JP2015095300A

JP2015095300A - 燃料電池モジュール

Info

Publication number: JP2015095300A
Application number: JP2013232730A
Authority: JP
Inventors: 智信中村; Tomonobu Nakamura; 公博水上; Kimihiro Mizukami; 泰啓佐用; Yasuhiro Sayo; 陽介朝重; Yosuke Asashige; 稲岡　正人; Masato Inaoka; 正人稲岡
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2015-05-18

Abstract

【課題】原料ガスの偏流を抑えることにより、発電効率を高めた燃料電池モジュールを提供する。【解決手段】ハウジング１２には、熱交換器２２と改質器２４と燃料電池スタック３０とが収められる。改質器２４は、水蒸気を用いて燃料ガスを水素ガスに改質する。燃料電池スタック３０は、改質器２４によって改質された水素ガスと空気とに基づいて電力を発生する。熱交換器２２は、燃料電池スタックから排出された水素ガスおよび空気に基づく燃焼ガスの熱を空気に伝える。ハウジング１２は、燃料電池スタック３０よりも下側に設けられて燃焼ガスを排出する排気孔３４を有する。【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池モジュールに関し、特に、有酸素ガスと改質器によって改質された水素ガスとに基づいて電力を発生する、燃料電池モジュールに関する。

この種の燃料電池モジュールの一例が特許文献１に開示されている。この背景技術によれば、燃焼ガス入口ポートから近い部分では燃焼ガス入口ポートから遠い部分に比べて燃焼ガスおよび発電用空気が通過し難くなるように、有孔板が設置される。これによって、燃焼ガスおよび発電用空気の流れが燃焼ガス入口ポートの方向へ指向する指向性が弱められる。また、燃焼ガスおよび発電用空気が燃焼ガス入口ポートへ向けて偏って流れる（偏流が生じる）ことが防止される。燃焼ガスおよび発電用空気は複数の燃料電池セルに均一に供給され、これによって燃料電池装置の発電効率が向上する。

特開２０１２−１４９２２号公報

しかし、背景技術では、燃料電池性能に直接関係のない有孔板を設置するようにしているため、コストが上昇するとともに、有孔板を設置するスペースが必要となる。また、有孔板はセルに直接接続できないので、セルと有孔板との間に隙間が生じる。この結果、偏流を十分に抑えることができず、つまり燃料ガスおよび発電用空気を十分に整流できず、燃料電池装置の発電効率が伸び悩むおそれがある。

それゆえに、この発明の主たる目的は、発電効率を高めることができる、燃料電池モジュールを提供することである。

この発明に従う燃料電池モジュール(10：実施例で相当する参照符号。以下同じ)は、水蒸気を用いて燃料ガスを水素ガスに改質する改質器(24)、改質器によって改質された水素ガスと有酸素ガスとに基づいて電力を発生する燃料電池スタック(30)、燃料電池スタックから排出された水素ガスおよび有酸素ガスに基づく燃焼ガスの熱を有酸素ガスに伝える熱交換器(20)、および改質器と燃料電池スタックと熱交換器とを収めるハウジング(12)を備える燃料電池モジュール(10)であって、ハウジングは燃料電池スタックよりも下側に設けられて燃焼ガスを排出する第１排気孔(34)を有する。

好ましくは、ハウジングに収められて燃料電池スタックの下側から燃料電池スタックを支持するベース(32)がさらに備えられ、第１排気孔は水平方向から眺めてベースと重なる位置に設けられる。

好ましくは、ハウジングは第１排気孔よりも上側に設けられて燃焼ガスを排出する１または２以上の第２排気孔(36, 38)がさらに備えられる。

さらに好ましくは、１または２以上の第２排気孔の各々の開口度を調整する調整機構(40, 42)がさらに備えられる。

好ましくは、燃料電池スタックは固体電解質形である。

燃料ガスは、燃料電池スタックから排出された水素ガスおよび有酸素ガスに基づいて発生する。また、発生した燃焼ガスは高温であり、ハウジング内の上部に移動する傾向にある。これを踏まえて、燃焼ガスを排出するための排気孔は、燃料電池スタックよりも下側に設けられる。これによって、燃焼ガスの自然対流（上方への流れ）に逆らった流れがハウジング内に形成される。ハウジング内の上下方向における温度分布すなわち燃料電池スタックの温度分布は自然対流に逆らった流れによって低減され、この結果、発電効率が向上する。換言すれば、燃料電池スタックが局所的に温まることによる発電特性の低下が抑えられる。

この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。

この実施例の燃料電池モジュールの構成を示す平面図である。（Ａ）は図１に示す燃料電池モジュールのＡ−Ａ断面図であり、（Ｂ）は図１に示す燃料電池モジュールのＢ−Ｂ断面図である。（Ａ）は図１に示す燃料電池モジュールのＣ−Ｃ断面図であり、（Ｂ）は図１に示す燃料電池モジュールのＤ−Ｄ断面図である。図１に示す燃料電池モジュールに適用される燃料電池スタックの一例を示す斜視図である。図４に示す燃料電池スタックの一部を分解した状態を示す分解図である。図１に示す燃料電池モジュールの排気動作の一例を示す図解図である。他の実施例の燃料電池モジュールの或る断面を示す断面図である。図７に示す燃料電池モジュールの或る側面を示す側面図である。

