JP2011044361A - Fuel cell module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池モジュールに関する。 The present invention relates to a fuel cell module.
燃料電池は、水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。 A fuel cell is a device that obtains electrical energy using hydrogen and oxygen as fuel. Since fuel cells are excellent in terms of the environment and can realize high energy efficiency, they have been widely developed as future energy supply systems.
一般的には、複数の燃料電池セルを積層して燃料電池スタックを構成し、大きな出力を得ている。特許文献1には、複数の燃料電池セルを積層して燃料電池スタックを構成し、各燃料電池セルの端部において燃料オフガスを燃焼させて改質器を加熱する構成の燃料電池モジュールが開示されている。特許文献1に記載の燃料電池モジュールにおいては、各燃料電池セルに対して燃料ガスと酸化剤ガスとが平行して流れるようにそれぞれのガス流路が構成されている。 In general, a plurality of fuel cells are stacked to form a fuel cell stack, and a large output is obtained. Patent Document 1 discloses a fuel cell module having a configuration in which a fuel cell stack is configured by stacking a plurality of fuel cells, and a reformer is heated by burning fuel off-gas at the end of each fuel cell. ing. In the fuel cell module described in Patent Document 1, each gas flow path is configured so that the fuel gas and the oxidant gas flow in parallel to each fuel cell.
しかしながら、特許文献1の技術のように燃料オフガスと酸化剤オフガスとが並行流を形成すると、燃料電池スタックに温度分布が発生するおそれがある。 However, when the fuel off-gas and the oxidant off-gas form a parallel flow as in the technique of Patent Document 1, temperature distribution may occur in the fuel cell stack.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、温度分布の発生を抑制することが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。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a fuel cell module capable of suppressing the occurrence of temperature distribution.
本発明に係る燃料電池モジュールは、ケーシング内に、内部に第1の反応ガスを第2端側から第1端側に向けて流すための第1の反応ガス流路を備える燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの側面側より第2の反応ガスを供給するための第2の反応ガス供給部材と、前記燃料電池スタックの側面側に供給された前記第2の反応ガスが、それぞれの前記燃料電池セルの外側において第1端側から第2端側に向けて流れるように構成された第2の反応ガス流路と、を備えることを特徴とするものである。 A fuel cell module according to the present invention includes a plurality of fuel cell cells each provided with a first reaction gas channel for flowing a first reaction gas from a second end side toward a first end side in a casing. A stacked fuel cell stack, a second reaction gas supply member for supplying a second reaction gas from the side surface of the fuel cell stack, and the second gas supplied to the side surface of the fuel cell stack And a second reaction gas channel configured to flow from the first end side toward the second end side outside each of the fuel cells. is there.
本発明に係る燃料電池モジュールにおいては、燃料電池セルにおいて、第1の反応ガスと第2の反応ガスが対向流となる。この場合、並行流の場合と比較して、各燃料電池セルにおける発電分布および温度分布の発生を抑制することができる。また、第2の反応ガスが燃料電池スタック20の側面を流動する際に加熱されることから、各燃料電池セルの第2の反応ガス供給口付近の温度低下が抑制される。それにより、燃料電池スタックにおいて温度分布の発生を抑制することができる。
In the fuel cell module according to the present invention, the first reaction gas and the second reaction gas are counterflowed in the fuel cell. In this case, compared with the case of parallel flow, generation of power generation distribution and temperature distribution in each fuel cell can be suppressed. Further, since the second reaction gas is heated when flowing on the side surface of the
燃料電池スタックの側面側に、第2の反応ガス流路を形成する板状の流路画定部材を備えていてもよい。第2の反応ガス流路は、第2の反応ガスが流路画定部材の外側を燃料電池セルにおける第2端側から第1端側に向かって流れた後、それぞれの燃料電池セルの外側において第1端側から第2端側に向けて流れるように構成されていてもよい。第1の反応ガス流路は、燃料電池セルの第2端に接続されたマニホールドに接続されていてもよい。燃料電池セルは、内側より燃料極、固体電解質、酸素極がこの順に積層されて構成されているとともに、第1の反応ガスが燃料極に供給される燃料ガスであって、第2の反応ガスが酸素極に供給される酸化剤ガスであってもよい。燃料電池セルの第2端側に、繊維質の緩衝部材を備えていてもよい。 A plate-like flow path defining member that forms the second reactive gas flow path may be provided on the side surface side of the fuel cell stack. The second reaction gas flow path is configured so that the second reaction gas flows outside the flow path defining member from the second end side to the first end side of the fuel cell, and then on the outside of each fuel cell. It may be configured to flow from the first end side toward the second end side. The first reaction gas flow path may be connected to a manifold connected to the second end of the fuel cell. The fuel battery cell is configured by laminating a fuel electrode, a solid electrolyte, and an oxygen electrode in this order from the inside, and the first reaction gas is a fuel gas supplied to the fuel electrode. May be an oxidant gas supplied to the oxygen electrode. A fibrous buffer member may be provided on the second end side of the fuel cell.
