JP2018181405A - Fuel cell power generation module - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書によって開示される技術は、燃料電池発電モジュールに関する。 The technology disclosed by the present specification relates to a fuel cell power generation module.
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の1つとして、固体酸化物形の燃料電池(以下、「SOFC」という)が知られている。SOFCの構成単位である単セルは、電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向(以下、「第1の方向」という)に互いに対向する空気極および燃料極とを含む。一般に、SOFCは、上記第1の方向に並べて配置された複数の単セルを備える燃料電池スタックの形態で利用される。 A solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as "SOFC") is known as one of fuel cells that generate electric power using an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen. A unit cell, which is a constituent unit of SOFC, includes an electrolyte layer, and an air electrode and a fuel electrode which face each other in a predetermined direction (hereinafter, referred to as "first direction") with the electrolyte layer interposed therebetween. In general, the SOFC is utilized in the form of a fuel cell stack including a plurality of single cells arranged in the first direction.
燃料電池スタックには、各種のマニホールド(ガス流路)が形成されている。具体的には、燃料電池スタックには、各単セルの空気極に面する空気室へ酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給マニホールド、各空気室から排出された酸化剤オフガスを外部に排出するための酸化剤ガス排出マニホールド、各単セルの燃料極に面する燃料室へ燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールド、および、各燃料室から排出された燃料オフガスを外部に排出するための燃料ガス排出マニホールドが形成されている。 Various manifolds (gas flow paths) are formed in the fuel cell stack. Specifically, in the fuel cell stack, an oxidant gas supply manifold for supplying oxidant gas to the air chamber facing the air electrode of each unit cell, the oxidant off gas discharged from each air chamber to the outside An oxidant gas discharge manifold for discharging, a fuel gas supply manifold for supplying fuel gas to the fuel chamber facing the fuel electrode of each single cell, and a fuel off gas discharged from each fuel chamber are discharged to the outside A fuel gas discharge manifold is formed.
また、燃料電池スタックの近傍に、補助器が設置されることがある。補助器の内部には、例えば、燃料電池スタックから排出された排ガスを燃焼させる燃焼室や、原燃料ガスを改質して燃料電池スタックに供給する燃料ガスを生成する改質室が形成されている。補助器は、排ガスの燃焼に伴い熱を発する。なお、本明細書では、燃料電池スタックと補助器とを備える構成を、燃料電池発電モジュールという。 In addition, an auxiliary may be installed near the fuel cell stack. For example, a combustion chamber for burning the exhaust gas discharged from the fuel cell stack and a reforming chamber for reforming the raw fuel gas to generate the fuel gas to be supplied to the fuel cell stack are formed inside the auxiliary unit. There is. The auxiliaries generate heat as the exhaust gas burns. In the present specification, a configuration including a fuel cell stack and an auxiliary device is referred to as a fuel cell power generation module.
一般に、補助器は、第1の方向(複数の単セルの配列方向)において燃料電池スタックに対向する位置に配置される(例えば、特許文献1参照)。 Generally, the auxiliary unit is disposed at a position facing the fuel cell stack in a first direction (arrangement direction of a plurality of single cells) (see, for example, Patent Document 1).
燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスおよび燃料ガスは、燃料電池スタックの外部から導入されるため、比較的低温である。また、燃料電池スタックの運転の際には、燃料ガス中の水素の利用率を高めるために、燃料ガスの供給量と比較して、酸化剤ガスの供給量が大きい値に設定される。そのため、燃料電池スタックに含まれる各単セルにおける酸化剤ガス供給マニホールドの近くの領域は、多量の酸化剤ガスによって熱を奪われ、温度が低下しやすい。単セルにおける特定の領域の温度が低下すると、単セルの面内の温度分布の均一性が低下して(すなわち、単セルの各領域間での温度差が大きくなって)発電効率が低下し、その結果、燃料電池スタックの発電性能が低下する。 Since the oxidant gas and the fuel gas supplied to the fuel cell stack are introduced from the outside of the fuel cell stack, the temperature is relatively low. Further, at the time of operation of the fuel cell stack, in order to increase the utilization rate of hydrogen in the fuel gas, the amount of supply of the oxidant gas is set to a large value as compared with the amount of supply of the fuel gas. Therefore, the area near the oxidant gas supply manifold in each unit cell included in the fuel cell stack is easily deprived of heat by a large amount of oxidant gas, and the temperature is likely to be lowered. When the temperature of a specific area in a single cell decreases, the uniformity of the temperature distribution in the plane of the single cell decreases (that is, the temperature difference between each area of the single cell increases) and the power generation efficiency decreases. As a result, the power generation performance of the fuel cell stack is degraded.
上述した従来の構成の燃料電池発電モジュールでは、補助器が、第1の方向(複数の単セルの配列方向)において燃料電池スタックに対向する位置に配置されるため、補助器が発する熱は、単セルの面内の温度分布の均一性の改善にほとんど寄与しない。そのため、上記従来の構成の燃料電池発電モジュールでは、単セルの面内の温度分布の均一性の低下を原因として、燃料電池スタックの発電性能が低下する、という課題が存在する。なお、このような課題は、SOFCに限らず、他のタイプの燃料電池にも共通の課題である。 In the fuel cell power generation module of the conventional configuration described above, since the auxiliary is disposed at a position facing the fuel cell stack in the first direction (arrangement direction of a plurality of single cells), the heat generated by the auxiliary is It hardly contributes to the improvement of the uniformity of the temperature distribution in the plane of a single cell. Therefore, in the fuel cell power generation module of the conventional configuration, there is a problem that the power generation performance of the fuel cell stack is lowered due to the decrease in the uniformity of the temperature distribution in the plane of the single cell. In addition, such a subject is a subject common to not only SOFC but other types of fuel cells.
本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。 The present specification discloses a technology that can solve the above-described problems.
本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。 The technology disclosed in the present specification can be realized, for example, as the following form.
(1)本明細書に開示される燃料電池発電モジュールは、電解質層と前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とをそれぞれ含み、第1の方向に並べて配置された複数の単セルを有する燃料電池スタックと、熱源と、を備える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には、各前記単セルの前記空気極に面する空気室へ酸化剤ガスを供給するためのガス流路である酸化剤ガス供給マニホールドが形成されており、前記熱源の少なくとも一部分は、前記第1の方向に直交する方向視で、少なくとも1つの前記単セルと重なっており、かつ、前記第1の方向視で、前記燃料電池スタックの外形に外接する最小の仮想矩形を構成する4つの仮想辺の内、前記酸化剤ガス供給マニホールドの図心に最も近い前記仮想辺である特定仮想辺の少なくとも一部分と、前記特定仮想辺に直交する方向に対向している。本燃料電池発電モジュールでは、熱源の少なくとも一部分が、第1の方向に直交する方向視で、少なくとも1つの単セルと重なっており、かつ、第1の方向視で、酸化剤ガス供給マニホールドの図心に近い特定仮想辺の少なくとも一部分と、特定仮想辺に直交する方向に対向しているため、熱源から発せられる熱により、第1の方向に直交する方向視で熱源と重なる単セルにおける酸化剤ガス供給マニホールドの近くの領域の温度低下を抑制することができる。従って、本燃料電池発電モジュールによれば、単セルにおける面内の温度分布の均一性の低下を抑制することができ、その結果、燃料電池スタックの発電性能の低下を抑制することができる。 (1) The fuel cell power generation module disclosed in the present specification includes an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other with the electrolyte layer interposed therebetween, and a plurality of single fuel cells arranged in the first direction. In a fuel cell power generation module including a fuel cell stack having cells and a heat source, a gas flow for supplying an oxidant gas to an air chamber facing the air electrode of each unit cell in the fuel cell stack. An oxidant gas supply manifold, which is a channel, is formed, and at least a portion of the heat source overlaps with at least one of the unit cells in a direction orthogonal to the first direction, and the first Among the four virtual sides forming the smallest virtual rectangle circumscribing the outer shape of the fuel cell stack in the direction view, the virtual side closest to the centroid of the oxidant gas supply manifold At least a portion of a specific virtual edges that are opposed in a direction perpendicular to the specific virtual edge. In the fuel cell power generation module, at least a portion of the heat source overlaps the at least one unit cell in a direction orthogonal to the first direction, and a diagram of the oxidant gas supply manifold in the first direction. The oxidizing agent in a single cell overlapping with the heat source in a direction perpendicular to the first direction by heat emitted from the heat source because it faces at least a part of the specific imaginary side close to the heart in the direction orthogonal to the specific imaginary side The temperature drop in the area near the gas supply manifold can be suppressed. Therefore, according to the present fuel cell power generation module, it is possible to suppress the decrease in the uniformity of the temperature distribution in the surface of the single cell, and as a result, it is possible to suppress the decrease in the power generation performance of the fuel cell stack.
