱伝導板１５を介して高温部分から低温部分へ熱が移動しやすくなり、燃料電池セル２の温度分布を均一化させることができる。

また、上述したように絶縁板１６及び絶縁棒１１が配置されることで、熱伝導板１５と燃料電池セル２との間の電気絶縁性、及び熱伝導板１５と集電部材３，４との間の電気絶縁性が確保される。

続いて、図３を参照しながら、燃料電池セル２の配置態様と燃料ガス及び空気の供給態様について説明する。図３は、燃料電池モジュールＦＣの縦断面図であって、モジュール容器８の内部を示す図である。

図３に示すように、モジュール容器８の下方には、モジュール容器８内に導入する燃料ガスを均一に分散するための燃料ガス分散室１７が配置されている。この燃料ガス分散室１７内には、燃料ガスを予備分散する予備分散板１８が配置されている。この予備分散板１８は、例えばアルミナからなり、燃料ガス通気孔１９が形成されている。また、予備分散板１８の上方には、例えばＮｉフォームからなる燃料ガス分散材２０が配置されている。燃料ガス分散室１７の上流側（図中下側）には、燃料ガス供給管２２が設けられ、この燃料ガス供給管２２の上流側は燃料ガスの供給元に連結されている。また、モジュール容器８と燃料ガス分散室１７との間には、燃料ガスを燃料ガス分散室１７からモジュール容器８に通気させるための燃料ガス分散板２３が設けられている。この燃料ガス分散板２３には、複数の燃料ガス供給孔２４が形成されている。

また、燃料電池セル集合体２１の上方に配置される空気ヘッダ６には、燃料電池セル２の空気極に空気を導入する複数の空気導入管２５（ガス導入管）が連結されている。この空気導入管２５は、燃料電池セル２の管内に挿入され、その下端部は燃料電池セル２の底面付近まで延びている。

また、モジュール容器８内には、燃料電池セル２の長尺方向に対して垂直方向に沿って形成される矩形状の仕切板２６（仕切板）が設けられている。この仕切板２６は、アルミナ繊維を積層してブランケット状に形成したものが用いられている。モジュール容器８内において、この仕切板２６で仕切られた上側に燃焼室２７が形成され、下側に発電室２８が形成される。ここで、燃焼室２７は、発電室２８で反応に寄与しなかった余剰の燃料ガスと、各燃料電池セル２の筒内で反応に寄与しなかった余剰の空気とを混合して燃焼させるための空間である。発電室２８は、燃料ガス供給孔２４から導入される燃料ガスを各燃料電池セル２に接触させ、各燃料電池セル２の管内に流れる空気との電気化学反応を生じさせて発電させるための空間である。

また、仕切板２６には、残余の燃料ガスを発電室２８から燃焼室２７に排出するための、例えばアルミナからなる筒状の燃料ガス排出管（図示しない）が複数挿通されている。従って、仕切板２６には、発電室２８から燃焼室２７へと燃料ガスを通過させるための複数のガス排出孔が形成されていることになる。

続いて、空気ヘッダ６の態様及び燃焼室２７における空気の予熱の態様についてさらに詳細に説明する。図４は、本実施形態に係る燃料電池モジュールＦＣの燃焼室２７の概略図である。

図４に示すように、燃焼室２７に配置されている空気ヘッダ６は、空気ヘッダ６_１と、空気ヘッダ６_２と、空気ヘッダ６_３とに分離して形成されている。空気ヘッダ６_１は燃料電池セルスタック２１ａに対応させて配置され、空気ヘッダ６_２は燃料電池セルスタック２１ｂに対応させて配置され、空気ヘッダ６_３は燃料電池セルスタック２１ｃに対応させて配置されている。

空気ヘッダ６_１、空気ヘッダ６_２、空気ヘッダ６_３は、互いに離隔して配置されている。空気ヘッダ６_１と空気ヘッダ６_２との間には、燃焼排ガスの流路Ｌ１が形成されており、空気ヘッダ６_２と空気ヘッダ６_３との間にも、燃焼排ガスの流路Ｌ１が形成されている。更に、モジュール容器８と空気ヘッダ６_１，６_２，６_３との間には、燃焼排ガスの流路Ｌ２が形成されている。