本発明によれば、燃料電池スタックにおける温度分布の発生を抑制することができる燃料電池モジュールを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell module which can suppress generation | occurrence | production of the temperature distribution in a fuel cell stack can be provided.
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
図1は、燃料電池セル10の断面を含む部分斜視図である。燃料電池セル10は、その全体形状が円筒平板型である。なお、燃料電池セル10の形状は円筒平板型に限られるものではなく、例えば円筒型であってもよい。なお、以下の説明において、第1の反応ガスとして燃料ガスを、第2の反応ガスとして酸化剤ガスを用いる構成の燃料電池セル10を用いて説明する。燃料電池セル10は、ガス透過性を有する導電性支持体11の内部に、軸方向に沿って貫通する複数の燃料ガス通路12(第1の反応ガス流路)が形成されている。導電性支持体11の外周面における一方の平面上に、燃料極13、固体電解質14、および酸素極15がこの順に積層されている。導電性支持体11の外周面における他方の平面上には、接合層16を介してインターコネクタ17が設けられ、その上に接触抵抗低減用のP型半導体層18が設けられている。
FIG. 1 is a partial perspective view including a cross section of the
燃料ガス通路12に水素を含む燃料ガスが供給されることによって、燃料極13に水素が供給される。一方、燃料電池セル10の周囲に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることによって、酸素極15に酸素が供給される。それにより、酸素極15及び燃料極13において下記の電極反応が生じることによって発電が行われる。発電反応は、例えば、600℃〜1000℃で行われる。
酸素極:1/2O2+2e−→O2−(固体電解質)
燃料極:O2−(固体電解質)+H2→H2O+2e−
When fuel gas containing hydrogen is supplied to the
Oxygen electrode: 1 / 2O 2 + 2e − → O 2− (solid electrolyte)
Fuel electrode: O 2− (solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e −
酸素極15の材料は、耐酸化性を有し、気体の酸素が固体電解質14との界面に到達できるように多孔質である。固体電解質14は、酸素極15から燃料極13へ酸素イオンO2−を移動させる機能を有する。固体電解質14は、酸素イオン導電性酸化物によって構成される。また、固体電解質14は、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するため、酸化/還元雰囲気中において安定でありかつ緻密質である。燃料極13は、還元雰囲気中で安定でありかつ水素との親和性を有するとともに、多孔質の材料によって構成される。インターコネクタ17は、燃料電池セル10同士を直列接続するために設けられており、燃料ガスと酸素含有ガスとを物理的に隔離するために緻密質である。
The material of the
例えば、酸素極15は、電子およびイオンの双方の導電性が高いランタンコバルタイト系のペロブスカイト型複合酸化物等から形成される。固体電解質14は、イオン導電性の高いY2O3を含有するZrO2(YSZ)等によって形成される。燃料極13は、電子導電性の高いNiとY2O3を含有するZrO2(YSZ)との混合物等によって形成される。インターコネクタ17は、電子導電性の高い、アルカリ土類酸化物を固溶したLaCrO3等によって形成される。これらの材料は、熱膨張率が互いに近いものが好適である。
For example, the
図2は、燃料電池スタック20を説明するための斜視図である。図2に示すように、燃料電池スタック20においては、複数の燃料電池セル10が互いに集電部材(図示せず)を介して積層されている。各燃料電池セル10は、酸素極15側とインターコネクタ17側とが対向するように積層される。なお、図2において、矢印は燃料ガスの流れを示し、太線矢印は酸化剤ガスの流れを示す。
FIG. 2 is a perspective view for explaining the
図3は、燃料電池スタック20側面に設けられる流路画定部材21について説明するための図である。図3(a)は、燃料電池スタック20、流路画定部材21およびマニホールド40の斜視図である。図3(b)は、(a)に示す燃料電池スタック20、流路画定部材21およびマニホールド40の一部を抜粋して示す平面図である。
FIG. 3 is a view for explaining the flow