(2)上記燃料電池発電モジュールにおいて、前記第1の方向視で、前記燃料電池スタックの外形は、少なくとも一部分が前記酸化剤ガス供給マニホールドの図心を挟んで前記単セルと対向する直線状の辺を少なくとも1つ有する構成としてもよい。本燃料電池発電モジュールによれば、熱源から発せられる熱により、第1の方向に直交する方向視で熱源と重なる単セルにおける酸化剤ガス供給マニホールドの近くの領域の温度低下を効果的に抑制することができる。従って、本燃料電池発電モジュールによれば、単セルにおける面内の温度分布の均一性の低下を効果的に抑制することができ、その結果、燃料電池スタックの発電性能の低下を効果的に抑制することができる。 (2) In the fuel cell power generation module, in the first direction, the outer shape of the fuel cell stack has a linear shape in which at least a part thereof opposes the single cell across the center of the oxidant gas supply manifold. It may be configured to have at least one side. According to the fuel cell power generation module, the heat generated from the heat source effectively suppresses the temperature drop in the region near the oxidant gas supply manifold in the unit cell overlapping the heat source in the direction perpendicular to the first direction. be able to. Therefore, according to the present fuel cell power generation module, it is possible to effectively suppress the decrease in the uniformity of the in-plane temperature distribution in the unit cell, and as a result, the decrease in the power generation performance of the fuel cell stack is effectively suppressed. can do.
(3)上記燃料電池発電モジュールにおいて、前記仮想矩形は、長方形であり、前記特定仮想辺は、前記長方形の短辺である構成としてもよい。本燃料電池発電モジュールでは、酸化剤ガス供給マニホールドの図心に近い特定仮想辺が、仮想矩形としての長方形の短辺であるため、単セルの面内の温度分布の均一性が低下しやすく、その結果、燃料電池スタックの発電性能が低下しやすい構成である。本燃料電池発電モジュールによれば、そのような燃料電池スタックの発電性能が低下しやすい構成においても、熱源から発せられる熱により、第1の方向に直交する方向視で熱源と重なる単セルにおける酸化剤ガス供給マニホールドの近くの領域の温度低下を抑制することによって単セルにおける面内の温度分布の均一性の低下を抑制することができ、その結果、燃料電池スタックの発電性能の低下を抑制することができる。 (3) In the fuel cell power generation module, the virtual rectangle may be a rectangle, and the specific virtual side may be a short side of the rectangle. In this fuel cell power generation module, since the specific imaginary side close to the centroid of the oxidant gas supply manifold is the short side of the rectangle as an imaginary rectangle, the uniformity of the temperature distribution in the plane of the single cell is likely to deteriorate. As a result, the power generation performance of the fuel cell stack is easily reduced. According to the fuel cell power generation module, even in a configuration in which the power generation performance of the fuel cell stack tends to deteriorate, the heat generated from the heat source causes oxidation in a single cell overlapping the heat source in a direction perpendicular to the first direction. By suppressing the temperature decrease in the region near the agent gas supply manifold, it is possible to suppress the decrease in the uniformity of the temperature distribution in the surface of the single cell, and as a result, the decrease in the power generation performance of the fuel cell stack be able to.
(4)上記燃料電池発電モジュールにおいて、前記長方形の長辺の長さは、150mm以上である構成としてもよい。本燃料電池発電モジュールでは、仮想矩形としての長方形の長辺がある程度長いため、単セルの面内の温度分布の均一性がさらに低下しやすく、その結果、燃料電池スタックの性能がさらに低下しやすい構成である。本燃料電池発電モジュールによれば、そのような燃料電池スタックの発電性能がさらに低下しやすい構成においても、熱源から発せられる熱により、第1の方向に直交する方向視で熱源と重なる単セルにおける酸化剤ガス供給マニホールドの近くの領域の温度低下を抑制することによって単セルにおける面内の温度分布の均一性の低下を抑制することができ、その結果、燃料電池スタックの発電性能の低下を抑制することができる。 (4) In the fuel cell power generation module, the long side of the rectangle may have a length of 150 mm or more. In this fuel cell power generation module, since the long side of the rectangle as a virtual rectangle is long to some extent, the uniformity of the temperature distribution in the plane of the single cell tends to further deteriorate, and as a result, the performance of the fuel cell stack tends to further deteriorate. It is a structure. According to the present fuel cell power generation module, even in a configuration in which the power generation performance of such a fuel cell stack is further likely to be reduced, heat generated from the heat source causes the unit cell to overlap the heat source in a direction orthogonal to the first direction. By suppressing the temperature decrease in the region near the oxidant gas supply manifold, it is possible to suppress the decrease in the uniformity of the temperature distribution in the surface of the single cell, and as a result, suppress the decrease in the power generation performance of the fuel cell stack. can do.
(5)上記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には、さらに、各前記単セルの前記燃料極に面する燃料室へ燃料ガスを供給するためのガス流路であり、前記第1の方向視で前記単セルを挟んで前記酸化剤ガス供給マニホールドと対向する位置に配置された燃料ガス供給マニホールドが形成されている構成としてもよい。本燃料電池発電モジュールでは、空気室におけるガスの主たる流れ方向と燃料室におけるガスの主たる流れ方向とが互いに対向するカウンターフロータイプの構成が採用されているため、単セルの面内の温度分布の均一性がさらに低下しやすく、その結果、燃料電池スタックの発電性能がさらに低下しやすい構成である。本燃料電池発電モジュールによれば、そのような燃料電池スタックの発電性能がさらに低下しやすい構成においても、熱源から発せられる熱により、第1の方向に直交する方向視で熱源と重なる単セルにおける酸化剤ガス供給マニホールドの近くの領域の温度低下を抑制することによって単セルにおける面内の温度分布の均一性の低下を抑制することができ、その結果、燃料電池スタックの発電性能の低下を抑制することができる。 (5) In the fuel cell power generation module, the fuel cell stack further includes a gas flow path for supplying a fuel gas to a fuel chamber facing the fuel electrode of each of the unit cells, A fuel gas supply manifold may be formed at a position facing the oxidant gas supply manifold across the unit cell in a direction view. In this fuel cell power generation module, the main flow direction of the gas in the air chamber and the main flow direction of the gas in the fuel chamber adopt a configuration of a counter flow type, so that the temperature distribution in the plane of the single cell is The uniformity is further likely to be reduced, and as a result, the power generation performance of the fuel cell stack is further likely to be reduced. According to the present fuel cell power generation module, even in a configuration in which the power generation performance of such a fuel cell stack is further likely to be reduced, heat generated from the heat source causes the unit cell to overlap the heat source in a direction orthogonal to the first direction. By suppressing the temperature decrease in the region near the oxidant gas supply manifold, it is possible to suppress the decrease in the uniformity of the temperature distribution in the surface of the single cell, and as a result, suppress the decrease in the power generation performance of the fuel cell stack. can do.