図１，図２（Ａ）〜図２（Ｂ）および図３（Ａ）〜図３（Ｂ）を参照して、この実施例の燃料電池モジュール１０は、固体酸化物形（ＳＯＦＣ形）の燃料電池モジュールであり、断熱性（＝熱伝導率が低い性質）を有して直方体をなすハウジング１２を含む。ハウジング１２の内側には、燃焼室ＲＭが形成される。ハウジング１２にはまた、その外側から内側に貫通するパイプ１４，１６および１８が設けられる。

この実施例では、ハウジング１２をなす直方体の幅方向，奥行き方向および高さ方向にＸ軸，Ｙ軸およびＺ軸をそれぞれ割り当てる。すると、パイプ１４，１６および１８はいずれも、Ｚ軸方向の負側を向く面に設けられる。空気（有酸素ガス）はパイプ１４を経て取り込まれ、改質用水はパイプ１６を経て取り込まれ、メタンガス（燃焼ガス）はパイプ１８を経て取り込まれる。

パイプ１４の一方端はハウジング１２の外側に突出し、パイプ１４の他方端はハウジング１２の内側（＝燃焼室ＲＭ側）に突出する。また、パイプ１６の一方端はハウジング１２の外側に突出し、パイプ１６の他方端はハウジング１２の内側に突出する。さらに、パイプ１８の一方端はハウジング１２の外側に突出し、パイプ１８の他方端はハウジング１２の内側に突出する。

燃焼室ＲＭには、熱交換器２０，気化器２２，改質器２４および燃料電池スタック３０が設けられる。図２（Ａ）〜図２（Ｂ）および図３（Ａ）〜図３（Ｂ）から分かるように、燃焼電池スタック３０はベース３２によって支持される。したがって、燃料電池スタック３０は、燃焼室ＲＭの床面よりも高い位置に設けられる。ベース３２は支柱状であっても、内部に空洞を有する筒状や箱状であってもよい。

パイプ１４の他方端は熱交換器２０の給気孔に接続され、パイプ１６の他方端は気化器２２の吸水孔に接続され、パイプ１８の他方端は改質器２４に設けられたメタンガス用の給気孔に接続される。また、熱交換器２０の排気孔は、燃料電池スタック３０に設けられた空気用の吸気孔にパイプ２６によって接続される。さらに、気化器２２の排気孔は改質器２４に設けられた水蒸気用の吸気孔に接続され、改質器２４の排気孔は燃料電池スタック３０に設けられた水素ガス用の吸気孔にパイプ２８によって接続される。

熱交換器２０は、Ｘ軸方向の正側を向くハウジング１２の内壁の内部に設けられ、パイプ１４によって取り込まれた空気に燃料電池スタック３０の輻射熱を伝える。空気の温度は、燃料電池スタック３０の動作温度（＝約７５０℃）付近まで上昇する。

気化器２２は、Ｙ軸方向の正側を向くハウジング１２の内壁の近くに設けられ、パイプ１６によって取り込まれた改質用水を気化する。気化には、燃料電池スタック３０の輻射熱または燃焼室ＲＭの熱が利用される。なお、燃焼室ＲＭの温度は約７００℃を示す。

気化器２２によって発生した水蒸気は、パイプ１８によって取り込まれたメタンガスとともに改質器２４に供給される。改質器２４では、メタンガスおよび水蒸気が化学式１および２によって水素ガスおよび炭酸ガスに変換される。ここで、改質器２４の反応は吸熱反応であり、改質器２４は燃料電池スタック３０の輻射熱および燃焼室ＲＭの熱を利用して改質を行う。
［化１］
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
［化２］
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２

熱交換器２０から排出された空気は、パイプ２６を経た後、燃料電池スタック３０の下側から燃料電池スタック３０に供給される。また、改質器２４によって発生した水素ガスは、パイプ２８を経た後、燃料電池スタック３０の下側から燃料電池スタック３０に供給される。

なお、図４および図５に示すように、燃料電池スタック３０は、Ｚ軸方向に積層された複数の燃料電池セル３０ｃｌ，３０ｃｌ，…と、最上位の燃料電池セル３０ｃｌに積層されたエンドプレート３０ｅｐとによって構成される。

燃料電池スタック３０の空気極および燃料極では、化学式３および４に従う化学反応が生じる。この結果、燃料電池スタック３０をなす２つの最外層に、プラス電圧およびマイナス電圧がそれぞれ発生する。発生したプラス電圧およびマイナス電圧は、図示しない端子を経て出力される。
［化３］
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−
［化４］
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻

化学式３および４に従う化学反応によって消費されなかった空気および水素ガスは、燃焼電池スタック３０の外部に排出される。空気はＸ軸方向の正側を向く燃焼電池スタック３０の側面から排出され、水素ガスはＹ軸方向に負側を向く燃料電池スタック３０の側面から排出される。