図3(a)に示すように、マニホールド40上に2組の燃料電池スタック20が並列配置されて固定されている。マニホールド40内に形成された空間と図1で説明した燃料ガス通路12とは連通している。それにより、各燃料電池セル10においては、マニホールド40側からマニホールド40と反対側にかけて燃料ガス通路12内を流動する。
As shown in FIG. 3A, two sets of fuel cell stacks 20 are arranged in parallel and fixed on the
また、図3(a)および図3(b)においては、各燃料電池スタック20の対向する側面側(燃料電池セル10の積層方向に沿った側面のうち対向する側面側)に、流路画定部材21が設けられている。流路画定部材21は、板状部材であって、各燃料電池スタック20の対向する側面全体を覆っていることが好ましい。流路画定部材21は、燃料電池セル10と接触する場合には、各燃料電池セル10の短絡防止のため、セラミックス等の絶縁体または表面に絶縁処理が施された金属からなることが好ましい。
3 (a) and 3 (b), the flow path is defined on the opposite side surface side of each fuel cell stack 20 (on the opposite side surface side in the stacking direction of the fuel cells 10). A
図4は、本例に係る燃料電池モジュール100の全体構成を説明するための断面図である。図4に示すように、燃料電池モジュール100は、酸化剤ガスが流動するための流路を形成する2重壁からなるケーシング60によって、燃料電池スタック20、改質器30、マニホールド40、および燃焼部70が囲まれた構造を有する。なお、本例においては、燃料電池モジュール100において、燃料電池スタック20のマニホールド40側を下方とし、マニホールド40と反対側を上方とする。また、各燃料電池セル10の上方端を第1端とし、下方端を第2端とする。
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining the overall configuration of the
各燃料電池スタック20の上端部には、上部断熱部材61が配置されている。本例においては、各燃料電池セル10の上端部が上部断熱部材61を貫通している。また、各燃料電池スタック20の外側の側面には、側部断熱部材62が配置されている。この構成により、各燃料電池スタック20からの放熱が抑制される。
An upper
改質器30は、マニホールド40下に配置されている。改質器30は、気化部、加熱部、および改質部を含む。気化部は、後述する燃料オフガスの燃焼熱を利用して改質水を蒸発させる空間部である。加熱部は、燃料オフガスの燃焼熱によって改質水および炭化水素系燃料を加熱する空間部である。改質部は、改質水と炭化水素系燃料との水蒸気改質反応を生じさせるための空間部である。改質部には、改質触媒が配置されている。改質器30において生成された改質ガス(燃料ガス)は、マニホールド40を介して各燃料電池セル10の燃料ガス通路12に供給される。
The
燃焼部70は、改質器30下に配置されている。燃焼部70は、燃料電池セル10の発電に供された後の燃料ガス(燃料オフガス)と発電に供された後の酸化剤ガス(酸化剤オフガス)とが合流する空間部である。燃料オフガスには未燃の水素等の可燃物が含まれていることから、燃料オフガスは、酸化剤オフガスに含まれる酸素を利用して燃焼する。燃焼部70の燃焼熱は、改質器30に供給される。それにより、改質器30における改質反応が促進される。燃焼部70の燃焼オフガスは、ケーシング60の底面から外部に排出される。
The
ケーシング60への酸化剤ガスの入口は、ケーシング60の底面に設けられている。この場合、燃焼部70の燃焼オフガスと酸化剤ガスとの熱交換を一箇所に集中させることができる。それにより、燃焼オフガスと酸化剤ガスとが燃料電池モジュール100全体を包む構造に対して、熱交換部の外表面積を低減させることができる。その結果、燃料電池モジュール100からの放熱が抑制され、燃料電池スタック20の発電効率が向上する。
The inlet of the oxidizing gas to the
酸化剤ガスは、ケーシング60の側部の流路を通って、各燃料電池スタック20の上方に流動する。この場合、燃焼オフガスと酸化剤ガスとが燃料電池モジュール100全体を包む構造に対して、燃料電池モジュール100の外表面温度が低下する。それにより、燃料電池モジュール100からの放熱が抑制され、燃料電池スタック20の発電効率が向上する。
The oxidant gas flows through the flow path on the side of the