(6)上記燃料電池発電モジュールにおいて、前記第1の方向視で、前記熱源の少なくとも一部分は、前記特定仮想辺に直交する方向において、前記酸化剤ガス供給マニホールドの少なくとも一部分と対向している構成としてもよい。本燃料電池発電モジュールによれば、熱源から発せられる熱により、第1の方向に直交する方向視で熱源と重なる単セルにおける酸化剤ガス供給マニホールドの近くの領域の温度低下を効果的に抑制することによって単セルにおける面内の温度分布の均一性の低下を効果的に抑制することができ、その結果、燃料電池スタックの発電性能の低下を効果的に抑制することができる。 (6) In the fuel cell power generation module, at least a portion of the heat source is opposed to at least a portion of the oxidant gas supply manifold in a direction orthogonal to the specific imaginary side in the first direction view. It may be According to the fuel cell power generation module, the heat generated from the heat source effectively suppresses the temperature drop in the region near the oxidant gas supply manifold in the unit cell overlapping the heat source in the direction perpendicular to the first direction. Thus, it is possible to effectively suppress the decrease in the uniformity of the in-plane temperature distribution in the unit cell, and as a result, it is possible to effectively suppress the decrease in the power generation performance of the fuel cell stack.
(7)上記燃料電池発電モジュールにおいて、前記第1の方向視で、前記熱源の少なくとも一部分は、前記特定仮想辺に直交する方向において、前記酸化剤ガス供給マニホールドの全体と対向している構成としてもよい。本燃料電池発電モジュールによれば、熱源から発せられる熱により、第1の方向に直交する方向視で熱源と重なる単セルにおける酸化剤ガス供給マニホールドの近くの領域の温度低下を極めて効果的に抑制することによって単セルにおける面内の温度分布の均一性の低下を極めて効果的に抑制することができ、その結果、燃料電池スタックの発電性能の低下を極めて効果的に抑制することができる。 (7) In the fuel cell power generation module, at least a portion of the heat source is opposed to the entire oxidant gas supply manifold in the direction orthogonal to the specific imaginary side in the first direction view. It is also good. According to the fuel cell power generation module, the heat generated from the heat source extremely effectively suppresses the temperature drop of the region near the oxidant gas supply manifold in the unit cell overlapping the heat source in the direction perpendicular to the first direction. By doing this, it is possible to extremely effectively suppress the decrease in the uniformity of the in-plane temperature distribution in the unit cell, and as a result, it is possible to extremely effectively suppress the decrease in the power generation performance of the fuel cell stack.
(8)上記燃料電池発電モジュールにおいて、前記第1の方向に直交する方向視で、前記熱源の少なくとも一部分は、前記燃料電池スタックに含まれるすべての前記単セルと重なっている構成としてもよい。本燃料電池発電モジュールによれば、熱源から発せられる熱により、燃料電池スタックに含まれるすべての単セルにおいて、酸化剤ガス供給マニホールドの近くの領域の温度低下を効果的に抑制することによって単セルにおける面内の温度分布の均一性の低下を抑制することができ、その結果、燃料電池スタックの発電性能の低下をさらに効果的に抑制することができる。 (8) In the fuel cell power generation module, at least a part of the heat source may overlap all the single cells included in the fuel cell stack in a direction perpendicular to the first direction. According to the fuel cell power generation module, the heat generated from the heat source effectively suppresses the temperature decrease in the region near the oxidant gas supply manifold in all the single cells included in the fuel cell stack. It is possible to suppress the decrease in the uniformity of the in-plane temperature distribution, and as a result, the decrease in the power generation performance of the fuel cell stack can be suppressed more effectively.
(9)上記燃料電池発電モジュールにおいて、前記熱源は、前記燃料電池スタックから排出されたガスを燃焼させる燃焼室が形成された補助器を含むことを特徴とする構成としてもよい。本燃料電池発電モジュールによれば、補助器の燃焼室における燃焼熱により、第1の方向に直交する方向視で熱源と重なる単セルにおける酸化剤ガス供給マニホールドの近くの領域の温度低下を抑制することによって単セルにおける面内の温度分布の均一性の低下を抑制することができ、その結果、燃料電池スタックの発電性能の低下を抑制することができる。 (9) In the fuel cell power generation module, the heat source may include an auxiliary device in which a combustion chamber for burning the gas discharged from the fuel cell stack is formed. According to the fuel cell power generation module, the heat of combustion in the combustion chamber of the auxiliary suppresses the temperature drop of the region near the oxidant gas supply manifold in the unit cell overlapping the heat source in the direction perpendicular to the first direction. As a result, it is possible to suppress the decrease in the uniformity of the temperature distribution in the surface of the single cell, and as a result, the decrease in the power generation performance of the fuel cell stack can be suppressed.
なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池スタックと熱源とを備える燃料電池発電モジュールおよびその製造方法等の形態で実現することが可能である。 The technology disclosed in this specification can be realized in various forms, for example, a fuel cell power generation module including a fuel cell stack and a heat source, and a method of manufacturing the same. It is possible.
A.実施形態:
A−1.装置構成:
(燃料電池発電モジュール20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)20の外観構成を示す斜視図であり、図2は、図1(および後述する図6,7)のII−IIの位置における発電モジュール20のXZ断面構成を示す説明図であり、図3は、図1(および後述する図6,7)のIII−IIIの位置における発電モジュール20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。本明細書では、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が、発電モジュール20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4以降についても同様である。また、本明細書では、Z軸方向に直交する方向を、面方向と呼ぶものとする。
A. Embodiment:
A-1. Device configuration:
(Configuration of fuel cell power generation module 20)
FIG. 1 is a perspective view showing an appearance configuration of a fuel cell power generation module (hereinafter simply referred to as “power generation module”) 20 in the present embodiment, and FIG. 2 is a view II of FIG. FIG. 3 is an explanatory view showing the XZ cross-sectional configuration of the
発電モジュール20は、燃料電池スタック100と、補助器200とを備える。
The
(燃料電池スタック100の構成)
燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では7つの)燃料電池発電単位(以下、単に「発電単位」という)102と、一対のエンドプレート104,106とを備える。7つの発電単位102は、所定の配列方向(本実施形態では上下方向)に並べて配置されている。一対のエンドプレート104,106は、7つの発電単位102から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。本実施形態では、Z軸方向視での燃料電池スタック100の形状は、X軸方向に平行な辺を長辺としY軸方向に平行な辺を短辺とする長方形であり、該長方形の長辺の長さは、150mm以上である。なお、上記配列方向(上下方向)は、特許請求の範囲における第1の方向に相当する。