ただし、燃料電池スタック３０は約７５０℃で動作し、燃焼室ＲＭは約７００℃の温度を示すため、排出された空気および水素ガスは燃料電池スタック３０の近傍（詳しくは燃料電池スタック３０と気化器２２との間の位置）で燃焼される。この燃焼によって、燃料電池スタック３０の動作温度が確保され、さらに熱交換器２０，気化器２２および改質器２４が上述した所望の機能を奏する。

空気および水素ガスの燃焼によって生じた排ガスは、ハウジング１２に設けられた排気孔３４を経てハウジング１２の外部に排出される。排気孔３４は、Ｘ軸方向の負側を向くハウジング１２の側面のうち、燃焼電池スタック３４よりも下側でかつパイプ２６よりもＹ軸方向の正側の位置に設けられる。より詳しくは、排気孔３４は、水平方向から眺めてベース３２と重なる位置で、かつ燃料電池スタック３０から排出された空気および水素ガスの燃焼位置から隠れる位置に設けられる。したがって、図６に示すように、燃焼ガスは、燃料電池３０の側部および下部を経て排気孔３４から排出される。

以上の説明から分かるように、ハウジング１２には、熱交換器２２と改質器２４と燃料電池スタック３０とが収められる。改質器２４は、水蒸気を用いて燃料ガスを水素ガスに改質する。燃料電池スタック３０は、改質器２４によって改質された水素ガスと空気とに基づいて電力を発生する。熱交換器２２は、燃料電池スタックから排出された水素ガスおよび空気に基づく燃焼ガスの熱を空気に伝える。ハウジング１２は、燃料電池スタック３０よりも下側に設けられて燃焼ガスを排出する排気孔３４を有する。

このように、燃料ガスは、燃料電池スタック３０から排出された水素ガスおよび空気に基づいて発生する。また、発生した燃焼ガスは高温であり、ハウジング１２内の上部に移動する傾向にある。これを踏まえて、燃焼ガスを排出するための排気孔３４は、燃料電池スタック３０よりも下側に設けられる。これによって、燃焼ガスの自然対流（上方への流れ）に逆らった流れがハウジング１２内に形成される。ハウジング１２内の上下方向における温度分布すなわち燃料電池スタック３０の温度分布は自然対流に逆らった流れによって低減され、この結果、発電効率が向上する。換言すれば、燃料電池スタック３０が局所的に温まることによる発電特性の低下が抑えられる。

また、燃料電池スタック３０の温度分布の低減は、クラック等の不具合の解消にも貢献する。さらに、ハウジング１２に形成する排気孔３４の位置によって温度分布を制御できるため、温度分布の制御にかかるコストが抑えられる。また、排気孔３４によって燃焼ガスの流れを制御するようにしているため、燃焼室ＲＭがカーブ状に形成されていたり凹凸を有したりする場合でも、燃料電池スタック３０の温度分布を低減することができる。

なお、この実施例では、燃料電池スタック３０よりも下側に単一の排気孔３４を設けるようにしている。しかし、図７および図８に示すように、ハウジング１２の側面を貫通する排気孔３６および３８を排気孔３４よりも上側の位置に追加的に設け、排気孔３６の開口度を可動式のシャッタ４０によって調整するとともに、排気孔３８の開口度を可動式のシャッタ４２によって調整するようにしてもよい。これによって、自然対流に逆らった燃焼ガスの対流を微調整することができる。排気孔３４だけでは燃焼室ＲＭの下部の温度が高くなり過ぎるおそれがあるところ、上述の構成を採用することで燃料電池スタック３０の温度分布を適応的に低減することができる。

１０ …燃料電池モジュール
１２ …ハウジング
２０ …熱交換器
２２ …気化器
２４ …改質器
３０ …燃料電池スタック
３４ …排気孔（第１排気孔）
３６，３８ …排気孔（第２排気孔）
４０，４２ …シャッタ（調整機構）

Claims

水蒸気を用いて燃料ガスを水素ガスに改質する改質器、
前記改質器によって改質された水素ガスと有酸素ガスとに基づいて電力を発生する燃料電池スタック、
前記燃料電池スタックから排出された水素ガスおよび有酸素ガスに基づく燃焼ガスの熱を前記有酸素ガスに伝える熱交換器、および
前記改質器と前記燃料電池スタックと前記熱交換器とを収めるハウジングを備える燃料電池モジュールであって、
前記ハウジングは前記燃料電池スタックよりも下側に設けられて前記燃焼ガスを排出する第１排気孔を有する、燃料電池モジュール。
前記ハウジングに収められて前記燃料電池スタックの下側から前記燃料電池スタックを支持するベースをさらに備え、
前記第１排気孔は水平方向から眺めて前記ベースと重なる位置に設けられる、請求項１記載の燃料電池モジュール。
前記ハウジングは前記第１排気孔よりも上側に設けられて前記燃焼ガスを排出する１または２以上の第２排気孔をさらに備える、請求項１または２記載の燃料電池モジュール。
前記１または２以上の第２排気孔の各々の開口度を調整する調整機構をさらに備える、請求項３記載の燃料電池モジュール。
前記燃料電池スタックは固体電解質形である、請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池モジュール。