その後、酸化剤ガスは、一方の燃料電池スタック20と他方の燃料電池スタック20との間に設けられた酸化剤ガス導入部材63を通って下方に流れて、燃料電池スタック20の側面側より供給される。なお、本例においては酸化剤ガス導入部材63が第2の反応ガスを燃料電池スタック20の側面側より供給するための第2の反応ガス供給部材に相当し、燃料電池スタック20の側面側に沿った板状の部材から構成されている。その後、酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入部材63と各流路画定部材21との間の空間を通って上方に流動し、各燃料電池スタック20に上端部側から供給される。側部断熱部材62が配置されていることから、酸化剤ガスは、各燃料電池セル10の第1端側から第2端側に向かって流れる。一方、燃料ガスは、燃料ガス通路12内を、第2端側から第1端側に向かって流れる。
Thereafter, the oxidant gas flows downward through the oxidant
したがって、各燃料電池セル10においては、酸化剤ガスが第1端側から第2端側に流れ、燃料ガスが第2端側から第1端側に流れる。すなわち、燃料ガスの流れ酸化剤ガスの流れとが対向流となる。この場合、並行流の場合と比較して、各燃料電池セル10における発電分布および温度分布の発生を抑制することができる。それにより、各燃料電池セル10における発電効率および耐久性が向上するとともに、燃料電池スタック20において温度分布の発生を抑制することができる。
Accordingly, in each
また、酸化剤ガスは、燃料電池スタック20の側面側に配置された流路画定部材21によって画定された第2の反応ガス流路を、燃料電池セル10における第2端側から第1端側に向かって流れる。したがって、燃料電池スタック20と熱交換された酸化剤ガスが各燃料電池セル10の第1端側に供給される。この場合、各燃料電池セル10に供給される酸化剤ガスは加熱されている。それにより、各燃料電池セル10の酸化剤ガス供給口付近の温度低下が抑制される。また、流路画定部材21の外側を流れる酸化剤ガスと燃料電池スタック20との熱交換によって、燃料電池スタック20の中央部付近の高温化が抑制される。その結果、各燃料電池セル10における温度分布の発生をより抑制することができ、燃料電池スタック20における温度分布の発生をより抑制することができる。
Further, the oxidant gas passes through the second reaction gas flow path defined by the flow
特に、本例においては酸化剤ガス導入部材63が各燃料電池スタック20の間に設けられていることから、酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入部材63を流れる過程においても燃料電池スタック20と熱交換する。それにより、各燃料電池セル10における温度分布の発生をより抑制することができ、燃料電池スタック20における温度分布の発生をより抑制することができる。
In particular, in this example, since the oxidant
発電に供された後の酸化剤オフガスは、燃焼部70に流入する。燃料オフガスは、側部断熱部材62とケーシング60との間を下方に流れ、燃焼部70に流入する。この場合、ケーシング60内を流れる酸化剤ガスは、燃料オフガスによって加熱される。それにより、各燃料電池セル10における温度分布の発生をより抑制することができ、燃料電池スタック20における温度分布の発生をより抑制することができる。
The oxidant off-gas after being used for power generation flows into the
なお、本例においては、酸化剤ガス導入部材63と流路画定部材21との間の空間と、側部断熱部材62と流路画定部材21との間の空間とが、第2の反応ガス流路(酸化剤ガス流路)として機能する。また、燃料ガス通路12が、第1の反応ガス流路(燃料ガス流路)に相当する。
In this example, the space between the oxidant
図5(a)は、例2に係る燃料電池モジュール100aの全体構成を説明するための断面図である。図5(a)に示すように、燃料電池モジュール100aが図4の燃料電池モジュール100と異なる点は、蛇行流路80が設けられている点である。
FIG. 5A is a cross-sectional view for explaining the overall configuration of the fuel cell module 100a according to Example 2. FIG. As shown in FIG. 5A, the fuel cell module 100a is different from the
図5(b)は、(a)に示す蛇行流路80を説明するための分解斜視図である。図5(b)に示すように、蛇行流路80は、酸化剤ガスが、各燃料電池スタック20の間の中央部を複数回折り返して流れるように構成される。さらに、蛇行流路80は、酸化剤ガスが下方に向けて複数回折り返して流れた後、流路画定部材21に沿って、下方から上方に複数回折り返して流れるように構成される。この場合、酸化剤ガスと燃料電池セル10との熱交換が改善される。その結果、各燃料電池セル10における温度分布の発生をより抑制することができ、燃料電池スタック20における温度分布の発生をより抑制することができる。なお、本例においては蛇行流路80が第2の反応ガスを燃料電池スタック20の側面側より供給するための第2の反応ガス供給部材に相当する。