(Configuration of fuel cell stack 100)
The
図1に示すように、燃料電池スタック100を構成する各層(各発電単位102、エンドプレート104,106)のZ軸方向回りの外周の4つの角部周辺には、各層を上下方向に貫通する孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート104から他方のエンドプレート106にわたって上下方向に延びるボルト孔109を構成している。各ボルト孔109にはボルト22が挿入されており、各ボルト22および図示しないナットによって燃料電池スタック100は締結されている。
As shown in FIG. 1, the layers are vertically penetrated around four corners of the outer periphery around each Z-axis direction of each layer (each
また、図1から図3に示すように、各発電単位102のZ軸方向回りの外周辺の付近には、各発電単位102を上下方向に貫通する孔が形成されており、各発電単位102に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、複数の発電単位102にわたって上下方向に延びる連通孔108を構成している。以下の説明では、連通孔108を構成するために各発電単位102に形成された孔も、連通孔108と呼ぶ場合がある。
Further, as shown in FIGS. 1 to 3, a hole penetrating each
図1および図2に示すように、燃料電池スタック100のZ軸方向回りの外周における1つの辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸正方向側の辺)の付近に位置する連通孔108は、燃料電池スタック100の外部から酸化剤ガスOGが導入され、その酸化剤ガスOGを各発電単位102の後述する空気室166に供給するガス流路である酸化剤ガス供給マニホールド161として機能し、該辺の反対側の辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸負方向側の辺)の付近に位置する連通孔108は、各発電単位102の空気室166から排出されたガスである酸化剤オフガスOOGを燃料電池スタック100の外部へと排出するガス流路である酸化剤ガス排出マニホールド162として機能する。また、本実施形態では、酸化剤ガスOGとして、例えば空気が使用される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
また、図1および図3に示すように、燃料電池スタック100のZ軸方向回りの外周を構成する辺の内、上述した酸化剤ガス排出マニホールド162として機能する連通孔108に最も近い辺の付近に位置する他の連通孔108は、燃料電池スタック100の外部から燃料ガスFGが導入され、その燃料ガスFGを各発電単位102の後述する燃料室176に供給するガス流路である燃料ガス供給マニホールド171として機能し、上述した酸化剤ガス供給マニホールド161として機能する連通孔108に最も近い辺の付近に位置する他の連通孔108は、各発電単位102の燃料室176から排出されたガスである燃料オフガスFOGを燃料電池スタック100の外部へと排出するガス流路である燃料ガス排出マニホールド172として機能する。また、本実施形態では、燃料ガスFGとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。
Further, as shown in FIGS. 1 and 3, among the sides constituting the outer periphery of the
(エンドプレート104,106の構成)
一対のエンドプレート104,106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。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の発電単位102が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート104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、下側のエンドプレート106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2および図3に示すように、下側のエンドプレート106には、4つの流路用貫通孔107が形成されている。4つの流路用貫通孔107は、それぞれ、酸化剤ガス供給マニホールド161、酸化剤ガス排出マニホールド162、燃料ガス供給マニホールド171、燃料ガス排出マニホールド172に連通している。
(Configuration of
The pair of
(ガス通路部材27等の構成)
図2および図3に示すように、燃料電池スタック100は、さらに、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4つのガス通路部材27を備える。各ガス通路部材27は、内部にガス流路が形成された筒状の部材である。4つのガス通路部材27は、それぞれ、酸化剤ガス供給マニホールド161、酸化剤ガス排出マニホールド162、燃料ガス供給マニホールド171、燃料ガス排出マニホールド172と上下方向に重なる位置に配置されている。図2に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド161に重なる位置に配置されたガス通路部材27には、第1の配管231が接続されており、酸化剤ガス排出マニホールド162に重なる位置に配置されたガス通路部材27には、第2の配管232が接続されている。また、図3に示すように、燃料ガス供給マニホールド171に重なる位置に配置されたガス通路部材27には、第3の配管233が接続されており、燃料ガス排出マニホールド172に重なる位置に配置されたガス通路部材27には、第4の配管234が接続されている。なお、各ガス通路部材27とエンドプレート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。
(Configuration of
As shown in FIGS. 2 and 3, the
(発電単位102の構成)
図4は、図2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5は、図3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る。また、図6は、図4および図5のVI−VIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図であり、図7は、図4および図5のVII−VIIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図である。なお、図6および図7には、補助器200のXY断面構成も示されている。
(Configuration of power generation unit 102)
4 is an explanatory view showing the XZ cross-sectional configuration of two adjacent
図4および図5に示すように、発電単位102は、単セル110と、セパレータ120と、空気極側フレーム130と、空気極側集電体134と、燃料極側フレーム140と、燃料極側集電体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軸方向回りの周縁部には、上述した各マニホールド161,162,171,172として機能する連通孔108を構成する孔や、各ボルト孔109を構成する孔が形成されている。なお、上述したように、燃料電池スタック100はZ軸方向に並べて配置された複数の発電単位102を備えるため、燃料電池スタック100はZ軸方向に並べて配置された複数の単セル110を備えると言える。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
インターコネクタ150は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ150は、発電単位102間の電気的導通を確保すると共に、発電単位102間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合、1つのインターコネクタ150は、隣接する2つの発電単位102に共有されている。すなわち、ある発電単位102における上側のインターコネクタ150は、その発電単位102の上側に隣接する他の発電単位102における下側のインターコネクタ150と同一部材である。また、燃料電池スタック100は一対のエンドプレート104,106を備えているため、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えておらず、最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていない(図2および図3参照)。
The
単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んで上下方向(発電単位102が並ぶ配列方向)に互いに対向する空気極(カソード)114および燃料極(アノード)116とを備える。なお、本実施形態の単セル110は、燃料極116で電解質層112および空気極114を支持する燃料極支持形の単セルである。
The
電解質層112は、Z方向視で略矩形の平板形状部材であり、緻密な層である。電解質層112は、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、SDC(サマリウムドープセリア)、GDC(ガドリニウムドープセリア)、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。空気極114は、Z方向視で電解質層112より小さい略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。空気極114は、例えば、ペロブスカイト型酸化物(例えばLSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物)、LSM(ランタンストロンチウムマンガン酸化物)、LNF(ランタンニッケル鉄))により形成されている。燃料極116は、Z方向視で電解質層112と略同一の大きさの略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。燃料極116は、例えば、Niと酸化物イオン伝導性セラミックス粒子(例えば、YSZ)とからなるサーメットにより形成されている。このように、本実施形態の単セル110(発電単位102)は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。
The
なお、図6および図7に破線で示すように、本実施形態では、Z軸方向視での単セル110の形状(より具体的には、燃料極116の形状)は、X軸方向に平行な辺を長辺としY軸方向に平行な辺を短辺とする略長方形である。 6 and 7, in the present embodiment, the shape of the unit cell 110 (more specifically, the shape of the fuel electrode 116) in the Z-axis direction is parallel to the X-axis direction in the present embodiment. The side is a long side, and the side parallel to the Y-axis direction is a short side.
セパレータ120は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔121が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ120における孔121の周囲部分は、電解質層112における空気極114の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ120は、その対向した部分に配置されたロウ材(例えばAgロウ)により形成された接合部124により、電解質層112(単セル110)と接合されている。セパレータ120により、空気極114に面する空気室166と燃料極116に面する燃料室176とが区画され、単セル110の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。