燃焼室２７において、各空気ヘッダ６_１，６_２，６_３の下方に形成されている燃焼部２７ａで生成された燃焼排ガスは、各空気導入管２５、各空気ヘッダ６_１，６_２，６_３及び各空気供給管７を包囲しながら、流路Ｌ１，Ｌ２を通ってほぼ上方に流れる（図中実線矢印）。そのため、内側に配置された空気ヘッダ６_２とその外側に配置された各空気ヘッダ６_１，６_３とは、それぞれ燃焼排ガスと接触する面積が同等になり、各空気ヘッダ６_１，６_２，６_３内における空気はほぼ均一に熱交換される。その結果として、各空気導入管２５から供給される空気も、ほぼ均一に予熱されることになる。

図５に、空気ヘッダ６_１を上方から見た平面図を示す。図５に示すように、空気ヘッダ６_１に繋がる空気供給管７は、空気ヘッダ６_１の平面方向における略対称中心位置において空気ヘッダ６_１に接続されている。空気ヘッダ６_１には、空気導入管２５が２列×６列で接続されている。従って、空気導入管２５は、空気ヘッダ６_１の平面方向における略対称中心位置を基準として、対称位置に対を成すように配置されている。このように、空気ヘッダ６_１に空気を供給するための空気供給管７が、空気ヘッダ６_１から各燃料電池セル２へと空気を分配導入するための空気導入管２５の配置を考慮し、複数の空気導入管２５へと良好に空気を分配供給でき得るような位置において接続されている。従って、何等特殊な手段を用いずに各燃料電池セル２へと良好に空気を分配することができる。また、空気は空気ヘッダ６_１内において良好に各燃料電池セル２へと分配されるので、熱交換も良好なものとなり、各燃料電池セル２における反応な良好なものとなる。尚、空気ヘッダ６_２，６_３においても同様である。

続いて、図６を参照しながら、燃料電池モジュールＦＣを用いた燃料電池システムＦＣＳの構成について説明する。図６は、燃料電池システムＦＣＳの構成を示すブロック図である。図６に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣと、燃料供給部ＦＰと、空気供給部ＡＰと、水供給部ＷＰと、電力取出部ＥＰと、制御部ＣＳとを備えている。燃料供給部ＦＰ、空気供給部ＡＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは、燃料電池システムＦＣＳの補器ＡＤを構成している。

燃料供給部ＦＰは、燃料供給源としての都市ガス配管から燃料ガスを燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、燃料ポンプ、電磁弁を有している。燃料供給部ＦＰから供給される燃料ガスは燃料ガス供給管２２へと送り出される。

空気供給部ＡＰは、空気供給源としての大気中から空気を燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、空気ブロア、電磁弁を有している。空気供給部ＡＰから供給される空気は空気供給管７へと送り出される。

水供給部ＷＰは、水供給源としての水道管から水を燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、水ポンプ、電磁弁を有している。水供給部ＷＰから供給される水は、燃料電池モジュールＦＣ内部で水蒸気となって送り出される。

電力取出部ＥＰは、燃料電池モジュールＦＣから電力を取り出す部分であって、インバータ等の電力変換装置を有している。電力取出部ＥＰは、集電ロッド５と繋がっていて、変換した電力は電力供給先へと送り出すように構成されている。

制御部ＣＳは、燃料供給部ＦＰ、空気供給部ＡＰ、補器ＡＤ、及び電力取出部ＥＰのそれぞれを制御するための部分であって、ＣＰＵやＲＯＭを有している。燃料電池モジュールＦＣの動作は、制御部ＣＳからの指示信号に基づいて実行される。