FIG. 5B is an exploded perspective view for explaining the meandering flow path 80 shown in FIG. As shown in FIG. 5 (b), the meandering flow path 80 is configured such that the oxidant gas flows in a central portion between the fuel cell stacks 20 by being bent a plurality of times. Further, the meandering flow path 80 is configured such that after the oxidant gas flows by being refracted multiple times downward, it flows along the flow
図6(a)は、例3に係る燃料電池モジュール100bの全体構成を説明するための断面図である。図6(a)に示すように、燃料電池モジュール100bが図4の燃料電池モジュール100と異なる点は、上部断熱部材61の代わりに緩衝部材61bが設けられている点である。緩衝部材61bは、絶縁性および弾力性を有する材料からなる。緩衝部材61bは、例えば、セラミックス繊維またはセラミックス成型材(気孔率10%程度)である。この場合のセラミックスとしては、セラミックスを構成する各組成の合計量100%に対して、SiO2を60%、Al2O3を30〜40%、ZrO2を0〜10%含むものを用いることができる。緩衝部材61bは、ガス不透過性を有することが好ましいが、ガス透過に伴うH2燃焼が、効率低下等に実質的に問題とならない程度のガスリークを許容してもよい。
FIG. 6A is a cross-sectional view for explaining the overall configuration of the
図6(b)は、いずれか一方の緩衝部材61bと燃料電池スタック20との一部を抜粋して示す平面図である。図6(b)に示すように、各燃料電池セル10の上端は、緩衝部材61bを貫通している。この構成によれば、各燃料電池セル10の熱膨張に起因する伸縮を吸収することができる。したがって、各燃料電池セル10の上端および下端における各反応ガスの隔離を維持しつつ、各燃料電池セル10の破壊を抑制することができる。燃料ガスと酸化剤ガスとが隔離されるため、各反応ガスの配管レイアウトの選択幅が増え、燃焼部70の配置自由度が向上する。
FIG. 6B is a plan view illustrating a part of one of the
図7は、例4に係る燃料電池モジュール100cの全体構成を説明するための断面図である。図7に示すように、燃料電池モジュール100cが図4の燃料電池モジュール100と異なる点は、燃料電池スタック20が1つ配置されている点である。このように、燃料電池スタック20の個数は特に限定されるものではない。
FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining the overall configuration of the
本例においては、流路画定部材21は、燃料電池スタック20の両側面に配置されている。また、各流路画定部材21の外側に、ケーシング60の上部から下方に伸びる酸化剤ガス導入部材63cが設けられている。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入部材63cを通って下方に流れた後、酸化剤ガス導入部材63cと流路画定部材21との間の空間を通って上方に流れ、各燃料電池セル10の第1端側に供給される。
In this example, the flow
この構成においても、各燃料電池セル10において酸化剤ガスの流れと燃料ガスの流れとが対向流となることによって、各燃料電池セル10における発電分布および温度分布の発生を抑制することができ、燃料電池スタック20における温度分布の発生をより抑制することができる。それにより燃料電池スタック20における発電効率および耐久性が向上する。また、酸化剤ガスは、燃料電池スタック20の側部外側において流路画定部材21によって画定された流路を第2端側から第1端側に向かって流れる。したがって、燃料電池スタック20と熱交換された酸化剤ガスが各燃料電池セル10の第1端側に供給される。この場合、各燃料電池セル10の酸化剤ガス供給口付近の温度低下が抑制される。また、流路画定部材21の外側を流れる酸化剤ガスと燃料電池スタック20との熱交換によって、燃料電池スタック20の中央部付近の高温化が抑制される。その結果、各燃料電池セル10における温度分布の発生をより抑制することができ、燃料電池スタック20における温度分布の発生をより抑制することができる。