The
空気極側フレーム130は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔131が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム130は、セパレータ120における電解質層112に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、空気極側フレーム130によって、発電単位102に含まれる一対のインターコネクタ150間が電気的に絶縁される。
The air
図4〜図6に示すように、空気極側フレーム130の孔131は、空気極114に面する空気室166を構成する孔である。図6に示すように、Z軸方向視で、孔131の外形線は略矩形である。また、図4および図6に示すように、空気極側フレーム130には、酸化剤ガス供給マニホールド161と空気室166とを連通する酸化剤ガス供給連通流路132と、空気室166と酸化剤ガス排出マニホールド162とを連通する酸化剤ガス排出連通流路133とが形成されている。
As shown in FIGS. 4 to 6, the
燃料極側フレーム140は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔141が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム140は、セパレータ120における電解質層112に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面の周縁部とに接触している。
The fuel
図4,図5および図7に示すように、燃料極側フレーム140の孔141は、燃料極116に面する燃料室176を構成する孔である。図7に示すように、Z軸方向視で、孔141の外形線は略矩形である。また、図5および図7に示すように、燃料極側フレーム140には、燃料ガス供給マニホールド171と燃料室176とを連通する燃料ガス供給連通流路142と、燃料室176と燃料ガス排出マニホールド172とを連通する燃料ガス排出連通流路143とが形成されている。
As shown in FIGS. 4, 5 and 7, the
図4〜図6に示すように、空気極側集電体134は、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、複数の略四角柱状の集電体要素135から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体134は、空気極114における電解質層112に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102における空気極側集電体134は、上側のエンドプレート104に接触している。空気極側集電体134は、このような構成であるため、空気極114とインターコネクタ150(またはエンドプレート104)とを電気的に接続する。なお、本実施形態では、空気極側集電体134とインターコネクタ150とは一体の部材として形成されている。すなわち、該一体の部材の内の、上下方向(Z軸方向)に直交する平板形の部分がインターコネクタ150として機能し、該平板形の部分から空気極114に向けて突出するように形成された複数の凸部である集電体要素135が空気極側集電体134として機能する。また、空気極側集電体134とインターコネクタ150との一体部材は、導電性のコートによって覆われていてもよく、空気極114と空気極側集電体134との間には、両者を接合する導電性の接合層が介在していてもよい。
As shown in FIGS. 4 to 6, the air electrode side
図4,5,7に示すように、燃料極側集電体144は、燃料室176内に配置されている。燃料極側集電体144は、インターコネクタ対向部146と、電極対向部145と、電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ連接部147とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。電極対向部145は、燃料極116における電解質層112に対向する側とは反対側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部146は、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102におけるインターコネクタ対向部146は、下側のエンドプレート106に接触している。燃料極側集電体144は、このような構成であるため、燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)とを電気的に接続する。なお、電極対向部145とインターコネクタ対向部146との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー149が配置されている。そのため、燃料極側集電体144が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位102の変形に追随し、燃料極側集電体144を介した燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)との電気的接続が良好に維持される。
As shown in FIGS. 4, 5 and 7, the fuel electrode side
(補助器200の構成)
図1〜図3、図6および図7に示すように、補助器200は、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。補助器200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に固定されている。
(Configuration of auxiliary device 200)
As shown in FIGS. 1 to 3 and FIGS. 6 and 7, the
補助器200の内部空間は、2つの隔壁222によって、一次燃焼室212と、改質室214と、二次燃焼室216とに区切られている。本実施形態では、これらの3つの室の内、一次燃焼室212が燃料電池スタック100に最も近い位置に配置され、二次燃焼室216が燃料電池スタック100から最も離れた位置に配置され、改質室214が一次燃焼室212と二次燃焼室216との間に配置されている。
The internal space of the
一次燃焼室212は、燃料電池スタック100から排出される酸化剤オフガスOOGと燃料オフガスFOGとを混合して燃焼させるための室である。図2および図3に示すように、一次燃焼室212は、第2の配管232を介して、酸化剤ガス排出マニホールド162に重なる位置に配置されたガス通路部材27と連通しており、かつ、第4の配管234を介して、燃料ガス排出マニホールド172に重なる位置に配置されたガス通路部材27と連通している。また、二次燃焼室216は、一次燃焼室212で混合・燃焼させた酸化剤オフガスOOGおよび燃料オフガスFOGをさらに燃焼させるための室である。二次燃焼室216は、改質室214を貫通するガス流路218を介して、一次燃焼室212と連通している。また、二次燃焼室216には、外部に排ガスEGを排出するための第5の配管235が接続されている。なお、本実施形態では、一次燃焼室212および二次燃焼室216の一方または両方に、酸化剤オフガスOOGおよび燃料オフガスFOGの燃焼を促進させる触媒が配置されている。
The
改質室214は、原燃料ガスRFGを改質して水素リッチな燃料ガスFGを生成するための室である。図2および図3に示すように、改質室214には、外部から原燃料ガスRFGを導入するための第6の配管236と、外部から改質水RWを導入するための第7の配管237とが接続されている。また、改質室214は、第3の配管233を介して、燃料ガス供給マニホールド171に重なる位置に配置されたガス通路部材27と連通している。なお、本実施径形態では、改質室214に、改質反応を促進させる触媒が配置されている。
The reforming
A−2.燃料電池スタック100の動作:
図2に示すように、酸化剤ガスOGは、第1の配管231からガス通路部材27を介して酸化剤ガス供給マニホールド161に導入され、酸化剤ガス供給マニホールド161から各発電単位102の空気室166に供給される。また、図3に示すように、原燃料ガスRFG(例えば都市ガス)および改質水RWは、それぞれ、第6の配管236および第7の配管237から補助器200の改質室214に導入され、改質反応に供される。改質室214における改質反応に伴い生成された燃料ガスFGは、第3の配管233およびガス通路部材27を介して燃料ガス供給マニホールド171に導入され、燃料ガス供給マニホールド171から各発電単位102の燃料室176に供給される。
A-2. Operation of Fuel Cell Stack 100:
As shown in FIG. 2, the oxidant gas OG is introduced into the oxidant
各発電単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給され、燃料室176に燃料ガスFGが供給されると、単セル110において酸化剤ガスOGに含まれる酸素と燃料ガスFGに含まれる水素との電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位102において、単セル110の空気極114は空気極側集電体134を介して一方のインターコネクタ150に電気的に接続され、燃料極116は燃料極側集電体144を介して他方のインターコネクタ150に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック100の出力端子として機能するエンドプレート104,106から、各発電単位102において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、SOFCは、比較的高温(例えば700℃から1000℃)で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック100が加熱器(図示せず)により加熱されてもよい。
When the oxidant gas OG is supplied to the
各発電単位102の空気室166から排出されたガスである酸化剤オフガスOOGは、図2に示すように、酸化剤ガス排出マニホールド162、ガス通路部材27および第2の配管232を介して、補助器200の一次燃焼室212に導入される。また、各発電単位102の燃料室176から排出されたガスである燃料オフガスFOGは、図3に示すように、燃料ガス排出マニホールド172、ガス通路部材27および第4の配管234を介して、補助器200の一次燃焼室212に導入される。一次燃焼室212に導入された酸化剤オフガスOOGおよび燃料オフガスFOGは、一次燃焼室212において混合されて燃焼し、ガス流路218を介して二次燃焼室216に導かれてさらに燃焼し、その後、第5の配管235を介して排ガスEGとして発電モジュール20の外部に排出される。なお、一次燃焼室212および二次燃焼室216において発生する熱により、改質室214における改質反応が促進されると共に、燃料電池スタック100が加熱される。補助器200は、特許請求の範囲における熱源に相当する。
The oxidant off gas OOG, which is a gas exhausted from the
なお、上述したように(図1,6,7参照)、本実施形態では、燃料電池スタック100のZ軸方向回りの外周における1つの辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸正方向側の辺)の付近に位置する2つの連通孔108の内の一方が、酸化剤ガス供給マニホールド161として機能し、該2つの連通孔108の内の他方が、燃料ガス排出マニホールド172として機能する。また、該辺の反対側の辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸負方向側の辺)の付近に位置する2つの連通孔108の内の一方が、酸化剤ガス排出マニホールド162として機能し、該2つの連通孔108の内の他方が、燃料ガス供給マニホールド171として機能する。すなわち、Z軸方向視で、酸化剤ガス供給マニホールド161および燃料ガス排出マニホールド172は、燃料電池スタック100の外形の長方形における一方の短辺付近に位置し、酸化剤ガス排出マニホールド162および燃料ガス供給マニホールド171は、該長方形における他方の短辺付近に位置する。換言すれば、Z軸方向視で、燃料ガス供給マニホールド171は、単セル110を挟んで酸化剤ガス供給マニホールド161と対向する位置に配置されており、燃料ガス排出マニホールド172は、単セル110を挟んで酸化剤ガス排出マニホールド162と対向する位置に配置されている。そのため、各発電単位102の空気室166における酸化剤ガスOGの主たる流れ方向は、図6に示すようにX軸正方向側からX軸負方向側に向かう方向となり、燃料室176における燃料ガスFGの主たる流れ方向は、図7に示すようにX軸負方向側からX軸正方向側に向かう方向となる。このように、本実施形態の燃料電池スタック100は、酸化剤ガスOGの主たる流れ方向と燃料ガスFGの主たる流れ方向とが互いに対向する方向となるいわゆるカウンターフロータイプのSOFCである。