このように構成された燃料電池システムＦＣＳの動作について説明する。発電室２８を電気化学反応が生じる温度（７００〜１０００℃）に昇温する。空気供給部ＡＰから空気を空気供給管７から空気ヘッダ６内に供給する。空気ヘッダ内の空気は、複数の空気導入管２５内を下方に流れ、下端から燃料電池セル２の筒内に流出する。流出した空気は、燃料電池セル２の筒内を上方に流れる。このとき、空気は、空気極に接触して反応に供される。反応で消費されなかった空気は、燃料電池セル２の開口部２ａから燃焼室２７に達する。

また、燃料供給部ＦＰから燃料ガスを燃料ガス供給管２２に供給し、燃料ガス分散室１７内に供給する。供給された燃料ガスは、燃料ガス分散板２３に形成された複数の燃料ガス供給孔２４から発電室２８内に導入され、発電室２８内を各燃料電池セル２を包囲しながら上方に流れる。このとき、燃料ガスは、燃料極に接触して反応に供される。反応で消費されなかった燃料ガスは、仕切板２６の燃料ガス排出管（図示しない）を通って燃焼室２７に達する。

燃焼室２７に達した残余の燃料ガスは残余の空気と混合し、所定の点火装置を用いて、または温度の上昇により自然に燃焼し、排出ガスが、モジュール容器８の上壁に連結された排ガス管から燃焼室２７の外に排出される。この排出ガスは高温となるために、発電室２８を加熱するための熱源としても利用される。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態においては、発電室２８から燃焼室２７に残余の燃焼ガスを通気させる燃料ガス排出手段として、燃料ガス排出管を用いたが、仕切板２６に孔のみを形成した燃料ガス排出孔を用いても良い。

本実施形態に係る燃料電池モジュールを部分的に破断した概略的な斜視図である。 図１において空気ヘッダ側から燃料電池セル側を見通す方向における横断面図である。 燃料電池モジュールの縦断面図である。 本実施形態に係る燃料電池モジュールの燃焼室を示す部分拡大図である。 空気ヘッダを上方から見た平面図である。 燃料電池の構成を示すブロック図である。

符号の説明

２…燃料電池セル、２ａ…開口部、３，４…集電部材、５…集電ロッド、６…空気ヘッダ、７…空気供給管、８…モジュール容器、９…絶縁断熱部材、１０…断熱部材、１１…絶縁棒、１３…セル間集電部材、１４…セル接続部材、１５…熱伝導板、１６…絶縁板、１７…燃料ガス分散室、１８…予備分散板、１９…燃料ガス通気孔、２０…燃料ガス分散材、２１…燃料電池セル集合体、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ…燃料電池セルスタック、２２…燃料ガス供給管、２３…燃料ガス分散板、２４…燃料ガス供給孔、２５…空気導入管、２６…仕切板、２７…燃焼室、２７ａ…燃焼部、２８…発電室、ＡＤ…補器、ＡＰ…空気供給部、ＣＳ…制御部、ＥＰ…電力取出部、ＦＣ…燃料電池モジュール、ＦＣＳ…燃料電池システム、ＦＰ…燃料供給部、Ｌ１，Ｌ２…流路、ＷＰ…水供給部。

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動し、互いに電気的に繋げられた複数の燃料電池セルと、
   前記複数の燃料電池セルを収容するための容器と、を備える燃料電池モジュールであって、
   前記容器は、前記複数の燃料電池セルにおいて燃料ガス及び酸化剤ガスが作用して発電がおこなわれる発電室と、前記複数の燃料電池セルにおいて作用しなかった燃料ガス及び酸化剤ガスを燃焼させるための燃焼室とに分離され、
   前記燃焼室には、前記複数の燃料電池セルに酸化剤ガスを分配供給するための複数のヘッダが配置されており、
   前記複数のヘッダはそれぞれ離間して配置されていることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記複数のヘッダはそれぞれ、略同一の形態を成してい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. 前記複数のヘッダにはそれぞれ、酸化剤ガスを前記ヘッダ内に供給するためのガス供給管と、酸化剤ガスを前記複数の燃料電池セルへと分配導入するための複数のガス導入管とが接続されており、
   前記ガス導入管は、前記ヘッダの水平方向における略対称中心位置において前記ヘッダに接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池モジュール。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載されている燃料電池モジュールを備える燃料電池システム。

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