Even in this configuration, the flow of the oxidant gas and the flow of the fuel gas in each
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、上述の例においては、第1の反応ガスとして燃料ガスを、第2の反応ガスとして酸化剤ガスを用いる場合の燃料電池モジュールの例を示したが、第1の反応ガスとして酸化剤ガスを、第2の反応ガスとして燃料ガスを用いることもできる。この場合においては、内側より酸素極、固体電解質、燃料極がこの順に積層された燃料電池セルを用いることがよい。 Although the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and improvements can be made without departing from the scope of the present invention. . For example, in the above-described example, the example of the fuel cell module in the case where the fuel gas is used as the first reaction gas and the oxidant gas is used as the second reaction gas is shown, but the oxidant gas is used as the first reaction gas. The fuel gas can also be used as the second reaction gas. In this case, it is preferable to use a fuel battery cell in which an oxygen electrode, a solid electrolyte, and a fuel electrode are stacked in this order from the inside.
10 燃料電池セル
20 燃料電池スタック
30 改質器
40 マニホールド
60 ケーシング
61 上部断熱部材
62 側部断熱部材
70 燃焼部
100 燃料電池モジュール
DESCRIPTION OF
Claims (6)
内部に第1の反応ガスを第2端側から第1端側に向けて流すための第1の反応ガス流路を備える燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの側面側より第2の反応ガスを供給するための第2の反応ガス供給部材と、
前記燃料電池スタックの側面側に供給された前記第2の反応ガスが、それぞれの前記燃料電池セルの外側において第1端側から第2端側に向けて流れるように構成された第2の反応ガス流路と、
を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。 In the casing,
A fuel cell stack formed by laminating a plurality of fuel cells each having a first reaction gas flow path for flowing the first reaction gas from the second end side toward the first end side inside;
A second reaction gas supply member for supplying a second reaction gas from a side surface side of the fuel cell stack;
The second reaction gas is configured such that the second reaction gas supplied to the side surface side of the fuel cell stack flows from the first end side toward the second end side outside each of the fuel cell units. A gas flow path;
A fuel cell module comprising:
The fuel cell module according to any one of claims 1 to 5, further comprising a fibrous buffer member on the first end side of the fuel cell.
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