As described above (see FIGS. 1, 6 and 7), in the present embodiment, one side of the outer periphery of the
A−3.燃料電池スタック100と補助器200との位置関係:
本実施形態の発電モジュール20は、燃料電池スタック100と補助器200との位置関係に特徴がある。具体的には、図1〜図3に示すように、補助器200は、Z軸に直交する方向視(面方向視)で、燃料電池スタック100に含まれるすべての単セル110と重なるように配置されている。
A-3. Positional relationship between
The
また、図6には、Z軸方向視で、燃料電池スタック100の外形に外接する最小の仮想矩形VRが示されている。本実施形態の発電モジュール20では、燃料電池スタック100の外形が矩形であるため、仮想矩形VRは、燃料電池スタック100の外形に一致する。すなわち、仮想矩形VRは、X軸方向に平行な辺を長辺としY軸方向に平行な辺を短辺とする長方形であり、該長方形の長辺の長さは150mm以上である。
Further, FIG. 6 shows the smallest virtual rectangle VR circumscribing the outer shape of the
また、仮想矩形VRを構成する4つの仮想辺VS(VS1〜VS4)の内、酸化剤ガス供給マニホールド161の図心P1に最も近い仮想辺VSを、特定仮想辺SVSというものとする。本実施形態の発電モジュール20では、Y軸に平行な2つの仮想辺VSの内のX軸正方向側に位置する仮想辺VS2が、特定仮想辺SVSとなる。すなわち、特定仮想辺SVSは、長方形である仮想矩形VRの短辺である。なお、酸化剤ガス供給マニホールド161が複数存在する場合には、上述した図心P1とは、各酸化剤ガス供給マニホールド161の図心間を線分で結んで形成される図形の図心を意味する。例えば、酸化剤ガス供給マニホールド161が2つ存在する場合には、上述した図心P1とは、一方の酸化剤ガス供給マニホールド161の図心と他方の酸化剤ガス供給マニホールド161の図心とを結ぶ線分の中点である。
Further, among the four virtual sides VS (VS1 to VS4) constituting the virtual rectangle VR, the virtual side VS closest to the centroid P1 of the oxidant
図6に示すように、本実施形態の発電モジュール20では、Z軸方向視で、補助器200が、特定仮想辺SVSの一部分と、特定仮想辺SVSに直交する方向(本実施形態ではX軸方向)に対向している。また、本実施形態の発電モジュール20では、Z軸方向視で、補助器200が、特定仮想辺SVSに直交する方向において、酸化剤ガス供給マニホールド161の全体と対向している。
As shown in FIG. 6, in the
A−4.本実施形態の効果:
以上説明したように、本実施形態の発電モジュール20は、電解質層112と電解質層112を挟んで互いに対向する空気極114および燃料極116とをそれぞれ含み、Z軸方向に並べて配置された複数の単セル110を有する燃料電池スタック100と、補助器200とを備える。燃料電池スタック100には、各単セル110の空気極114に面する空気室166へ酸化剤ガスOGを供給するためのガス流路である酸化剤ガス供給マニホールド161が形成されている。補助器200は、Z軸方向に直交する方向視(面方向視)で、燃料電池スタック100に含まれるすべて単セル110と重なっている。また、補助器200は、Z軸方向視で、燃料電池スタック100の外形に外接する最小の仮想矩形VRを構成する4つの仮想辺VSの内、酸化剤ガス供給マニホールド161の図心P1に最も近い仮想辺VSである特定仮想辺SVSの一部分と、特定仮想辺SVSに直交する方向に対向している。
A-4. Effects of the present embodiment:
As described above, the
ここで、燃料電池スタック100に供給される酸化剤ガスOGおよび燃料ガスFGは、燃料電池スタック100の外部から導入されるため、比較的低温である。また、燃料電池スタック100の運転の際には、燃料ガスFG中の水素の利用率を高めるために、燃料ガスFGの供給量と比較して、酸化剤ガスOGの供給量が大きい値に設定される。そのため、燃料電池スタック100に含まれる各単セル110における酸化剤ガス供給マニホールド161の近くの領域(例えば、図6の領域X1)は、多量の酸化剤ガスOGによって熱を奪われ、温度が低下しやすい。単セル110における特定の領域の温度が低下すると、単セル110の面内の温度分布の均一性が低下して(すなわち、単セル110の各領域間での温度差が大きくなって)発電効率が低下し、その結果、燃料電池スタック100の発電性能が低下する。
Here, since the oxidant gas OG and the fuel gas FG supplied to the
本実施形態の発電モジュール20では、上述したように、補助器200が、面方向視で、燃料電池スタック100に含まれるすべて単セル110と重なっており、かつ、Z軸方向視で、酸化剤ガス供給マニホールド161の図心P1に近い特定仮想辺SVSの一部分と、特定仮想辺SVSに直交する方向に対向している。そのため、本実施形態の発電モジュール20によれば、補助器200から発せられる熱により、燃料電池スタック100に含まれるすべて単セル110における酸化剤ガス供給マニホールド161の近くの領域の温度低下を抑制することができる。従って、本実施形態の発電モジュール20によれば、燃料電池スタック100に含まれるすべて単セル110において、面内の温度分布の均一性の低下を抑制することができ、その結果、燃料電池スタック100の発電性能の低下を抑制することができる。
In the
なお、本実施形態の発電モジュール20では、Z軸方向視で、燃料電池スタック100の外形は、少なくとも一部分が酸化剤ガス供給マニホールド161の図心P1を挟んで単セル110と対向する直線状の辺を少なくとも1つ有している。そのため、補助器200が、該直線状の辺の内の酸化剤ガス供給マニホールド161の図心P1に最も近い辺の少なくとも一部分と、該辺に直交する方向に対向することとなる。従って、本実施形態の発電モジュール20によれば、補助器200から発せられる熱により、燃料電池スタック100に含まれる各単セル110における酸化剤ガス供給マニホールド161の近くの領域の温度低下を効果的に抑制することによって面内の温度分布の均一性の低下をより効果的に抑制することができ、その結果、燃料電池スタック100の発電性能の低下をより効果的に抑制することができる。
In the
また、本実施形態の発電モジュール20では、Z軸方向視での燃料電池スタック100の形状は、X軸方向に平行な辺を長辺としY軸方向に平行な辺を短辺とする長方形である。そのため、仮想矩形VRも長方形である。また、本実施形態の発電モジュール20では、酸化剤ガス供給マニホールド161の図心P1に最も近い仮想辺VSである特定仮想辺SVSは、長方形である仮想矩形VRの短辺である。そのため、本実施形態の発電モジュール20は、単セル110の面内の温度分布の均一性が低下しやすく、その結果、燃料電池スタック100の発電性能が低下しやすい構成であると言える。本実施形態の発電モジュール20によれば、そのような燃料電池スタック100の発電性能が低下しやすい構成においても、補助器200から発せられる熱により、各単セル110における酸化剤ガス供給マニホールド161の近くの領域の温度低下を抑制することによって面内の温度分布の均一性の低下を抑制することができ、その結果、燃料電池スタック100の発電性能の低下を抑制することができる。
Further, in the
また、本実施形態の発電モジュール20では、Z軸方向視での燃料電池スタック100の形状である長方形の長辺の長さは、150mm以上である。そのため、長方形の仮想矩形VRの長辺の長さも、150mm以上である。このように、本実施形態の発電モジュール20は、仮想矩形VRの長辺がある程度長いため、単セル110の面内の温度分布の均一性がさらに低下しやすく、その結果、燃料電池スタック100の発電性能がさらに低下しやすい構成であると言える。本実施形態の発電モジュール20によれば、そのような燃料電池スタック100の発電性能がさらに低下しやすい構成においても、補助器200から発せられる熱により、各単セル110における酸化剤ガス供給マニホールド161の近くの領域の温度低下を抑制することによって面内の温度分布の均一性の低下を抑制することができ、その結果、燃料電池スタック100の発電性能の低下を抑制することができる。なお、単セル110の面内の温度分布の均一性が低下しやすいという点で、本発明は、仮想矩形VRの長辺の長さが160mm以上である構成においてより好適であり、仮想矩形VRの長辺の長さが170mm以上である構成においてさらに好適であり、仮想矩形VRの長辺の長さが180mm以上である構成において一層好適であり、仮想矩形VRの長辺の長さが190mm以上である構成において極めて好適であり、仮想矩形VRの長辺の長さが200mm以上である構成において最も好適である。また、本発明は、仮想矩形VRの長辺の長さが500mm以下である構成において好適である。
Further, in the
また、本実施形態の発電モジュール20では、燃料電池スタック100にはさらに、各単セル110の燃料極116に面する燃料室176へ燃料ガスFGを供給するためのガス流路である燃料ガス供給マニホールド171が形成されている。燃料ガス供給マニホールド171は、Z軸方向視で、単セル110を挟んで酸化剤ガス供給マニホールド161と対向する位置に配置されている。このように、本実施形態の発電モジュール20では、空気室166における酸化剤ガスOGの主たる流れ方向と燃料室176における燃料ガスFGの主たる流れ方向とが互いに対向するカウンターフロータイプの構成が採用されている。カウンターフロータイプの構成では、各単セル110における燃料ガス供給マニホールド171の近くの領域(例えば、図6の領域X2)において、発電が集中して温度が上昇しやすいため、単セル110の面内の温度分布の均一性がさらに低下しやすい構成であると言える。本実施形態の発電モジュール20によれば、そのような燃料電池スタック100の発電性能がさらに低下しやすい構成においても、補助器200から発せられる熱により、各単セル110における酸化剤ガス供給マニホールド161の近くの領域の温度低下を抑制することによって面内の温度分布の均一性の低下を抑制することができ、その結果、燃料電池スタック100の発電性能の低下を抑制することができる。
Further, in the
また、本実施形態の発電モジュール20では、Z軸方向視で、補助器200は、特定仮想辺SVSに直交する方向において、酸化剤ガス供給マニホールド161の全体と対向している。そのため、本実施形態の発電モジュール20では、補助器200から発せられる熱により、各単セル110における酸化剤ガス供給マニホールド161の近くの領域の温度低下を極めて効果的に抑制することによって、面内の温度分布の均一性の低下を極めて効果的に抑制することができる。従って、本実施形態の発電モジュール20によれば、燃料電池スタック100の発電性能の低下を極めて効果的に抑制することができる。
Further, in the
B.変形例:
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。
B. Modification:
The technology disclosed in the present specification is not limited to the above-described embodiment, and can be modified into various forms without departing from the scope of the present invention. For example, the following modifications are also possible.
上記実施形態の発電モジュール20の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、補助器200が、Z軸に直交する方向視(面方向視)で、燃料電池スタック100に含まれるすべての単セル110と重なるように配置されているが、図8に示す変形例の発電モジュール20のように、補助器200が、面方向視で、燃料電池スタック100に含まれる一部の発電単位102(単セル110)のみと重なるように配置されてもよい。このような構成の発電モジュール20においても、上記実施形態と同様に、Z軸方向視で、補助器200が、特定仮想辺SVSに直交する方向において特定仮想辺SVSと対向していれば、補助器200から発せられる熱により、主として面方向視で補助器200と重なる各単セル110における酸化剤ガス供給マニホールド161の近くの領域の温度低下を抑制することができ、面内の温度分布の均一性の低下を抑制することができ、その結果、燃料電池スタック100の発電性能の低下を抑制することができる。このように、補助器200の少なくとも一部分が、面方向視で、少なくとも1つの単セル110と重なっていれば、上記実施形態と同様の効果が得られる。
The configuration of the
また、上記実施形態では、Z軸方向視で、補助器200が、特定仮想辺SVSに直交する方向において、酸化剤ガス供給マニホールド161の全体と対向しているが、図9に示す変形例の発電モジュール20のように、Z軸方向視で、補助器200が、特定仮想辺SVSに直交する方向において、酸化剤ガス供給マニホールド161の一部分のみと対向しているとしてもよい。また、図10に示す変形例の発電モジュール20のように、Z軸方向視で、補助器200が、特定仮想辺SVSに直交する方向において、酸化剤ガス供給マニホールド161と対向していなくてもよい。これらの構成の発電モジュール20においても、上記実施形態と同様に、Z軸方向視で、補助器200が、特定仮想辺SVSに直交する方向において特定仮想辺SVSと対向していれば、補助器200から発せられる熱により、単セル110における酸化剤ガス供給マニホールド161の近くの領域の温度低下を抑制することができ、面内の温度分布の均一性の低下を抑制することができ、その結果、燃料電池スタック100の発電性能の低下を抑制することができる。このように、補助器200の少なくとも一部分が、Z軸方向視で、特定仮想辺SVSの少なくとも一部分と、特定仮想辺SVSに直交する方向に対向していれば、上記実施形態と同様の効果が得られる。
Further, in the above embodiment, the
また、上記実施形態では、Z軸方向視での燃料電池スタック100の形状が、X軸方向に平行な辺を長辺としY軸方向に平行な辺を短辺とする長方形であるとしているが、必ずしもそのような形状である必要はない。例えば、Z軸方向視での燃料電池スタック100の形状は、X軸方向に平行な辺を短辺としY軸方向に平行な辺を長辺とする長方形であってもよいし、正方形であってもよい。また、Z軸方向視での燃料電池スタック100の形状は、長方形または正方形の角部が面取り(R面取りやC面取り)された形状であってもよい。また、Z軸方向視での燃料電池スタック100の形状は、矩形に限られず、略楕円形や辺の数が5以上の多角形等の他の形状であってもよい。図11には、Z軸方向視での燃料電池スタック100の形状が略楕円形である変形例の発電モジュール20が示されている。また、図12には、Z軸方向視での燃料電池スタック100の形状が12角形である変形例の発電モジュール20が示されている。これらの構成の発電モジュール20においても、上記実施形態と同様に、Z軸方向視で、補助器200が、特定仮想辺SVSに直交する方向において特定仮想辺SVSと対向していれば、補助器200から発せられる熱により、単セル110における酸化剤ガス供給マニホールド161の近くの領域の温度低下を抑制することができ、面内の温度分布の均一性の低下を抑制することができ、その結果、燃料電池スタック100の発電性能の低下を抑制することができる。
In the above embodiment, the shape of the
また、上記実施形態では、Z軸方向視での燃料電池スタック100の形状の長方形の長辺の長さが150mm以上であるとしているが、Z軸方向視での燃料電池スタック100の大きさは任意に変更可能である。
In the above embodiment, the long side of the long side of the rectangular shape of the
また、上記実施形態では、燃料電池スタック100のガス流れに関する構成として、酸化剤ガスOGの主たる流れ方向と燃料ガスFGの主たる流れ方向とが互いに対向する方向となるカウンターフロータイプの構成が採用されているが、本発明は、酸化剤ガスOGの主たる流れ方向と燃料ガスFGの主たる流れ方向とが略同一方向となるコフロータイプの構成や、酸化剤ガスOGの主たる流れ方向と燃料ガスFGの主たる流れ方向とが互いに略直交する方向となるクロスフロータイプの構成にも同様に適用することができる。
Further, in the above embodiment, as the configuration relating to the gas flow of the
また、上記実施形態では、補助器200に、一次燃焼室212と、改質室214と、二次燃焼室216とが形成されているが、補助器200に形成される燃焼室の数は1つであってもよいし、3つ以上であってもよい。また、補助器200に改質室214が形成されていなくてもよい。
Further, in the above embodiment, the
また、上記実施形態では、発電モジュール20が、熱源としての補助器200を備えるとしているが、発電モジュール20が、補助器200に代えて、または、補助器200に加えて、他の熱源を備えるとしてもよい。そのような構成においても、燃料電池スタック100と熱源との関係が、上記実施形態における燃料電池スタック100と補助器200との関係と同様であれば、熱源から発せられる熱により、各単セル110における酸化剤ガス供給マニホールド161の近くの領域の温度低下を抑制することができ、面内の温度分布の均一性の低下を抑制することができ、その結果、燃料電池スタック100の発電性能の低下を抑制することができる。
In the above embodiment, although the
また、上記実施形態では、ボルト孔109が、各マニホールド用の連通孔108とは独立して設けられているが、独立したボルト孔109を設けず、各マニホールド用の連通孔108の一部または全部がボルト孔としても用いられるとしてもよい。また、上記実施形態において、空気極114と電解質層112との間に中間層が配置されていてもよい。また、上記実施形態において、燃料電池スタック100に含まれる発電単位102(単セル110)の個数は、あくまで一例であり、発電単位102の個数は燃料電池スタック100に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。また、上記実施形態における各部材を構成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により構成されていてもよい。
Further, in the above embodiment, although the bolt holes 109 are provided independently of the communication holes 108 for each manifold, the bolt holes 109 are not provided independently, and a part of the communication holes 108 for each manifold or The whole may be used as a bolt hole. In the above embodiment, an intermediate layer may be disposed between the
また、上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池(SOFC)を例に説明したが、本発明は、他のタイプの燃料電池にも適用可能である。なお、本発明は、SOFCや溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)といった高温型の燃料電池に好適である。 Moreover, in the said embodiment, although the solid oxide fuel cell (SOFC) was demonstrated to the example, this invention is applicable also to the fuel cell of another type. The present invention is suitable for a high temperature fuel cell such as SOFC or a molten carbonate fuel cell (MCFC).
20:燃料電池発電モジュール 22:ボルト 26:絶縁シート 27:ガス通路部材 100:燃料電池スタック 102:燃料電池発電単位 104:エンドプレート 106:エンドプレート 107:流路用貫通孔 108:連通孔 109:ボルト孔 110:単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 120:セパレータ 121:孔 124:接合部 130:空気極側フレーム 131:孔 132:酸化剤ガス供給連通流路 133:酸化剤ガス排出連通流路 134:空気極側集電体 135:集電体要素 140:燃料極側フレーム 141:孔 142:燃料ガス供給連通流路 143:燃料ガス排出連通流路 144:燃料極側集電体 145:電極対向部 146:インターコネクタ対向部 147:連接部 149:スペーサー 150:インターコネクタ 161:酸化剤ガス供給マニホールド 162:酸化剤ガス排出マニホールド 166:空気室 171:燃料ガス供給マニホールド 172:燃料ガス排出マニホールド 176:燃料室 200:補助器 212:一次燃焼室 214:改質室 216:二次燃焼室 218:ガス流路 222:隔壁 231:第1の配管 232:第2の配管 233:第3の配管 234:第4の配管 235:第5の配管 236:第6の配管 237:第7の配管 20: fuel cell power generation module 22: bolt 26: insulation sheet 27: gas passage member 100: fuel cell stack 102: fuel cell power generation unit 104: end plate 106: end plate 107: passage through hole 108: communication hole 109: communication hole Bolt hole 110: single cell 112: electrolyte layer 114: air electrode 116: fuel electrode 120: separator 121: hole 124: joint portion 130: air electrode side frame 131: hole 132: oxidant gas supply communication flow path 133: oxidant Gas discharge communication channel 134: Air electrode side current collector 135: Current collector element 140: Fuel electrode side frame 141: Hole 142: Fuel gas supply communication channel 143: Fuel gas discharge communication channel 144: Fuel electrode side collector Current collector 145: electrode facing portion 146: interconnector facing portion 147: connection portion 149: Spacer 150: Interconnector 161: Oxidant gas supply manifold 162: Oxidant gas discharge manifold 166: Air chamber 171: Fuel gas supply manifold 172: Fuel gas discharge manifold 176: Fuel chamber 200: Auxiliary device 212: Primary combustion chamber 214: reforming chamber 216: secondary combustion chamber 218: gas flow path 222: partition 231: first pipe 232: second pipe 233: third pipe 234: fourth pipe 235: fifth pipe 236 : Sixth piping 237: Seventh piping
Claims (9)
熱源と、
を備える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には、各前記単セルの前記空気極に面する空気室へ酸化剤ガスを供給するためのガス流路である酸化剤ガス供給マニホールドが形成されており、
前記熱源の少なくとも一部分は、
前記第1の方向に直交する方向視で、少なくとも1つの前記単セルと重なっており、かつ、
前記第1の方向視で、前記燃料電池スタックの外形に外接する最小の仮想矩形を構成する4つの仮想辺の内、前記酸化剤ガス供給マニホールドの図心に最も近い前記仮想辺である特定仮想辺の少なくとも一部分と、前記特定仮想辺に直交する方向に対向していることを特徴とする、燃料電池発電モジュール。 A fuel cell stack including a plurality of unit cells, each including an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other with the electrolyte layer interposed therebetween, and arranged in a first direction;
A heat source,
In a fuel cell power generation module comprising
The fuel cell stack is formed with an oxidant gas supply manifold which is a gas flow path for supplying oxidant gas to an air chamber facing the air electrode of each unit cell,
At least a portion of the heat source is
Overlap with at least one of the single cells in a direction orthogonal to the first direction, and
Of the four virtual sides forming the smallest virtual rectangle circumscribing the outer shape of the fuel cell stack in the first direction, a specific virtual that is the virtual side closest to the center of the oxidant gas supply manifold. A fuel cell power generation module, characterized in that at least a part of the side faces in a direction orthogonal to the specific virtual side.
前記第1の方向視で、前記燃料電池スタックの外形は、少なくとも一部分が前記酸化剤ガス供給マニホールドの図心を挟んで前記単セルと対向する直線状の辺を少なくとも1つ有することを特徴とする、燃料電池発電モジュール。 In the fuel cell power generation module according to claim 1,
As viewed in the first direction, the outer shape of the fuel cell stack is characterized in that at least a portion has at least one linear side facing the single cell across the center of the oxidant gas supply manifold. A fuel cell power generation module.
前記仮想矩形は、長方形であり、
前記特定仮想辺は、前記長方形の短辺であることを特徴とする、燃料電池発電モジュール。 The fuel cell power generation module according to claim 1 or 2,
The virtual rectangle is a rectangle,
The fuel cell power generation module according to claim 1, wherein the specific imaginary side is a short side of the rectangle.
前記長方形の長辺の長さは、150mm以上であることを特徴とする、燃料電池発電モジュール。 In the fuel cell power generation module according to claim 3,
The fuel cell power generation module, wherein a length of a long side of the rectangle is 150 mm or more.
前記燃料電池スタックには、さらに、各前記単セルの前記燃料極に面する燃料室へ燃料ガスを供給するためのガス流路であり、前記第1の方向視で前記単セルを挟んで前記酸化剤ガス供給マニホールドと対向する位置に配置された燃料ガス供給マニホールドが形成されていることを特徴とする、燃料電池発電モジュール。 The fuel cell power generation module according to any one of claims 1 to 4.
The fuel cell stack further includes a gas flow path for supplying a fuel gas to a fuel chamber facing the fuel electrode of each unit cell, and the unit cell is interposed between the unit cells in the first direction view. What is claimed is: 1. A fuel cell power generation module comprising: a fuel gas supply manifold disposed at a position opposite to an oxidant gas supply manifold.
前記第1の方向視で、前記熱源の少なくとも一部分は、前記特定仮想辺に直交する方向において、前記酸化剤ガス供給マニホールドの少なくとも一部分と対向していることを特徴とする、燃料電池発電モジュール。 The fuel cell power generation module according to any one of claims 1 to 5,
A fuel cell power generation module, wherein at least a portion of the heat source is opposed to at least a portion of the oxidant gas supply manifold in a direction orthogonal to the specific imaginary side in the first direction.
前記第1の方向視で、前記熱源の少なくとも一部分は、前記特定仮想辺に直交する方向において、前記酸化剤ガス供給マニホールドの全体と対向していることを特徴とする、燃料電池発電モジュール。 In the fuel cell power generation module according to claim 6,
A fuel cell power generation module, wherein at least a part of the heat source faces the whole of the oxidant gas supply manifold in a direction orthogonal to the specific imaginary side in the first direction.
前記第1の方向に直交する方向視で、前記熱源の少なくとも一部分は、前記燃料電池スタックに含まれるすべての前記単セルと重なっていることを特徴とする、燃料電池発電モジュール。 The fuel cell power generation module according to any one of claims 1 to 7.
A fuel cell power generation module, wherein at least a part of the heat source overlaps all the unit cells included in the fuel cell stack in a direction perpendicular to the first direction.
前記熱源は、前記燃料電池スタックから排出されたガスを燃焼させる燃焼室が形成された補助器を含むことを特徴とする、燃料電池発電モジュール。 The fuel cell power generation module according to any one of claims 1 to 8.
The fuel cell power generation module according to claim 1, wherein the heat source includes an auxiliary unit having a combustion chamber configured to burn the gas discharged from the fuel cell stack.
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